頁基于ARM的電機(jī)智能保護(hù)控制器設(shè)計第一章緒論1.1本文的研究背景及意義當(dāng)今社會電機(jī)廣泛的應(yīng)用在了廠房，企業(yè)，工廠中，但因客觀條件所限，例如環(huán)境、傳動負(fù)載、電網(wǎng)波動等未知原因，電機(jī)常常會遇到低壓、高壓、過流、缺相、啟動時間長、被堵轉(zhuǎn)、漏電等問題，如果不能及時采用對應(yīng)的手段，電機(jī)很可能被燒毀，后果是推遲了整個工序的進(jìn)度，從而全部生產(chǎn)線的停工，影響正常的生產(chǎn)。據(jù)不完全統(tǒng)計中國每年因電機(jī)故障消耗的電量可用千萬計，燒毀電機(jī)的數(shù)量更達(dá)30萬臺以上，合計直接損失億元以上，間接損失更是一個龐大的大數(shù)目。更值得一提的是那些應(yīng)用于礦山，冶金化工等企業(yè)的高壓大型電機(jī)，工作環(huán)境惡劣，價格且十分昂貴，更兼是企業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，一單事故損壞，會給整個生產(chǎn)過程的停滯帶來更大的間接損失。因此，及時、有效、可靠地各方面保護(hù)電機(jī)，尤其是針對大中型的高壓電機(jī)綜合保護(hù)，對生產(chǎn)效率的提高，經(jīng)濟(jì)效益的保護(hù)有著十分重要的意義。以前大多采用熱繼電器、熔斷器、時間繼電器、機(jī)械等簡易裝置進(jìn)行電機(jī)保護(hù)，但是這些裝置不但保護(hù)精度低，而且整定困難、靈活性差、安裝復(fù)雜，有時甚至起不到保護(hù)作用。后來隨著單片機(jī)技術(shù)的成熟與廣泛應(yīng)用，8\16位的單片機(jī)被用于電氣保護(hù)中，但是它們僅僅具有一般的控制測量功能，在人機(jī)界面、數(shù)據(jù)查詢、處理監(jiān)控能力等方面比較有限，而且很少具備網(wǎng)絡(luò)通信功能。本文研究的是基于ARM的電機(jī)的智能保護(hù)控制器設(shè)計。ARM芯片在網(wǎng)絡(luò)化、多目標(biāo)采集和多層次多方位測控等方面具有強(qiáng)大的優(yōu)勢。STM32F407是ARMCortexM4系列的處理器，可以同時對多個采樣點進(jìn)行采樣，具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力。同時，保護(hù)器具備動作保護(hù)記錄功能和強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通訊功能，支持RS485的通訊協(xié)議，構(gòu)建成有效的保護(hù)測控網(wǎng)絡(luò)。因此，基于ARM的電機(jī)智能保護(hù)控制器比以前的電機(jī)保護(hù)器功能更多化、操作更方便化、更快捷化、保護(hù)更有效化。1.2電機(jī)保護(hù)的歷史電機(jī)在日常生活中隨處可見，它是拖動系統(tǒng)的重要組成部分，并且在工業(yè)中占有著舉足輕重的地位。電機(jī)按照類別，可細(xì)化從直流電機(jī)、交流電機(jī)、控制電機(jī)、特種電機(jī)逐步發(fā)展至今。電機(jī)最早大約出現(xiàn)在1820年，丹麥的物理學(xué)家奧斯特意外發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)。隨后法拉第在1831年提出電磁感應(yīng)定律，并發(fā)明了世界上第一臺單極直流電機(jī)。隨著電機(jī)在各行各業(yè)中應(yīng)用越來越廣泛，電機(jī)保護(hù)越來越多的進(jìn)入人們的眼球。電動機(jī)保護(hù)大概經(jīng)歷過繼電器、模擬電子保護(hù)器、數(shù)字電子保護(hù)器這幾個階段。（一）熱繼電器、熔斷器和電磁式電流繼電器

在電子業(yè)不發(fā)達(dá)的時候，電機(jī)過載保護(hù)的首選產(chǎn)品一定是熱繼電器，它的工作原理基于金屬的熱脹冷縮，當(dāng)膨脹系數(shù)不同的兩種金屬鉚合在一起，有電流通過時它們時，根據(jù)焦耳定律就會產(chǎn)生一定熱量，并且趨向膨脹系數(shù)較小的金屬片彎曲，彎曲的程度與電流的大小成正比，當(dāng)電流超過設(shè)定值就會啟動電機(jī)里的保護(hù)裝置切斷主回路從而達(dá)到保護(hù)的目的。然而熱繼電器有幾個致命的缺點，包括受環(huán)境影響大、誤差大及功能單一、重復(fù)性差整定粗糙等，逐漸無法滿足現(xiàn)代社會的要求，因此難以避免被淘汰的命運。有人認(rèn)為熔斷器是電機(jī)的過載保護(hù)，但這種想法是不夠科學(xué)的。首先因為無法按照電機(jī)額定電流準(zhǔn)確的設(shè)定保護(hù)值，而且如果熔斷器規(guī)格選擇的太小則容易發(fā)生斷路現(xiàn)象，使電機(jī)運行缺相，如果熔斷器規(guī)格選得太大，則達(dá)不到過載保護(hù)的作用。電磁式電流繼電器也具備保護(hù)電機(jī)的基本功能，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)械制造精度高，價格高且體積龐大，因此目前已被基本淘汰。（二）模擬電子式電機(jī)保護(hù)器在上世紀(jì)末，伴隨著半導(dǎo)體器件的興起和普及，出現(xiàn)了一批性能較為可靠、功能較為多樣化的電子式電機(jī)保護(hù)器，成為了新一代的保護(hù)器，這些保護(hù)器可以保護(hù)的故障包括：欠流，缺相，過載，相失衡，短路，過欠壓，相序，接地，電流顯示，聲光報警及變送輸出等，但這類產(chǎn)品仍有一些先天性缺陷，包括以下幾個方面：采樣精度不高、整定精度不高、無法實現(xiàn)具多種保護(hù)功能于一身的全面保護(hù)，從而純粹模擬線路的電機(jī)保護(hù)器終將被更為先進(jìn)的技術(shù)產(chǎn)品淘汰。（三）數(shù)字電子式電機(jī)保護(hù)器這類電機(jī)保護(hù)器主要控制器是單片機(jī)，可將電機(jī)的綜合保護(hù)實現(xiàn)智能化，即智能化電機(jī)保護(hù)器，更先進(jìn)的還可以遠(yuǎn)程通訊，下節(jié)將介紹國內(nèi)外電機(jī)智能保護(hù)的研究現(xiàn)狀和電機(jī)智能保護(hù)的趨勢，這里不再贅述智能電機(jī)保護(hù)器（數(shù)字電子式電機(jī)保護(hù)器）。1.3電機(jī)智能保護(hù)1.3.1電機(jī)保護(hù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀（引用文獻(xiàn)）目前，關(guān)于電機(jī)保護(hù)外國技術(shù)較國內(nèi)較為先進(jìn)，瑞士的ABB公司研發(fā)了智能電機(jī)控制保護(hù)器，同時將電動機(jī)保護(hù)功能和電動機(jī)管理功能結(jié)合在一個設(shè)備中，并提供診斷功能和現(xiàn)場總線通訊功能，這款電機(jī)保護(hù)控制器主要應(yīng)用于三相異步交流電動機(jī)。