Diseño de protector de motor inteligente basado en ARM STM32 (1)

- Oct 09, 2018-

El motor es la fuente de conducción más importante en el campo de la producción industrial. La forma de controlar eficazmente el estado de funcionamiento del motor, proteger el circuito del motor, mejorar el tiempo de funcionamiento del motor, reducir el fallo del motor y es fundamental para el funcionamiento de la red general de la planta.

Hay muchos tipos de dispositivos de protección del motor. En la actualidad, se utiliza más comúnmente en base a relés térmicos mecánicos de placa metálica. Tiene una estructura simple y tiene características de tiempo inverso para proteger la sobrecarga del motor. Sin embargo, tiene menos funciones de protección, no tiene protección contra fallas de fase y no puede proteger el motor de una mala ventilación, escobilla, estancamiento, sobrecarga a largo plazo, arranque frecuente, etc. Además, el relé térmico también tiene defectos tales como mala repetibilidad, gran sobrecarga de corriente o falla de cortocircuito, no se puede usar de nuevo, gran error de ajuste, fácil de ser afectado por la temperatura ambiental, movimiento incorrecto o rechazo, gran consumo de energía, consumibles e indicadores de rendimiento deficientes.

En respuesta a los requisitos nacionales de conservación de energía y reducción de emisiones, el uso de protectores de motores electrónicos basados en microcontroladores para reemplazar los relés térmicos existentes tiene un amplio mercado. El chip ARM de la serie STM32 con periféricos ricos integrados está diseñado como el protector inteligente del motor central, que tiene las ventajas de una respuesta rápida, menos chips adicionales, depuración de producción simple, alta producción y beneficios sociales.

1 función protector inteligente y arquitectura de hardware

Las principales fallas en el funcionamiento del motor incluyen: tiempo de espera de inicio, sobrecarga, bloqueo, pérdida de fase, desequilibrio, sobrecalentamiento, sobrecarga, sobretensión, baja tensión, etc. .

Al mismo tiempo, debido a los diferentes tipos, capacidades y tipos de carga del motor, los parámetros de protección del motor también son diferentes, por lo que es necesario poder configurar los parámetros de protección para diferentes motores.

Además, para permitir que los relés de protección inteligente satisfagan las necesidades del Centro de Control de Motor Inteligente (IMCC) actualmente popular, los protectores de motor inteligentes también necesitan tener funciones de comunicación de red.

La figura 1 es un diagrama de bloques de la estructura de hardware del protector inteligente del motor.

Diseño de hardware de 2 sistemas

2.1 MCU

La MCU es la parte central del protector del motor y es responsable de la adquisición de datos, el procesamiento de datos, el control de salida y la configuración de parámetros. Aquí está el último chip ARM de la serie STM32F103xD de ST.

Esta serie de chips utiliza C0rtex M3 de 32 bits de ARM como núcleo, y la frecuencia más alta es de 72MHz. El núcleo de Cortex tiene una unidad de división y multiplicación de hardware de un solo ciclo, por lo que es adecuado para el procesamiento de datos a alta velocidad.

El chip tiene tres ciclos de conversión independientes, un convertidor de analógico a digital de alta velocidad como mínimo de 1 s, y tres convertidores independientes de analógico a digital con circuitos separados de muestra y retención, por lo que es especialmente adecuado para motores trifásicos Control, monitorización de red e instrumentos multiparamétricos. Uso del equipo.

El chip también viene con una unidad de comunicación rica, que incluye hasta cinco interfaces seriales asíncronas, un dispositivo esclavo USB, un dispositivo CAN, módulos I2C y SPI.

2.2 Unidad de adquisición analógica.

El protector del motor necesita principalmente recolectar tres cantidades analógicas de corriente, voltaje y temperatura para monitorear y proteger el estado de funcionamiento del motor.

Hay muchos tipos de sensores de corriente, incluidos los transformadores de corriente centrales, los sensores Hall y las resistencias de derivación. El motor conectado al protector del motor tiene principalmente un motor de varios kilovatios a varias decenas de kilovatios, por lo que la corriente de fase del motor es principalmente de varios amperios a varias decenas de amperios. Por lo tanto, el transformador de corriente se utiliza como unidad de recolección de corriente, que tiene las ventajas de un amplio rango de medición, una pequeña generación de calor y un alto voltaje de aislamiento. Al mismo tiempo, sin cambiar los parámetros del circuito de procesamiento, el sensor de corriente con diferentes proporciones puede cambiar fácilmente el rango de detección de corriente del protector del motor, de modo que se puede usar convenientemente para una mayor capacidad de protección del motor.

