利用STM32片內(nèi)A/D實現(xiàn)的同步電機(jī)數(shù)據(jù)采集控制器

王書巖

(河北省電子信息技術(shù)研究院，河北石家莊 050071)

利用STM32片內(nèi)A/D實現(xiàn)的同步電機(jī)數(shù)據(jù)采集控制器

王書巖

(河北省電子信息技術(shù)研究院，河北石家莊 050071)

同步電機(jī)數(shù)據(jù)采集控制器是利用基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32系列STM32F103ZE而設(shè)計的，信號采集是利用STM32F103ZE片內(nèi)帶有多路A/D的特點，采集了三相定子電壓和三相定子電流以及同步電機(jī)勵磁電壓，通過軟硬件設(shè)計，實現(xiàn)對同步電機(jī)的定子電壓、定子電流及轉(zhuǎn)子勵磁電壓波形進(jìn)行實時采集并顯示，從而實時監(jiān)視電機(jī)的運行情況，并對運行情況進(jìn)行保存、顯示、上傳的一種新型數(shù)據(jù)采集控制器。

STM32；信號采集；保存；上傳

同步電機(jī)勵磁技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，在進(jìn)入20世紀(jì)90年代后，開始步入智能化、數(shù)字化的階段。為了能夠直觀地監(jiān)視操作同步電機(jī)運行情況，本裝置運用了帶有Cortex-M3內(nèi)核的STM32處理器系列之一STM32F103ZE，它的內(nèi)部帶有18路12位逐次逼近型ADC，可以用多個轉(zhuǎn)換模式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，它具有144個引腳可以增加許多外擴(kuò)設(shè)備，把采集的數(shù)據(jù)通過外擴(kuò)TFT液晶屏實時顯示，數(shù)據(jù)以文件格式寫入SD卡儲存，將SD卡中儲存的大量數(shù)據(jù)通過USB與上位機(jī)連接，進(jìn)行分析處理，從而實現(xiàn)對同步電機(jī)實時跟蹤、顯示，更加直觀地顯現(xiàn)電機(jī)運行狀況，為技術(shù)人員及時分析電機(jī)故障提供了更加直觀、便捷的數(shù)據(jù)[1-4]。

1 采集控制器硬件設(shè)計

采集控制器硬件框圖如圖1所示。

圖1 硬件框圖Fig.1 Hardware block diagram

2 模擬量的數(shù)據(jù)采集和處理

此裝置采集了同步電機(jī)的三相定子電壓和三相定子電流以及轉(zhuǎn)子的勵磁電壓。STM32F103ZE帶有逐次逼近型的12位ADC轉(zhuǎn)換器，可以對18個通道的A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)換。此裝置運用A/D連續(xù)轉(zhuǎn)換方式，對7路模擬量進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，它是用2.5 V穩(wěn)壓管將+5 V分壓為基準(zhǔn)2.5 V(+5 V必須經(jīng)過良好的穩(wěn)壓)。輸入交流電壓Ubc由電壓互感器隔離而得，其零端接2.5 V。Vin的峰值電壓為2.5 V。電流Ia由電流互感器隔離而得，因采集的信號較小，后經(jīng)放大后輸入給芯片的模擬量引腳。圖2是A/D采集的其中一相電壓和其中一相電流的電路圖[5-6]。

圖2 一相定子電壓電流采集Fig.2 Stator voltage current collection in one phase

同步電機(jī)勵磁電壓為直流電壓，通過霍爾元件采集電機(jī)轉(zhuǎn)子兩端的勵磁電壓，通過放大送入芯片的模擬口，采集硬件圖如圖3所示。

利用STM32F103ZE內(nèi)部16位定時器TIM2，把最高工作時鐘72 MHz預(yù)分頻為4，那么TIM2的計數(shù)時鐘為72 MHz/4=18 MHz,把采集的交流量的一個周期分為120個采樣點，采樣周期等分時間間隔為20 ms/120=166.6 μs, 在主程序中把計算的時間間隔值放入定時器TIM2_CCR2,使定時器TIM2每經(jīng)過166.6 μs后溢出產(chǎn)生中斷,并進(jìn)入中斷子程序,需中斷120次后方能測完一個周期的采集量,然后利用軟件把電壓采集的120個值代入式(1)，把電流采樣的120個值代入式(2),進(jìn)行有效值計算,從而算出電壓和電流的值，再代入式(3)計算出功率因數(shù)，分別調(diào)用子程序在液晶屏上顯示定子電壓、定子電流和勵磁電壓的數(shù)值和波形，同時

