摘 要： 通過分析三相電機在應用過程中各種故障產生的原因，提出了基于ARM Cortex-M3內核的LM3S811控制器對電機進行保護的方案。利用LM3S811可編程的32位ADC模數采集模塊采集電動機的三相電壓、三相電流以及溫度，及時查詢和顯示電機的運行狀態，如果發生故障，及時給電機斷電；采用EEPROM技術記錄電機的故障數據，方便技術人員進行故障檢查；建立RS-485網絡，方便上位機對電機的查詢與控制，實現電機及時斷電、故障顯示與查詢、數據上報、參數設置等功能。
關鍵詞： ARM Cortex-M3；LM3S811；電機保護；EEPROM；RS-485通訊
大型三相電機在工業生產過程中起到舉足輕重的作用,但是由于電網、負載及電機本身的問題，電動機運行時會出現短路、斷相、過壓、欠壓、過載等故障[1]。為保證電動機正常工作,需要對其運行系統進行電氣保護。目前，傳統的8 /16單片機已廣泛應用于電氣保護中。但是它們僅僅具有基本的測量控制功能,在人機對話、數據查詢、故障顯示等方面能力有限,缺少必要的網絡通訊功能[2]。如果將網絡通訊以及故障記錄技術加入到電機保護中，可以給電機的保護帶來意想不到的效果，節省大量的成本。
TI公司生產的基于ARM Cortex-M3的微控制器采用ARM可兼容Thumb的Thumb-2指令集來降低內存的需求。其中LM3S811控制器有64 KB的Flash程序存儲空間、4個10通道、采樣速率為500 000次/s的ADC接口、32個可配置的GPIO(其數目取決于配置)，極大地方便了后期軟件的編寫[3]。本文采用LM3S811為運算核心，研制了一種可以對電機過載、短路、漏電、缺相及過熱故障進行檢測保護的智能電機保護器。另外采用EEPROM技術記錄電機故障，用485組網的方式進行數據通訊。
1 硬件部分設計
除電機故障數據的采集模塊、電機保護動作、按鍵、LCD顯示和故障指示模塊之外，還擴展了485通訊電路和EEPROM存儲芯片，實現了對電機的保護、故障記錄以及與上位機的通訊。
(1)系統總體設計
系統總體硬件模塊結構圖如圖1所示。
(2)數據采集模塊
數據采集模塊主要對三相電機的線電壓、線電流等參數進行采集，經過濾波、采樣保持、模數轉換等電路處理后，送入ARM控制器進行數據的分析。北京世特美測控技術有限公司生產的電流傳感器SN1T、電壓傳感器SK1T、漏電流傳感器選用TE5D_C5V6可以將電機的三相電壓與電流信號進行隔離轉換，信號變換后能夠直接被LM3S811的A/D采集模塊直接采集。數據采樣電路整體模塊圖如圖2所示。
(3)動作電路模塊
因為單片機的電壓低于5 V時，驅動電流只有十幾mA，而電機的工作電壓在380 V時，電流可達到5 A～20 A，二者在電壓和驅動電流上存在很大的差別[4]。所以控制電路與電機之間需要加緩沖電路，這里采用光電耦合器件控制繼電器的通合來達到對電機電源的控制。當出現電流過大、電壓缺相等故障時，控制器可以及時地輸出控制信號，使電機跳閘，同時發出報警信號，避免電機產生更大的損壞。
(4)溫度傳感器
LM3S811內部集成有一個10 bit的ADC模塊溫度傳感器，可以用來獲取當前芯片的內部溫度。通過不斷地實驗測得芯片溫度與環境溫度之間的差值，就可以準確地測量電動機線圈的溫度。不用再擴展別的溫度測量芯片，節約成本。
(5)通訊與故障數據存儲模塊
大型車間有很多臺電機同時工作，電機能否正常工作可能影響到整個生產的進度，所以需要對其進行監控。因此電機保護器與監控中心的通訊方式選擇RS-485，可以實現上位機與電機之間的數據通訊。
同時采用I2C通訊的EEPROM技術來存儲電機發生故障的時間、電流、電壓等參數，另外還可以實現參數設定，斷電后設定的參數可以保存下來，不用重新設定。EEPROM芯片AT24C08的模塊電路如圖3所示。