該控制器的功能調(diào)節(jié)范圍廣，可以滿足各種行業(yè)的需求。而目前國內(nèi)暫時沒有出現(xiàn)這種保護(hù)器，經(jīng)過晶體管和集成電路發(fā)展，現(xiàn)在國內(nèi)市場的電機(jī)保護(hù)器已經(jīng)采用微處理芯片厚模電路，從功能上來講，能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的基本保護(hù)功能，例如，過流、過壓、缺相等，但是從精確度、靈敏度以及優(yōu)化節(jié)能等方面，都略差于國外的先進(jìn)技術(shù)。國外的電機(jī)保護(hù)控制器配合著電機(jī)的說明書，保護(hù)效果很好，電機(jī)和保護(hù)二者配合非常契合，而國內(nèi)的電機(jī)往往缺少這一方面的參數(shù)，很多參數(shù)無法查到或者根本就沒有，這反過來也影響到國內(nèi)電機(jī)保護(hù)的發(fā)展。國外電機(jī)保護(hù)控制裝置研發(fā)起步較早，生產(chǎn)規(guī)模較大、專業(yè)生產(chǎn)和種類齊全的應(yīng)屬美國、韓國和德國。如韓國三和技研珠式會社，其產(chǎn)品——數(shù)顯示智能型保護(hù)器、交流直流電機(jī)保護(hù)繼電器、電壓保護(hù)器均有系列產(chǎn)品，有60余種規(guī)格。保護(hù)功能主要有：發(fā)電機(jī)的斷相、堵轉(zhuǎn)、接地、三相不平衡、過載、欠載、逆相、電網(wǎng)、漏電、短路等。其特點有：故障記憶、計算機(jī)聯(lián)網(wǎng)、保護(hù)器自身可溫度補(bǔ)償、負(fù)荷率檢測、報警提示、指示運行、多臺電動機(jī)同時檢測、通信，這樣不僅能夠保護(hù)電動機(jī)和電路，還可以利用速斷功能來保護(hù)機(jī)械設(shè)備，具有調(diào)整精度高、動作準(zhǔn)確、體積小、外形美觀等優(yōu)點。1.3.2電機(jī)智能保護(hù)的現(xiàn)狀及趨勢目前電機(jī)保護(hù)主要集中監(jiān)測保護(hù)控制和智能保護(hù)控制于一身（單片機(jī)監(jiān)測保護(hù)控制）。智能保護(hù)控制是通過微機(jī)處理器組成的保護(hù)控制裝置。由于微處理器智能功能強(qiáng)大，可實現(xiàn)以前的保護(hù)控制裝置所不能實現(xiàn)的保護(hù)控制功能。還具有能快速分析電機(jī)采集到的各種故障信號，將結(jié)果和設(shè)定參數(shù)進(jìn)行比較，當(dāng)超過設(shè)定范圍時就發(fā)出控制動作信號，從而達(dá)到保護(hù)控制目的，并有可以隨時顯示和設(shè)定參數(shù)的優(yōu)點。如有需求，還可通過RS486接口，用一臺計算機(jī)控制監(jiān)測多臺電動機(jī)（可達(dá)256臺），對有關(guān)的運行參數(shù)及保護(hù)類別進(jìn)行顯示、打印。同時可修改每臺保護(hù)裝置的保護(hù)參數(shù)，還可以直接去控制電機(jī)，以實現(xiàn)集中監(jiān)測控制保護(hù)的目的。這類產(chǎn)品可對過載、過壓、欠壓、漏電、短路、斷相等故障實施保護(hù)；還具有時間控制、來電自恢復(fù)、軟件自診斷、電流電壓顯示、自起動順序、自鎖和顯示故障電流電壓、故障記憶、遠(yuǎn)程報警、故障動作前后報警等功能。未來將利用傳感器（包括高頻電磁波、機(jī)械、振動、電、位移、熱、紅外線、光聲等）和新的理論對電機(jī)進(jìn)行實時的監(jiān)測，然后根據(jù)傳感器傳送回的信息用計算機(jī)進(jìn)行分類，判斷，計算，確定故障，最后實施顯示、報警、控制等動作，不僅可以實現(xiàn)電機(jī)大部分保護(hù)控制的功能，而且還能在電機(jī)故障發(fā)生前發(fā)現(xiàn)征兆，進(jìn)而預(yù)防電機(jī)故障的發(fā)生。第二章電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)及工作原理電機(jī)保護(hù)的保護(hù)原理即電機(jī)保護(hù)設(shè)備的理論基礎(chǔ)，也是編寫保護(hù)裝置軟件算法的依據(jù)，本章介紹電機(jī)保護(hù)的結(jié)構(gòu)及其工作原理，分析電機(jī)保護(hù)狀態(tài)工作參數(shù)。第一節(jié)電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.1保護(hù)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖2.1所示結(jié)構(gòu)圖便是電動機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)。它主要由主處理器STM32F407、網(wǎng)絡(luò)通訊模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、按鍵控制模塊、界面顯示模塊以及繼電器保護(hù)模塊等部分組成。該保護(hù)系統(tǒng)采用的是性價比很高的32位ARMCortexM4系列的STM32F407單片機(jī)，并構(gòu)成CPU主系統(tǒng)。可以實現(xiàn)仿真、跟蹤，并帶有1M的高速FLASH程序存儲器和192KB的RAM數(shù)據(jù)存儲器、四種通訊接口、2個DAC、3個32位12路ADC、十二個16位定時器、80個雙向CPIO接口以及為GPIO配備的19個中斷通道。利用芯片的功能模塊就可以完成人機(jī)對話、數(shù)據(jù)采集、機(jī)電保護(hù)控制和通信協(xié)議等一系列具體任務(wù)。2.1.1數(shù)據(jù)采集模塊STM32有一雙很好用的眼睛ADC（“Analog-to-DigitalConverter”的縮寫）在數(shù)據(jù)采集中起著重大的作用。眾所周知，除了電壓、電流，自然界中大多信號都是以模擬形式存在的，比如聲音、溫度、壓力等。因為人類有感覺器官能夠直接感受這些信號，因此人類可以“感知并改變這個世界”。隨著時代的發(fā)展，科技的進(jìn)步，越來越多的依靠電子產(chǎn)品代替人力的嘗試取得成功，于是人們開始想讓數(shù)字IC擁有像人類一樣的主動改造世界的能力。那么問題來了，數(shù)字IC只分為低電平和高電平，它如何能識別并且量化世界上各種各樣種類的模擬信號？很長一段時間內(nèi)，人們一籌莫展，知道人類發(fā)現(xiàn)了一類材料。