圖3 電機(jī)轉(zhuǎn)子勵磁電壓采集Fig.3 Motor rotor excitation voltage acquisition

把采集到的數(shù)值存入SD卡，并可通過USB口傳向上位機(jī)，進(jìn)行實時跟蹤。通過采集的電壓、電流值計算出功率因數(shù)和預(yù)先設(shè)定的電機(jī)過載電壓、電流值和預(yù)設(shè)的功率因數(shù)值進(jìn)行比較，只要超出所設(shè)置的過載電壓、過載電流和功率因數(shù)基準(zhǔn)，該裝置就認(rèn)為是電機(jī)故障，輸出繼電器報警，技術(shù)人員可通過上位機(jī)讀取SD卡中所存的數(shù)據(jù)，來判斷什么原因?qū)е码姍C(jī)故障[7-8]。

(1)

(2)

(3)

(4)

3 顯示采集的波形

1)本裝置利用STM32可直接與TFT液晶模塊相連接，硬件連接如圖4所示，在液晶屏上顯示定子電壓、定子電流和勵磁電壓的波形[9]。

正常的定子電壓和定子電流為正弦波，如圖5所示，如果采集的波形上出現(xiàn)大的波動，超過所設(shè)的過載電壓、過載電流值，輸出控制信號并報警。

圖4 TFT液晶屏接口Fig.4 TFT LCD screen interface

圖5 定子電壓顯示波形Fig.5 Stator voltage waveform

2)正常顯示的同步電機(jī)勵磁電壓波形是根據(jù)初始角a決定輸出波形的形狀，輸出的波形在一個周期360°內(nèi)有6個波頭,一旦在一個360°周期中出現(xiàn)少波頭，證明同步電機(jī)勵磁部分出現(xiàn)故障，技術(shù)人員可以查看電機(jī)勵磁回路，從而更快、更便捷地處理事故。

4 數(shù)據(jù)存儲與傳輸

USB硬件連接如圖6所示。

圖6 USB接口Fig.6 USB interface

5 結(jié) 語

本裝置利用STM32的接口外擴(kuò)了SD卡作為存儲單元，把A/D采樣的數(shù)據(jù)實時存入SD卡，并通過外擴(kuò)的USB 向上位機(jī)傳送數(shù)據(jù)，使得技術(shù)人員在遠(yuǎn)端就能對同步電機(jī)運行情況進(jìn)行監(jiān)控，還可通過讀卡器讀取SD卡中數(shù)據(jù)，從而分析電機(jī)出現(xiàn)故障時電機(jī)的運行數(shù)據(jù)，為工廠分析事故原因節(jié)約了時間，提高了工作效率和生產(chǎn)效益。

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Realization of synchronous motor data acquisition controller based on multi-channel A/D of STM32 chip

WANG Shuyan

(Hebei Electronic Information Technology Research Institute, Shijiazhuang Hebei 050071, China)

Synchronous motor data acquisition controller is designed by using the STM32 series STM32F103ZE with multi-channel A/D. Three phase stator current and voltage and synchronous motor excitation voltage are collected, and through the design of hardware and software, the waveforms of three phase stator current and voltage and synchronous motor excitation voltage can be attained and displayed.Real-time monitoring of the motor operation can be obtained, and the controller can save, display and upload the process data.

STM32; signal acquisition; save; upload

1008-1534(2014)02-0177-04

2013-09-24;

2013-12-15

王書巖(1972-)，女，河北藁城人，高級工程師，主要從事電力電子自動控制方面的研究。

E-mail：wangshu_yan@sohu.com

TP216+.3

A

10.7535/hbgykj.2014yx0219

責(zé)任編輯：陳書欣

王書巖.利用STM32片內(nèi)A/D實現(xiàn)的同步電機(jī)數(shù)據(jù)采集控制器[J].河北工業(yè)科技，2014，31(2)：177-180.

WANG Shuyan.Realization of synchronous motor data acquisition controller based on multi-channel A/D of STM32 chip[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2014,31(2):177-180.