2 軟件部分設計
軟件是嵌入式系統開發最重要的部分，包括A/D采集程序、保護動作程序、溫度采集程序、顯示程序、按鍵程序以及通訊程序。程序采用模塊化設計，可讀性、可移植性強[5]。系統程序的結構框圖如圖6所示。
(1)電流電壓采集的模數轉換子程序
采集傳感器上的電壓和電流數據，單片機對數據進行分析判斷，若出現故障則切斷電機的電源，防止發生事故，并在AT24C08中記錄電機的工作電壓、工作電流和溫度值等實時數據；同時點亮相應的故障指示燈，發出報警。
(2)人機界面子程序的調試
LCD顯示屏用來顯示電機的狀態以及故障信息。信號指示燈用來指示發生故障的種類，方便檢測人員處理故障，建立良好的人機界面。
通過按鍵查詢電機的溫度、三相電壓和電流，并通過LCD顯示出相應的數據，以實現對不同數字參數值的設定與修改。
(3)溫度子程序的調試
溫度的調試采用芯片內部溫度傳感器，因為芯片本身會發熱，所以需要通過反復的實驗找到實際溫度與測量溫度之間的差值。通過軟件的方法準確地測量電機的發熱溫度。
溫度測試部分子程序如下所示：
void ADC_Get()
{
unsigned long temp[2];
ADCProcessorTrigger(ADC_BASE,0);//觸發采樣
while(!Adcflag); //判斷轉換是否結束
Adcflag=0;
ADCSequenceDataGet(ADC_BASE,0,temp);
//一次性全部讀出,UART的FIFO不同
temp[0] &= 0x000003ff;
temp[0]=(temp[0]*3000*6)/1024;
Tdata[5]=temp[0]/256;
Tdata[6]=temp[0]%256;
temp[1] &= 0x000003ff;
temp[1]=20250-temp[1]*22;
Tdata[7]=temp[1]/256;
Tdata[8]=temp[1]%256;
}
調試結果如圖7所示。此結果與溫度計的測試值非常接近。
以上所有程序調試完畢后，搭建系統程序，進行A/D采樣，判斷電機是否正常運行，若正常則進入電機保護子程序。在電機正常運行且沒有按鍵按下的情況下，可以通過按鍵查看電機的當前電流、電壓等值；當按鍵動作時，實現相應的功能并顯示；當電機有故障時，執行電機動作代碼并顯示故障，指示燈報警。
采用ARM Cortex-M3核的LM3S811控制器、新的溫度采集方法，以及記錄故障數據的EEPROM技術，減少了對外圍電路的投入，把主要精力投入到軟件的編寫中，對電機的保護更加合理有效。另外電動機種類很多，采樣的電流和電壓信號也會有很多的差異。因此可以根據不同的電動機來選擇相應的傳感器，并串接相應的電阻來進行數據的采集，這樣可以滿足在不同場合對不同電動機的保護。
參考文獻
[1] 余劍，呂福勝.單片機89C52 控制的三相電機保護器[J].煤礦電機，2003（6）：23-25.
[2] 萬琰.基于單片機的電機保護系統的設計[J].漯河職業技術學院學報，2009，8(2)：47-48.
[3] YIU J.Cortex-M3技術參考手冊+Cortex-M3權威指南[EB/OL]．(2011-07-30)[2012-03-20].http://www.cr173.com/soft/30691.html.
[4] 查斌.基于單片機的電機軟起動智能控制器研究[D].武漢：武漢理工大學，2009.
[5] 伊茲科威茲.32位ARM微控制器系統設計與實踐：基于Luminary Micro LM3S系統工程Cortex-M3內核[M]．黃智偉，譯.北京：北京航空航天大學出版社，2010.