比如壓電材料可以把壓力的大小用電量的高低來表示，光電材料可以把光強(qiáng)度用電壓強(qiáng)度的形式體現(xiàn)。通過這些材料，問題變得簡化些：數(shù)字IC如何識別并量化電信號？ADC解決了這個問題。數(shù)據(jù)采集模塊通過運算放大器和互感器把三相電流、電壓轉(zhuǎn)換成直流信號，然后接圖2.2adc采樣流程圖下來的工作就交給了ADC，STM32的ADC具有12位分辨率，并且支持單次和連續(xù)轉(zhuǎn)換模式、可實現(xiàn)自校準(zhǔn)、可間斷轉(zhuǎn)換模式和雙ADC模式等性能，如圖2.2所示就是互感器配合ADC進(jìn)行圖2.2adc采樣流程圖2.1.2界面顯示和按鍵功能模塊人機(jī)界面，又稱用戶界面或使用者界面，是計算機(jī)與人交換、傳遞信息的對話接口、媒介接口，由此可看出是計算機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分。是用戶和機(jī)器系統(tǒng)之間進(jìn)行信息交換和交互的媒介，它實現(xiàn)人類可以接受的形式與信息的抽象形式之間的轉(zhuǎn)換。凡是有人機(jī)信息交互的領(lǐng)域都存在人機(jī)界面。按鍵功能可以輔助人機(jī)界面以實現(xiàn)人和機(jī)器更好的對話。界面設(shè)計的原則：第一原則，順序原則，按照訪問順序（比如由整體到單項順序，由上層到下層順序，由大到小順序等）、控制工藝流程與處理事件順序等設(shè)計監(jiān)控管理和人機(jī)對話主界面及其次級界面。第二原則，功能原則，按照對象的應(yīng)用場合及環(huán)境具體的使用功能所要求，多項交互的同時性要求和不同管理對象和各種子系統(tǒng)控制類型的同一界面并行處理要求等，設(shè)計分功能區(qū)、多項對話欄并排的窗口和分層次提示信息等人機(jī)交互界面，這樣可使用戶容易掌握交互界面的特點和使用規(guī)律，提高系統(tǒng)的易操作性和友好性。第三，頻率原則，按照管理對象的對話交流頻率高低來設(shè)計人機(jī)界面的對話窗口萊單的顯示位置和層次順序等，提高訪問和監(jiān)控對話頻率。第四，重要性原則，按照管理對象在控制系統(tǒng)中的全局性和重要性水平，設(shè)計人機(jī)界面的對話窗口的突顯性和位置以及主次菜單層次，從而有助于用戶把握好控制系統(tǒng)的主次，實施控制決策的先后順序，實現(xiàn)最優(yōu)管理和調(diào)度。如圖2.3所示，是目前調(diào)試所用的人機(jī)界面，完全符合以上原則。主界面顯示了電流值，以及運行狀態(tài)，下面是六個觸屏按鈕，用于設(shè)定參數(shù)及控制電機(jī)啟停。圖2.3人機(jī)界面2.1.3繼電器保護(hù)模塊繼電器是一種電控制器件，是當(dāng)輸入量的變化達(dá)到規(guī)定要求時，在電氣輸出電路中使被控對象發(fā)生預(yù)定的動作的一種電器。通常應(yīng)用于自動化的控制電路中，它實際上是用小電流去控制大電流運作的一種“自動開關(guān)”。故在電路中起著安全保護(hù)、自動調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)換電路等作用。繼電器有很多種，本電機(jī)保護(hù)控制器中的繼電器保護(hù)環(huán)節(jié)用的繼電器是電磁繼電器，電磁繼電器一般由銜鐵、線圈、鐵芯、觸點簧片等組成的。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動常開觸點吸合、常閉觸點斷開。當(dāng)線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力返回原來的位置，使閉合觸點釋放、斷開觸點吸合。這樣吸合、釋放，從而達(dá)到了在電路中的導(dǎo)通、切斷的目的，如圖2.4所示。對于繼電器的“常開、常閉”觸點，可以這樣來區(qū)分：繼電器線圈未通電時處于斷開狀態(tài)的靜觸點，稱為“常開觸點”；處于接通狀態(tài)的靜觸點稱為“常閉觸點”。圖2.4繼電器原理圖用電磁繼電器來閉合或斷開主電路、切斷故障源、控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，還有在端子控制的時候能形成自鎖或互鎖的功能。詳細(xì)的繼電器保護(hù)功能工作原理會在電機(jī)保護(hù)工作原理中提到，這里就不再傲訴。第二節(jié)電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)需求分析及性能指標(biāo)電機(jī)保護(hù)，很多人認(rèn)為就是電流的保護(hù)，只需防止電機(jī)電流過大就可以保護(hù)電機(jī)，這種認(rèn)識是錯誤的。不僅電流過大會燒毀電機(jī)，還有缺相、相位不平衡、功率因素過大或過小等等都會對電機(jī)造成損壞，因此我們要多方面的考慮電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)需求以及性能指標(biāo)。考慮性能指標(biāo)一方面是考慮保護(hù)值得設(shè)定，另一方面還要考慮電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)動作的設(shè)定值范圍，因為有的時候電流突然增大也許只有一秒鐘，對電機(jī)造不成損壞，如果保護(hù)系統(tǒng)發(fā)生動作，使電機(jī)停止運行，就成了費力不討好，甚至還會影響整個生產(chǎn)線的正常運行。電機(jī)保護(hù)包括過壓保護(hù)、過流保護(hù)、過載保護(hù)、斷相保護(hù)等等。下列圖表是三相異步電機(jī)智能保護(hù)器需求分析和性能指標(biāo)，通過圖表我們能夠更加了解電機(jī)保護(hù)需要保護(hù)那些方面和這些方面保護(hù)的要求。還有我們能夠看出本電機(jī)智能保護(hù)控制器所用到的指標(biāo)、以及本身輸出輸入量等等。2.2.1主回路電機(jī)型式三相異步電機(jī)額定工作電壓（三相系統(tǒng)）220V/380VAC/660VAC內(nèi)置電流互感器孔徑15mm（最大25mm；最大電機(jī)電流800A）額定工作電流1）本機(jī)額定工作電流：0.24-60A；2）大于60A需外加電流互感器XX/5A；額定工作頻率50HZ/60HZ表2.1主回路需求如表2.1所示，這是三相異步電機(jī)的主回路保護(hù)需求，額定工作電壓有三種可供選擇，額定工作電流可以自己設(shè)定，表中設(shè)定的值是目前工程和企業(yè)里常用電機(jī)的額定工作電流的范圍。國內(nèi)的電網(wǎng)的頻率是50HZ，所以國內(nèi)電機(jī)的工作頻率大都是50HZ，但是也不排除變頻電機(jī)或者是國外電機(jī)有在市場上使用。