La tensión se obtiene directamente mediante un divisor de resistencia, por lo que todo el controlador del motor es un sistema común. La resistencia utiliza una resistencia de tipo de alta impedancia y alta tensión. Para mejorar la capacidad de sobretensión del circuito de adquisición de voltaje, el circuito divisor de voltaje usa una serie de resistencias múltiples para reducir la caída de voltaje nominal en cada resistencia y mejorar toda la rama. El mayor voltaje de resistencia.

El sensor de temperatura usa un sensor de resistencia de platino común o un termistor NTC, y el circuito de acondicionamiento de señal de resistencia térmica correspondiente está diseñado en el hardware del protector. Dado que la resistencia térmica es un dispositivo no lineal, el canal de procesamiento de adquisición de temperatura debe procesarse de manera no lineal. Para reducir la complejidad del circuito de hardware, la unidad de acondicionamiento RTD real solo está diseñada para usar un amplificador de instrumentación, y el MCU realiza el procesamiento no lineal del RTD. llevar a cabo. También hay un sensor de temperatura de semiconductor incorporado en el chip MCU para detectar la temperatura dentro del protector para evitar errores de control debido al sobrecalentamiento del sistema.

Pantalla LCD 2.3

Para un protector de motor independiente, es necesario poder configurar los parámetros de protección, mostrar el estado de operación actual y también mostrar el tipo de falla cuando ocurre una falla. Por lo tanto, el protector del motor requiere una unidad de visualización.

El diseño del sistema adopta el módulo de pantalla de cristal líquido (LCD) en blanco y negro STN de matriz de puntos. En comparación con el módulo LCD TFT a color, tiene las ventajas de un amplio rango de temperatura, una vida útil prolongada y se puede leer bajo una luz intensa.

El controlador incorporado del módulo LCD utiliza una interfaz de comunicación de datos paralela, que incluye un bus de datos, líneas de control de lectura y escritura, luces estroboscópicas del dispositivo y pines de reinicio. En el diseño del sistema, el controlador de memoria estática multifunción (FSMC) que utiliza el chip STM32F103xD está conectado al módulo LCD.

El módulo FSMC del chip STM32F es un controlador de memoria estática multifunción que admite memoria estática (SRAM), NOR F1ash y PSRAM. Puede admitir memoria de 8 bits o 16 bits de ancho.

El tiempo de acceso del módulo LCD es el mismo que el de la SRAM, y el tiempo de interfaz del tipo 8080 o 6800 se puede seleccionar mediante el pin de configuración. La Figura 2 muestra la conexión eléctrica entre la interfaz FSMC del chip STM32 y la pantalla LCD. El LCD aquí es el tiempo de la interfaz 8080.

2.4 circuito de comunicación

La estructura de control del Centro de control inteligente de motores (IMCC) es principalmente una estructura de red distribuida de tipo bus en la que un controlador central es responsable de programar y monitorear el funcionamiento de todos los motores. Dependiendo del controlador central utilizado (en su mayoría PLC), los protocolos de comunicación del sistema son MODBUS, Fieldbus y Ethernet. El más común de estos es el protocolo MODBUS. La capa física del protocolo MODBUS es una red de comunicación semidúplex basada en RS485, en la que el protector del motor se encuentra en estado esclavo.

Dado que el protector del motor se calienta internamente, la comunicación remota RS485 debe estar aislada del circuito principal del controlador. Para el aislamiento del transceptor RS485, la señal de comunicación y la fuente de alimentación del transceptor deben estar aisladas. El diseño de la interfaz de comunicación del protector del motor requiere una velocidad de comunicación de hasta 57.6 kbps. Por lo tanto, se necesitan optoacopladores de alta velocidad o chips de aislamiento digital para aislar las señales de comunicación.

El chip de aislamiento digital es un nuevo tipo de dispositivo. Compañías como TI, ADI y Silicon Lab han introducido sus propios dispositivos de aislamiento digital patentados, pero los paquetes de pines y las funciones de pines de cada chip son en su mayoría compatibles y se pueden reemplazar directamente. En comparación con los optoacopladores de alta velocidad tradicionales, los dispositivos de aislamiento digital tienen las ventajas de bajo consumo de energía, alta velocidad de transmisión, compatibilidad con sistemas de 3V / 5V y periféricos simples. El circuito de conexión real se muestra en la Figura 3.


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