改進的大功率電動機實驗臺檢測與保護系統設計

韋 鈺, 張 菁, 白園飛, 邵 晨, 黃 勃

(上海工程技術大學 電子電氣工程學院，上海 201620)

0 引 言

電動機實驗作為電氣工程及其自動化專業的重要實驗課程，目的在于培養學生掌握電動機測量相關技能，相對本專業其他實驗課程，具有難度大、危險性高的特點[1]。因此，對電動機實驗臺的檢測與保護系統提出了更高的要求。

目前國內不乏此類實驗裝置，但仍存在以下問題：多數采用傳統保護方式，電子式保護的設計不夠細化、精確度欠缺；諸多測量對象為小功率電動機，此類電動機不能很好地反映工業用大電動機的真實特性；不具備主動式保護功能，只有在異常情況發生時發生動作；對于綜合性高的實驗臺，不具備針對性的保護設置。

本文研制了一款大功率電動機實驗臺的檢測與保護系統。以單片機STM32為主控單元，結合ADE7758交流電信號采集、直流霍爾傳感、實驗選擇、保護及報警等功能模塊，即可實現更精確的檢測與更快速的保護，還特別設計了短路實驗主動保護、面向多對象的針對性保護、多路電源單開關控制等功能，更全面地保證實驗過程中設備與實驗者的安全。

1 總體方案設計

系統檢測與保護的對象為多種電動機綜合實驗臺，連接1.5 kW直流電動機、2.8 kW異步電動機和兩臺4.5 kVA三相變壓器。本系統以STM32為核心控制器，完成各電動機的信號采集、數據處理與矯正、控制保護功能[2]。主要功能模塊包括：①以ADE7758為主變壓器、異步電動機的狀態監測模塊[3]；②以霍爾電壓、電流傳感器為主的直流電動機狀態監測模塊；③由矩陣鍵盤構成的實驗選擇模塊；④由繼電器及其驅動電路、LED報警指示電路組成的報警保護模塊。系統總體框圖如圖1所示，其中，采集電路以單路直流信號和一組三相交流信號為例。

圖1 總體設計框圖

2 硬件設計

2.1 單片機控制系統電路

STM32F103RCT6處理器基于32位的ARM Contex-M3內核，最高工作頻率72 MHz，1.25DMIPS/MHz，片上集成256 KB的Flash存儲器，48 KB的SRAM存儲器，共64引腳。具備基本通信通道及信號采集通道[4]。具有功耗低、成本低、專用性強、系統內核小、實時性強等特點，是當前功能強大且最常用的芯片之一。單片機系統及其外圍接口如圖2所示。

圖2 單片機控制系統電路圖

2.2 變壓器與異步電動機運行狀態檢測

本模塊主要用于檢測與實驗臺連接的2.8 kW異步電動機、4.5 kVA變壓器的運行狀態，選用ADE7758為測量主芯片，相比較傳統的交流信號采集電路，ADE7758具有數字量輸出、數據免于計算、測量精度高、便于通信、應用電路簡單諸多優點。

ADE7758有6路模擬量輸入，分成電流和電壓兩個通道，可接受的最大信號變化范圍均為±0.5 V[5]。電流通道由3對差分電壓輸入，分別是IAP-IAN、IBP-IBN、ICP-ICN[6-8]，考慮到既要充分利用ADE7758的A/D轉換位數，以提高精度，又要防止過量程時不至于測量溢出，設計三相精密電流互感器電路串入輸入通道，并根據電流互感器的輸出特性選擇電流采樣電阻30 Ω。電壓通道VAP、VBP和VCP為三路單端電壓輸入通道，為避免強電信號未經隔離影響弱電部分，未采用典型應用電路的電阻分壓設計，而選取TVA1013電壓互感器進行隔離，并根據TVA1013的輸出特性選擇電壓采樣電阻160 Ω。經ADE7758處理后的參數，按照協議把數據通過SPI接口傳送至單片機。以一組交流信號為例，電路設計如圖3所示。

圖3 交流信號采集電路圖

2.3 直流電動機運行狀態檢測

本模塊主要用于檢測與實驗臺連接的1.5 kW直流電動機運行狀態，主要包括霍爾元件、調理電路、基準電壓電路、低通濾波電路，如圖4所示。霍爾元件采用CHV-25P和LA-25P，根據其輸出特性分別選擇大功率采樣電阻120、75 Ω，將信號轉換為±0.75 V的電壓信號，后分別經過電壓、電流調理電路轉換為0～3 V信號。兩路輸出的末端均設計有電壓鉗位電路，以保證輸入單片機采樣通道的信號幅值不至溢出。最后，采用TLC04實現低通濾波，將上述調理電路輸出的U2和I2信號進行截止頻率為2 Hz的濾波，送入單片機AD通道。

2.4 實驗選擇模塊

本模塊的設計在于體現本系統的主動式保護功能，以及面向多對象綜合性實驗臺的針對性保護功能。例如，當開展變壓器短路實驗時，按下相應實驗選擇按鈕，啟動短路實驗主動式限壓保護，而非傳統的檢測到短路電流過大后發信斷電，即在異常情況發生前，就起到有效的抑制作用。

本模塊通過4×4矩陣鍵盤及其接口電路實現，與單片機的I/O口相連。該選擇按鈕同時對主回路繼電器通斷起控制作用，須按下選擇按鈕后才可進行實驗，以確保檢測與保護程序選擇的準確性。

圖4 直流電動機信號采集電路圖

2.5 保護及報警指示

針對每個實驗內容，設置不同的檢測內容、保護參數、動作指令。單片機通過控制交流繼電器和直流繼電器，來控制被測實驗臺上的交直流電源通斷。本系統可實現多路電源的單開關控制，即學生無論正在進行哪個實驗，當發生突發狀況時，只需切斷總電源即可，而無需考慮當前接通的是交流電還是直流電、該斷哪個開關等問題。