2.2.2控制回路供電電壓24VDC（+30%~-20%）電流損耗<300MA裝置功耗<7W表2.2控制回路需求如表2.2所示，考慮節(jié)能感念，一般要求控制回路的功耗要盡量小，能夠達(dá)到節(jié)能的目的，供電電壓為24VDC，這小于人體安全電壓，ARM芯片的工作電源電壓是5V，可以直接在控制板上把24V電壓轉(zhuǎn)換成5V，所以節(jié)省了電源接線口。2.2.3本體的各種輸入和輸出開關(guān)量輸入數(shù)量6個(DI0~DI5)開關(guān)量輸入供電方式內(nèi)部或外部開關(guān)量輸入最大電流最大200MA觸點電壓最小18V繼電器輸出數(shù)量3個(DO0~DO2)繼電器輸出觸點電壓范圍12~250VAC/12~24VDC繼電器輸出觸點容量：240VAC最大1.5A120VAC最大3.0A24VDC最大1.0A晶體管輸出電壓范圍5~30VDC晶體管輸出容量（OC）：24VDC最大1.0APTC輸入數(shù)量5個(AI0-AI4)（兩端軸承，液體溫度，環(huán)境溫度，線圈溫度）PTC類型PT1000(外配溫度變送器)PTC溫度范圍-25度~200度表2.3輸出和輸入需求如表2.3所示，開關(guān)輸入主要用于繼電器閉合檢測等等其他反饋的輸入，本電機(jī)智能保護(hù)控制器的控制板上自帶了繼電器，因此安排了繼電器輸出口，PTC溫度變送器把溫度值變成電壓值送入CPU進(jìn)行處理。2.2.4本體通訊接口通訊接口數(shù)量2個RS485人機(jī)界面（MMI）和控制器擴(kuò)展單元（CEU）共用帶光耦隔離的RS485接口;CAN總線接口本機(jī)帶一個CAN現(xiàn)場總線接口：可通過CAN總線接口外接總線轉(zhuǎn)換適配器:實現(xiàn)1)MODBUS-RTU；2）PROFIBUS-DP通訊（外接總線轉(zhuǎn)換適配器1，2不在本設(shè)計任務(wù)中；預(yù)留擴(kuò)展接口）。模擬量輸出接口配備4～20mA模擬量輸出1個；輸出信號可編程選擇；表2.4通訊接口需求如表2.4所示，通訊方面用到了RS485通訊、CAN總線通訊。RS485主要是用于人機(jī)界面的通訊，CAN總線則是配合現(xiàn)場總線到總控制室實現(xiàn)現(xiàn)場外的人機(jī)對話。2.2.5人機(jī)界面單元LCD液晶顯示英文和中文顯示操作按鍵6個RS485接口與控制器本體相連表2.5人機(jī)界面需求如表2.5所以，LCD液晶顯示屏中包含英文和中文顯示，這也是方便不同人員操作，其實需要顯示各種采集數(shù)據(jù)和電機(jī)的運行狀態(tài)，因此人機(jī)界面需要和主微處理器進(jìn)行通信，當(dāng)然就需要用到RS485，另外，操作按鍵主要就是用來設(shè)定參數(shù)。2.2.6控制器報警與跳閘保護(hù)功能熱過載保護(hù)報警值（60~100%）過載脫扣等級（5，10，15，25，30，40）冷卻時間（20-100min）斷相保護(hù)報警值（任一相斷相）跳閘保護(hù)值（任一相斷相）跳閘延時時間（10-600ms）電機(jī)PTC熱保護(hù)（線圈）報警值（115~125度）跳閘保護(hù)值（125~130度）跳閘延時時間（100-6000ms）電機(jī)PTC熱保護(hù)（軸承）報警值（115~125度）跳閘保護(hù)值（125~130度）跳閘延時時間（100-6000ms）三相不平衡保護(hù)報警值（10~15%）跳閘保護(hù)值（15~20%）跳閘延時時間（1000-60000ms）任何一相與三相平均值的偏差應(yīng)不大于三相平均值的10%。相序保護(hù)對于有禁止電機(jī)反向運行時保護(hù)接地（漏電）保護(hù)報警值（1000~5000mA）跳閘保護(hù)值（1000~5000mA）跳閘延時時間（1-650s）堵轉(zhuǎn)保護(hù)報警值（120~800%）跳閘保護(hù)值（120~800%）跳閘延時時間（100-2500ms）過流保護(hù)報警值（400~800%）跳閘保護(hù)值（400~800%）跳閘延時時間（10-600ms）電機(jī)正常運轉(zhuǎn)時過流保護(hù)報警值（105~120%）跳閘延時時間（10-600ms）跳閘保護(hù)值（105~1200%）過壓保護(hù)報警值（105~120%）跳閘保護(hù)值（110~200%）跳閘延時時間（10-600ms）欠載保護(hù)報警值（20~90%）跳閘保護(hù)值（5~90%）跳閘延時時間（1-650s）欠壓保護(hù)報警值（50~90%）跳閘保護(hù)值（50~90%）跳閘延時時間（1-6500ms）自動重起動保護(hù)最大重起動時間（1-650s）重起動延時（1-650s）起動超時保護(hù)達(dá)到起動時間時，電機(jī)電流大于1.2額定電流時起動超時保護(hù)動作表2.6保護(hù)需求如表2.6所示，這個圖表里基本包含所有電機(jī)保護(hù)的項目，根據(jù)圖表可以一目了然，需要注釋的是，后面的百分比是采樣數(shù)值和平均值得比或者是采樣數(shù)值和設(shè)定值的比。前面也有提到，如果電機(jī)電流只是忽然增大了一下或者增大的數(shù)值不是太大，沒有必要對電機(jī)發(fā)出停止的命令，如果是在一定范圍內(nèi)，只發(fā)出報警，但是如果超出該范圍了并且保持很長的時間，這時候就有可能燒毀電機(jī)，因此要馬上停止，切斷故障源。其中不但包含了對電機(jī)保護(hù)的項目，還有要考慮安全因素和節(jié)能的原因，所以保護(hù)項目里還有漏電、欠載等等保護(hù)項目在里面。2.2.7控制方式人機(jī)界面起動與停機(jī)（本地控制）端子控制按鈕/開關(guān)起動與停機(jī)（遠(yuǎn)端控制）上級系統(tǒng)總線控制總線控制起動與停機(jī)（總線控制）外部控制在控制器失效時的起動與停機(jī)外部控制（與控制器形成多地起動和停止方式）表2.7控制需求如表2.7所示，控制方式分為四種，人機(jī)界面、端子控制、上級系統(tǒng)總線控制、外部控制，其中總線控制是主控方式，其次是端子控制，再次是人機(jī)界面控制，外部控制是最后使用的，也是想著控制保護(hù)器年久失效或者在緊急情況下的時候，為了以防事故的發(fā)生才設(shè)計的。第三節(jié)電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的工作原理在電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，我們已經(jīng)介紹了該電機(jī)智能保護(hù)控制器的結(jié)構(gòu)，介紹了各個模塊，在本章我們詳細(xì)了解一下各模塊的工作原理，以及電機(jī)智能保護(hù)控制器整體的工作原理。這能讓大家更好的了解后面兩章的保護(hù)器的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。2.3.1電機(jī)智能保護(hù)控制器的工作原理前面介紹過，電機(jī)智能保護(hù)控制器器包括信號主處理器、信號采集模塊、界面顯示和按鍵模塊、網(wǎng)絡(luò)通訊模塊和繼電器保護(hù)模塊5個部分。系統(tǒng)芯片內(nèi)部具有兩個逐次逼近型的A/D轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器具有12位16路，更是高達(dá)600KB/s采樣速度，可以完全滿足了系統(tǒng)實時監(jiān)控的要求。芯片的引腳使能控制系統(tǒng)裝置的功能輸出和保護(hù)動作。但是外接電壓不穩(wěn)定抖動，經(jīng)常使芯片的基準(zhǔn)電壓發(fā)生變化。在外部電壓虛斷的情況下，為使芯片能夠迅速復(fù)位，進(jìn)入正常工作狀態(tài)，系統(tǒng)內(nèi)部添加了掉電保存，把FLASH的內(nèi)容保存在E2PROM里，待電源恢復(fù)后，F(xiàn)LASH能夠直接從E2PROM讀取之前的數(shù)據(jù)，快速恢復(fù)運行；另外，按鍵設(shè)定的參數(shù)也是保存在E2PROM里，這樣不用每次啟動后都設(shè)定參數(shù)，同時還有開機(jī)自動啟動的功能。外部的數(shù)據(jù)采樣工作結(jié)束后，數(shù)據(jù)會送入處理器進(jìn)行處理，通過數(shù)據(jù)判斷電機(jī)運行是否運行正常，是否安全。當(dāng)顯示為電機(jī)故障時，先會判斷是否有必要切斷故障源和是否發(fā)出報警信號。如果不需要切斷電源，系統(tǒng)就會繼續(xù)計算采集數(shù)據(jù)，如果需要切斷電源，處理器便會立即給繼電器發(fā)送一個信號，繼電器便會切斷故障源，將故障情況保存，方便工作人員找到故障問題并解決。然而計算是需要花時間，如果當(dāng)處理器計算的時候發(fā)生故障，電源需要被立即切斷，這時候塊輔助芯片EPM3032ATC44-4N所構(gòu)成的EPLD電路便發(fā)揮了作用，它可以判斷電壓、電流、溫度超過設(shè)定值后切斷故障源，并且也可以把故障數(shù)據(jù)存儲到E2PROM里。2.3.2數(shù)據(jù)采集模塊工作原理數(shù)據(jù)采樣模塊包括電壓采樣、電流采樣、溫度采樣，采樣過程有交流采樣、低通濾波等環(huán)節(jié)。由于電壓、電流變化迅速，需要頻繁采樣，這時需要用中斷來控制電壓、電流的采樣頻率。而溫度和漏電變化比較慢，采樣不用太頻繁，只需電壓、電流采樣的一周期采一次。在國內(nèi)使用50HZ頻率的交流電，那么周期便是20ms，所以在每一周期需要采樣100次電流或電壓，即每200us采集一次，再通過AD轉(zhuǎn)換將數(shù)據(jù)送入CPU計算出電壓、電流的有效值，考慮到電壓、電流的采集經(jīng)常會被雜波擾動，所以在每一次采樣需采集8個數(shù)據(jù)并取其平均值，最后進(jìn)行有效值計算。如圖2.5所示。由于CPU只能識別正值，所以經(jīng)外部電路轉(zhuǎn)換，把-380V~+380V的電壓轉(zhuǎn)換成為0V~3V再傳入CPU，如圖2.6所示。圖2.5采樣圖圖2.6轉(zhuǎn)換圖可以看出-380V對應(yīng)0V，+380V對應(yīng)3V：U有效值=QUOTE;I有效值=QUOTE;注意，在計算有效值前，這里的Ui和Ii應(yīng)取被轉(zhuǎn)換前的初始值。溫度采樣相對簡單，就是通過測量熱敏電阻的電壓值，計算出相應(yīng)的溫度。如圖2.4所示，這是熱敏電阻的特性曲線。把熱敏電阻置于電機(jī)罩之上，通過測量電壓值得大小，就可以采樣出電機(jī)的溫度。當(dāng)然，這樣的采樣不夠準(zhǔn)確，因為電機(jī)的外殼溫度并非真正的電機(jī)繞組的溫度，繞組的溫度才關(guān)系到電機(jī)的安全。不過我們可以人為的加上一定的數(shù)值，模擬出電機(jī)繞組的溫度，這樣也是可以的。圖2.7熱敏電阻特性圖2.3.3界面顯示和按鍵模塊工作原理本設(shè)計利用STM32F103芯片作為主控制。還用到了LED顯示屏，LCD燈以及按鍵。其基本原理如圖2.5所示，通過RS485讓STM32F103和STM32F407通訊傳遞數(shù)據(jù)，不僅把電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)采樣的電流、電壓、溫度值時時顯示在LED顯示上，而且還能通過按鍵對保護(hù)器進(jìn)行設(shè)置，另外LCD還可以顯示出電機(jī)的運行狀態(tài)。圖2.8人機(jī)界面結(jié)構(gòu)2.3.4繼電器保護(hù)模塊工作原理本設(shè)計為繼電控制保護(hù)模塊添加了光電隔離電路，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，一旦達(dá)到動作值，便會由保護(hù)裝置向動作響應(yīng)電路發(fā)出信號，通過光電隔離驅(qū)動繼電器，繼電器斷開或閉合，來切斷或閉合大電壓、電流，以此控制電機(jī)的啟動與停止。如圖2.9所示，由主微處理器STM32F407發(fā)出命令，光電隔離接通或斷開，KM線圈通電或斷電，KM的觸點閉合或斷開，電機(jī)運行或停止，從而保護(hù)控制電機(jī)。圖2.9繼電器工作過程本章小結(jié)本章介紹了此次設(shè)計電機(jī)智能保護(hù)控制器的基本思路。闡述了電機(jī)保護(hù)的范圍，分析了電機(jī)保護(hù)控制器的參數(shù)，這對闡明后面章節(jié)介紹的的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計的原理有十分大的幫助。第三章基于ARM的電機(jī)智能保護(hù)控制器設(shè)計的硬件部分第二章已經(jīng)闡述了電機(jī)智能保護(hù)器的工作原理。在本章我們將介紹電機(jī)保護(hù)控制器的工作在硬件平臺上的實現(xiàn)，即各電路的硬件設(shè)計電路圖。第一節(jié)保護(hù)控制器最小系統(tǒng)設(shè)計圖3.1STM32F407芯片下面介紹STM32F407主芯片，STM32系列以ARMCortex-M4為內(nèi)核，它的性能高，成本低，功耗少。和之前的未處理器相比，STM32還有出色的實時性。高級的創(chuàng)新型的外部設(shè)備，而且具有最大的集成性。該芯片有100個引腳，而且某些管腳具有雙選復(fù)用功能。具體引腳作用下面介紹。如圖3.2介紹了自己設(shè)計的最小系統(tǒng)。圖3.2最小系統(tǒng)電路如圖左邊的電路分別是：上電復(fù)位電路、晶振電路、基準(zhǔn)電壓電路、電源電路等等。右面的電路相對簡單，94引腳BOOT0接高電平，和BOOT1引腳一起啟動STM32芯片內(nèi)部的BOOTLOADER程序，即可打開STM32的ISP下載功能。