每一路電源設置報警指示燈與復位按鈕，當指示燈亮起時，需先復位，才可再次合閘恢復上電。

3 軟件設計

程序采用C語言編寫，編譯器為Keil軟件開發系統[9]，主要包括以下幾個模塊的設計：主控制器初始化、ADE7758初始化、ADE7758與單片機的通信及數據解析、霍爾模塊信號采樣、數據校準。系統的軟件流程如圖5所示。整體設計思路為：上電初始化后，檢測目前是否有異常存在，若無，則掃描矩陣鍵盤的輸入，調取對應按鍵的檢測與保護程序，執行采樣與通信，判斷采樣值是否超限，若超限則報警，待復位按鈕按下報警解除后，方可進行下一次操作。

4 測試結果及應用情況

4.1 系統測試

根據以上設計，完成電路板的制作與焊接，調試各部分電路，接通實驗電源與實驗對象，完成通電測試。

針對直流電壓信號DC 0～250 V，直流電流信號DC 0～12 A，交流電壓信號AC 0～400 V，交流電流信號AC 0～10 A，進行各檢測功能測試，用示波器觀測到的交流電壓采集模塊波形如圖6所示，直流電壓采集模塊波形如圖7所示，各采集電路運行正常。通過進行特定的實驗內容，完成限壓主動式保護、交直流電源單開關控制等各類保護功能的測試。

圖5 軟件流程圖

圖6 輸入ADE7758的A相電壓通道信號波形

圖7 直流檢測模塊輸入單片機的信號波形

由于電路中多類元件具有非線性特性，不能很好地保證測量精度，因此在測試過程中進一步對采集到的交直流電壓、電流值進行軟件制表分段校正。表1為校正后的系統測量值與標準校驗儀表讀值的對比，由此可見，系統測量精度高，可滿足設計要求。

表1 系統測量結果與標準校驗儀表對比

本系統依托圖7所示實驗臺，已應用到電動機學實驗教學中。應用情況表明，系統具有良好的實用性。實驗過程中，通過多次模擬常見故障，證明系統具有較高的可靠性。

4.2 創新類課程應用

本系統可為創新實驗課程與創新項目提供平臺，實驗內容主要圍繞硬件電路設計和嵌入式系統應用展開。以項目式教學方法為例[10-13]，實施過程如下：教師將項目分解為3個任務單元：信號采集部分的設計與實現、單片機的通信功能實現(包括與ADE7758及PC機的通信)、數據的處理與保護功能實現，學生組成對應的3個項目小組。組長對任務單元再做細分，落實每項任務的具體要求和計劃進度，待3大部分均實現后，合作實現功能模塊之間的銜接，完成整體調試。

5 結 語

本文研制了一款大功率電動機實驗臺的檢測與保護系統，為電氣工程及其自動化專業學生開展專業實驗和創新實驗提供平臺。系統設計分為硬件和軟件兩部分，其中，硬件電路主要包括單片機最小系統電路、ADE7758交流信號采集電路、直流霍爾采集電路、實驗選擇模塊、保護及報警模塊，軟件編程主要包括主程序、數據采集與通信、數據處理等。經實驗證明，本系統測量精確，保護動作可靠，且具有實用性，可滿足教學需求。

參考文獻(References)：

[1] 歐陽明，王旭紅. 論電動機實驗教學的改革與創新[J]. 中國電力教育，2012(23):75-75.

[2] 佟為明，李中偉，倪文利. 基于PIC16F876單片機的智能低壓電動機綜合保護器的[J]. 繼電器，2005,33(3)：43-46.

[3] Weranga K S K, Chandima D P, Kumarawadu S P. Smart metering for next generation energy efficiency & conservation[C]// 2012 IEEE Innovative Smart Grid Technologies-Asia (ISGT Asia). Tianjin, China: IEEE Power & Energy Society, 2012, 1-8.

[4] 張 錚，張江寧，薛竹村，等. 循跡避障滅火功能智能小車設計[J]. 實驗室研究與探索，2016，35(11):141-145.

[5] 桂存兵，陶 濤. 智能配電變壓器監測終端的設計[J]. 福建電腦，2008，24(7):56-60.

[6] 董新宇，李杏春，王占國. 電能計量芯片ADE7758的應用[J]. 儀器儀表用戶，2006，13(1):113-115.

[7] Guimar?es A M F, Freitas T T, Griner H,etal. Smart energy monitoring system with ADE7758 IC [C]//2015 5th International Youth Conference on Energy (IYCE), 2015:1-5.

[8] 陳相弘，解 凡，張維娟. 基于ADE7758的電動機數據采集系統的設計[J]. 價值工程，2012，31(3):26-27.

[9] 李宗平，王少坤，張 寧，等. 基于單片機的恒流源設計和實驗[J]. 實驗室研究與探索，2017，36(1):49-53.

[10] 陳 妮，何華光，顏煥歡. 腦電控制智能小車創新實訓系統的設計[J]. 實驗室研究與探索，2016，35(9):231-234.

[11] 楊啟堯，程 森，吳 豪，等. 基于CDIO理念的電子技術課程項目式教學改革與實踐[J]. 浙江水利水電學院學報，2014(3):90-92.

[12] 韓黨群，楊 勇. 項目式教學人才培養模式[J]. 西安航空學院學報，2011，29(5):90-91.

[13] 張云然. 淺析項目教學法在電氣教學的應用與實踐[J]. 科技展望，2017(17):234.