如圖，每個引腳上都有一個標(biāo)號，這些引腳上的標(biāo)號正是引腳功能的含義。值得提出的是下面幾個標(biāo)號的含義。JTMSJTCKJTDIJTDO是JTAG在線仿真和程序燒寫。SCLASDAAI2C是通訊的數(shù)據(jù)接口和時鐘接口。SCIDIR將會控制485的通訊方向。這些部分相互協(xié)作，采集電路負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，執(zhí)行電路執(zhí)行命令。而最小系統(tǒng)則是“總司令部”，專門發(fā)布命令和運算指令。當(dāng)然所有的電路設(shè)計都要考慮安全性和穩(wěn)定性。優(yōu)先使用硬件解決問題而非軟件，有助于提高整個保護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性能。第二節(jié)保護(hù)控制器控制電路設(shè)計已經(jīng)介紹了最小系統(tǒng)的硬件設(shè)計。下面介紹保護(hù)控制電路其它電路設(shè)計。三相電流及電壓信號通過控制電路后，經(jīng)過低通濾波，整形電路的改善波形，高次諧波被濾除，然后被送入隔離放大器更進(jìn)一步濾除干擾信號，講電壓和電流提高到適合CPU的正電壓和電流后便可送入A/D轉(zhuǎn)換器。電機(jī)的正常工作電流和故障電流大小相差很大，而且摻雜了很多的干擾信號，所以要使用隔離放大器，將裝置的抗干擾性提高。這樣就可以提高A/D轉(zhuǎn)換精度。CPU會對保護(hù)動作的整定值和當(dāng)前實時采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，進(jìn)一步分析，判斷電機(jī)是否處于故障狀態(tài)判斷所屬的故障類型，控制電路就會響應(yīng)響應(yīng)的保護(hù)動作。3.2.1控制電源電路圖3.3控制電源電路（1）如圖3.3所示的是濾波電路，隔離數(shù)模電路，LED燈顯示。濾波電路由一個電容和一個電解電容組成。有時直流電壓會伴有雜紋，這樣的電壓通過電容后，電容的穩(wěn)壓作用會把電壓的雜紋消除，因此濾波電路的作用是提高性能和靈敏性。為了防止數(shù)字電壓和模擬電壓互相干擾，設(shè)計了隔離數(shù)模電壓電路。LED燈顯示電路實現(xiàn)較為簡單，高電平點亮LED燈，低電平熄滅LED燈。圖3.4控制電源電路（2）圖3.4展示了24V交流變直流電路圖和3V電壓反向電路圖。下面先介紹降壓電路原理。一個二極管隔離了交流電的負(fù)半波。從而使只有正向半波向電容和電解電容充電。利用不突變性，得到了24V直流電壓。3V反向電壓反向電路運用了一個運放電路，3V電壓主要應(yīng)用在A/D轉(zhuǎn)換電路的電壓輸入。圖3.5控制電源電路（3）如圖3.5所示，左面是5V降3V的電路設(shè)計，主要依靠ADR433實現(xiàn)。芯片的IN引腳接的是5V電壓，out引腳輸出3V電壓，再通過反向器可得到3V電壓。右面電路實現(xiàn)24V轉(zhuǎn)為+-15V和5V。5V除了上述介紹用途外還將為RS485通訊供電。以上就是控制電源電路的設(shè)計，電路板外接+24V電壓，再通過控制電源電路轉(zhuǎn)換成各個電路的電源電壓，給各電路供電。3.2.2開關(guān)量輸入電路圖3.6開關(guān)輸入電路如圖3.6所示，就是開關(guān)量輸入電路。開關(guān)量用于反饋控制檢測，例如交流接觸器斷開狀態(tài)，繼電器合并狀態(tài)以及一些I/O檢測輸入。它的原理如下：當(dāng)給X1通高電平時圖中1,2點同電位，發(fā)電器二極管不導(dǎo)通，4點即為高電位。INPUTIN1即為高電平。而X1通低電平時，1點電位高于2點，三極管導(dǎo)通，3,4點電位相同。輸出INPUTIN1為低電位。這樣的開關(guān)電路共有6個。3.2.3采樣電路設(shè)計（1）漏電保護(hù)電路漏電保護(hù)電路如圖3.7第一部分。Ia,Ib,Ic接電流傳感器，三相電流匯聚。三相電流相加為零。于是7點電位為零。因此R68和R24電位差為1.5V。這是設(shè)定值，當(dāng)漏電后，三相電壓匯聚后相加不再是1.5V，則電位差為1.5V。DD2的作用是防止燒毀芯片。圖3.7漏電保護(hù)電路（2）RTD電路如圖3.8所示就是RTD電路。RTD全稱是ResistanceTemperatureDetector。中文意思為電阻溫度探測器，簡稱是熱電阻。RTD電路即溫度采樣電路，傳感器實現(xiàn)了電機(jī)的溫度信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。這里其主要作用的器件是熱敏電阻，電壓信號再通過RTD電路后傳入CPU進(jìn)行計算。圖3.8RTD電路保護(hù)控制器電路一共設(shè)計了5個RTD電路，采樣5個溫度系數(shù)參數(shù)，電路中的電容能夠消除雜波，使得電壓信號更加穩(wěn)定，中間運算放大器起到電壓跟隨的作用，同樣后面安裝了電壓保護(hù)裝置，防止電壓過高或者過低。電路輸入高電平輸出就為高電平，輸入為低電平輸出為低電平。（3）電壓電流檢測電路如圖3.9所示就是電流電壓檢測電路。圖3.9電壓電流檢測電路圖3.9所示的是a相電流電壓的測量電路，另外b、c兩相的測量電路與這個原理相同。檢測電流時，CPU不能識別負(fù)電壓，因此先將負(fù)電壓換算到0~3V范圍進(jìn)行檢測。3.2.4繼電器輸出電路圖3.10繼電器輸出電路控制電路應(yīng)用了三個繼電器輸出電路，分別應(yīng)用于星形連接，三角形連接，狀態(tài)切換總開關(guān)。原理如下，繼電器輸出電路連接光電器，驅(qū)動三極管，在驅(qū)動繼電器。這樣可由低壓控制高壓繼電器，安全又可靠。T1引腳通中一共有三個像圖3.10所示的繼電器輸出電路，三個繼吧就電器輸出分別用于總開關(guān)、星型連接、三角形連接的閉合斷開切換，從圖分析繼電器輸出電路通過一個光電器，驅(qū)動一個三極管，再由三極管驅(qū)動繼電器，實現(xiàn)低電壓控制的較高電壓繼電器。工作原理過程，T1_ARM引腳輸入低電平，光電器導(dǎo)通，Q2三極管門極為高電位，Q2三極管導(dǎo)通，繼電器線圈通電，繼電器開關(guān)動作；T1_ARM引腳輸入高電平，光電器不導(dǎo)通，Q2三極管不導(dǎo)通，繼電器開關(guān)不動作。當(dāng)遇到故障時，CPU會發(fā)出指令，切斷總開關(guān)的繼電器線圈電流，電機(jī)停止，另外兩個繼電器是控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，另外電機(jī)還需星三角啟動，在電機(jī)啟動時將電機(jī)接成星型接線，當(dāng)電機(jī)啟動成功后再將電機(jī)改接成三角型接線（通過雙投開關(guān)迅速切換）；以上基本就是控制保護(hù)器的控制電路硬件設(shè)計，其他還有一些外圍電路，比較簡單，不用再提出一一分析，后面軟件設(shè)計如果有提到，會作具體解釋?？刂齐娐返脑O(shè)計不是最佳硬件設(shè)計，也有欠缺的地方，但是目前現(xiàn)在電路工作得很好，沒有出現(xiàn)硬件問題。第三節(jié)保護(hù)控制器人機(jī)界面設(shè)計3.3.1人機(jī)界面最小系統(tǒng)圖3.11人機(jī)界面最小系統(tǒng)如圖3.11所示，這是人機(jī)界面的最小系統(tǒng)。它的核心是Cortex?-M3CPU。這個CPU具有32位，頻率高達(dá)72MHZ，并且擁有128K閃存程序存儲器、20K字節(jié)SRAM。它還具有2個AD轉(zhuǎn)換器，7個定時器，80個快速I/O口，9個通訊接口。3.3.2RS232通訊模塊電路圖3.12RS232通訊模塊電路如圖是RS232通訊模塊電路。這里主要用了RS232的通訊功能。主微處理設(shè)計的通訊方式是RS485通訊方式。為了能讓人機(jī)界面和CPU能夠順利通訊，還需要接一個RS-232←→RS-485的透明轉(zhuǎn)換器。這種方式傳送距離遠(yuǎn)，抗干擾能力強(qiáng)，傳送速率高。由于采用雙絞線模式，在100KB/s的傳送速率時，傳送的距離可以遠(yuǎn)達(dá)1.2KM。這是很理想的速度，但是傳送距離必定受限。如果想要傳送更遠(yuǎn)距離，可把速率降到9600BIT/s，這樣的傳送距離可達(dá)15KM。需要注意的是，RS485的極限傳送距離是10MBIT/S，這樣的理想的傳送距離只有15m。3.3.3液晶顯示電路圖3.13液晶顯示電路圖3.13所示的是LED顯示屏的電路設(shè)計。本電路使用TFT2.4芯片作為人機(jī)接口的顯示模塊。通過32位，液晶顯示模塊并行連接到CPU（是人機(jī)界面CPU）。它實現(xiàn)的功能強(qiáng)大：畫面移位、睡眠模式、光標(biāo)顯示等。液晶屏采用的是128×64點陣的漢字圖形型液晶顯示模塊，526個字符(8×16點陣)，內(nèi)置64×256點陣顯示RAM、及8962個中文漢字(16×16點陣)，可顯示圖形及漢字，。3.3.4按鍵模塊電路圖3.13按鍵電路本章小結(jié)本章介紹了設(shè)計涉及到的電路的硬件設(shè)計原理。其中包括采樣電路原理、保護(hù)電路原理、CPU的電路原理、人機(jī)界面顯示電路原理、控制電源電路原理等等。其它輔助電路比較簡單，沒有在本章提及。第四章基于ARM的三相異步電機(jī)保護(hù)控制器軟件設(shè)計了解硬件結(jié)構(gòu)后下面開始介紹軟件設(shè)計。軟件分四部分介紹，先從整體上了解程序結(jié)構(gòu)，再分部了解子程序的結(jié)構(gòu)和運行流程。第一節(jié)電機(jī)保護(hù)器軟件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的軟件設(shè)計是根據(jù)系統(tǒng)功能要求的，一般來說，軟件的功能大致分為兩大類。第一類是監(jiān)控軟件，它為操作者和執(zhí)行模塊的提供連接。在整個系統(tǒng)中執(zhí)行了組織調(diào)度的智能。還有一類是執(zhí)行軟件，它完成了分析計算功能。如計算、輸出、測量控制等；在本設(shè)計中，軟件分為主程序和子程序。程序的主程序處于不斷循環(huán)狀態(tài)，通過中斷跳出主循環(huán)去執(zhí)行子程序。子程序中包括初始化程序、采樣程序、保護(hù)程序、計算程序、通訊程序等。第二節(jié)初始化程序及主程序設(shè)計4.2.1主程序設(shè)計本設(shè)計是通過檢測電動機(jī)的電流、電壓和通過熱敏電阻的電壓計算電動機(jī)的溫升來實現(xiàn)各項保護(hù)的，本設(shè)計的各項保護(hù)功能、A/D轉(zhuǎn)換以及狀態(tài)顯示功能都是通過定時器中斷系統(tǒng)來完成的，主程序主要完成系統(tǒng)的各輸入?yún)?shù)的計算處理（電流、電壓、溫度的計算處理）、初始化。對參數(shù)輸入的處理，本設(shè)計程序在啟動時先讀入各個參數(shù)的設(shè)定值，用CPU計算出對應(yīng)的量值，把計算結(jié)果存入EEPROM里供以后程序調(diào)用。像這樣不僅提高了計算的精確度，而且可以節(jié)省大量的系統(tǒng)時間。本設(shè)計的溫升檢測計算直接關(guān)系到能否準(zhǔn)確地對電動機(jī)進(jìn)行過熱保護(hù)還有能不能正確地模擬電動機(jī)的散熱和發(fā)熱過程。而電動機(jī)在每一個計算時間周期內(nèi)溫升變化很小，因此對于溫升的檢測計算周期要比檢測計算電流、電壓的周期大的多，在本系統(tǒng)的軟件設(shè)計中把檢測計算溫升放到主程序中來完成，結(jié)合第一節(jié)程序結(jié)構(gòu)理解，就知道一周期采樣電流、電壓N次，而采樣計算溫升值只是一次。在主程序中還有涉及一個非常重要的問題，定時器T4中斷服務(wù)程序，定時器T4主要用于定時采樣及對采樣來的信號進(jìn)行簡單的處理。由于本設(shè)計所要采樣的信號都是工頻50Hz信號。根據(jù)采樣定理，采樣頻率應(yīng)等于有一百倍的信號頻率，即5000Hz。本設(shè)計每個周期需采樣100個信號，STM32F407有三個A/D轉(zhuǎn)換，16個通道，因此可以同時采樣電流、電壓和溫度，考慮到A/D轉(zhuǎn)換的速度及每次采樣后的處理時間，本設(shè)計的A/D采樣周期選為200us，即中斷周期設(shè)為200us，一次中斷采樣一次電流、電壓，采樣頻率滿足采樣定理的規(guī)定。另外比定時器T4中斷服務(wù)優(yōu)先級高的另一個中斷服務(wù)是定時器T3中斷服務(wù)，定時器T3中斷服務(wù)主要是用于數(shù)據(jù)傳送和接受，調(diào)用RS485改變參數(shù)子程序來實現(xiàn)人機(jī)界面和主處理器芯片通訊以及和上位機(jī)的通訊。圖4.1主程序主程序的流程圖如圖4.1所示，首先開始上電初始化，然后設(shè)定參數(shù)，開啟T3、T4中斷，接著進(jìn)入循環(huán)，通過判斷中斷標(biāo)志位，決定是否進(jìn)入中斷，因此讓每一次采樣后，都完成一次主循環(huán)，這樣不僅能夠邊采樣邊進(jìn)行主循環(huán)，而且系統(tǒng)還能快速對故障進(jìn)行動作。4.2.2初始化程序設(shè)計初始化程序有定時器初始化、GPIO初始化、IIC初始化、UART初始化等等，基于第三章硬件設(shè)計和STM32F407的技術(shù)手冊，我變動了GPIO的用途，因此初始化程序中我只需對GPIO初始化程序編寫，其他的初始化程序直接使用STM32F407技術(shù)手冊上的初始化程序即可。GPIO的初始化的流程圖如圖4.2所示，GPIO口的初始化要根據(jù)第三章硬件設(shè)計，來確定GPIO口每一引腳的功能，在圖4.2的右側(cè)已經(jīng)表明了每一引腳的用途。通過對比，能夠發(fā)現(xiàn)一個簡單的子函數(shù)流程圖比主函數(shù)流程圖還復(fù)雜，其實這很正常，當(dāng)初本打算直接把主函數(shù)設(shè)為空循環(huán)，把所有程序都放入中斷服務(wù)程序里執(zhí)行，但是由于程序時間的計算比較麻煩，最終還是決定為目前的方案。圖4.2GPIO初始化第三節(jié)保護(hù)子系統(tǒng)程序設(shè)計保護(hù)子系統(tǒng)程序都是放在中斷里執(zhí)行，包括ADC采樣中斷、485通訊中斷，其中485通訊中斷的優(yōu)先級最高，除了中斷程序，還有繼電器保護(hù)子程序、led送顯子程序等等。子程序的也有很多不同編寫，沒有最優(yōu)的子程序，一般都是根據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)來編寫子程序代碼，因此本設(shè)計的子程序也是邏輯主程序的邏輯結(jié)構(gòu)修改已知的子程序的某些部分，來實現(xiàn)保護(hù)控制功能。4.3.1ADC采樣子程序設(shè)計ADC（數(shù)模轉(zhuǎn)換）是把模擬電量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，輸出數(shù)字量和輸入模擬電量成正比，本設(shè)計的ADC采樣是把電流、電壓的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，傳送給CPU作處理，國內(nèi)三相電的頻率是50HZ，即一個周期是20ms，本設(shè)計是每一個周期采樣100個點，因此，設(shè)定ADC采樣中斷時間為200us，即每200us來一次中斷，采樣電流、電壓一次，CPU根據(jù)一百個點的幅值計算出電流、電壓的有效值。由于要配合主程序的邏輯結(jié)構(gòu)，因此ADC采樣子程序的流程圖如圖4.3所示。圖4.3ADC采樣4.3.2通訊子程序設(shè)計通訊子程序的中斷優(yōu)先級高于ADC采樣中斷，即在進(jìn)行采樣時，通訊可以中斷ADC采樣，當(dāng)通訊結(jié)束后，再進(jìn)行ADC采樣。本設(shè)計主微處理的通訊中斷周期小于人機(jī)界面以及上位機(jī)的發(fā)送和接受數(shù)據(jù)的周期，這樣能夠保證完成發(fā)送和接受數(shù)據(jù)。本設(shè)計把通訊中斷的定時器T3的中斷周期時間設(shè)為400us，這樣能夠盡量的保證ADC采樣時不被通訊中斷打斷，如圖4.4所示為通訊子程序的流程圖。4.3.3繼電器保護(hù)子程序設(shè)計繼電器保護(hù)子程序是在放在主函數(shù)里，但是電機(jī)的電壓、電流、溫度的值超出額定值多少范圍，才需要進(jìn)行切斷電源，否則只需要執(zhí)行報警程序，對于缺相及相不平衡故障，由于這類故障一般要經(jīng)過很長時間才會燒毀電機(jī)，因此，對動作靈敏度要求不高。為了防止短時間的缺相和相不平衡引起的誤動作，本程序在檢測到這類故障信號后延時一段時間后再檢測，若信號還有就切斷電源，若故障信號消失，本裝置就不動作，由此可提高本裝置的抗干擾能力，而漏電則需要馬上切斷電源。繼電器保護(hù)子程序的流程圖如圖4.5所示。第四節(jié)人機(jī)界面通訊程序設(shè)計人機(jī)界面的程序和主程序是分開的，因為在硬件設(shè)計中，主微處理器是STM32F407，所以主程序就是燒寫進(jìn)入主微處理器，而人機(jī)界面是用到STM32F103開發(fā)板，所以人機(jī)界面通訊程序是燒寫進(jìn)入開發(fā)板的主芯片中，因此我們在主程序和人機(jī)界面程序中都要編寫通訊代碼。這就回答本章開頭的疑問，為什么人機(jī)界面程序設(shè)計要單獨提出介紹。通訊完成后要考慮另一個問題，液晶程序結(jié)構(gòu)的安排設(shè)計，液晶程序結(jié)構(gòu)首先是初始化子程序，接下來是寫指令代碼子程序，再次是讀液晶狀態(tài)子程序，同時還有寫數(shù)據(jù)子程序(字節(jié)為單位)，寫數(shù)字子程序，寫漢字子程序，最后是清屏子程序。初始化和清屏的工作在系統(tǒng)初始化后就可以進(jìn)行了。程序的主體只需判斷顯示的時間是否到了，如果到了就直接顯示。本設(shè)計安排兩個2維的數(shù)組，分別存放數(shù)字字母庫和漢字庫，一個漢字的顯示一般需要16個字的數(shù)據(jù)，即16×16的點陣，一個數(shù)字或者字母的顯示需要8個字的數(shù)據(jù)，16×8的點陣，2維數(shù)組的第一維決定要顯示數(shù)字字母或者漢字的編碼，第2維確定到具體數(shù)據(jù)。液晶顯示漢字程序流程圖如圖4.6所示。接下來是按鍵設(shè)計，通常按鍵的程序部分包含以下幾個方面的內(nèi)容：(1)判斷是否按下按鍵；(2)去機(jī)械抖動處理。當(dāng)判斷有按鍵按下后，延時一段時間，因為抖動的時間通常為5~10ms，所以延時大約應(yīng)為10~20ms，然后再接著判斷是否有按鍵被按下，若有則確定有按鍵被按下，否則認(rèn)為是抖動。判斷按鍵是否松開也要是這樣來去除消抖；(3)判斷鍵值，要注意到，鍵碼的設(shè)計通常會影響到后續(xù)程序的處理；(4)按鍵一次只會處理一次。如圖4.7所示，是人機(jī)界面主程序的流程圖，主程序是一個不斷循環(huán)的的過程，首先是上電初始化，初始化只需一次，因此要在循環(huán)外面初始化，當(dāng)初始化完后，就是打開定時器中斷，所有的任務(wù)都是在中斷里完成的，中斷返回后又繼續(xù)在主程序循環(huán)，在中斷里會執(zhí)行一次按鍵掃描、數(shù)據(jù)送顯，同時還會讓時間變量T加1，當(dāng)T到達(dá)一定值后就會給主微處理器發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，同時清零T，然后繼續(xù)循環(huán)。定時器中斷的流程圖非常簡單就不介紹了，在中斷里主要是按鍵掃描和數(shù)據(jù)送顯，數(shù)據(jù)送顯的流程已經(jīng)畫出，按鍵程序部分包含的內(nèi)容也介紹了。人機(jī)界面的程序設(shè)計內(nèi)容大概就是這些，需要值得注意的是，再配置I/O口的時候一定要參考第三章的人機(jī)界面硬件設(shè)計的I/O口接線，不要弄錯了，否則所有功能都無法實現(xiàn)。本章小結(jié)本章主要對電機(jī)智能保護(hù)控制系統(tǒng)的軟件進(jìn)行設(shè)計。首先介紹整個軟件系統(tǒng)的大體框圖，然后主要介紹了主程序、主