Il motore è la fonte di guida più importante nel campo della produzione industriale. Come monitorare efficacemente lo stato di funzionamento del motore, proteggere il circuito del motore, migliorare il tempo di funzionamento del motore, ridurre il guasto del motore ed è fondamentale per il funzionamento della griglia generale dell'impianto.
Esistono molti tipi di dispositivi di protezione del motore. Attualmente, è più comunemente usato basato su relè termici meccanici a piastre metalliche. Ha una struttura semplice e ha caratteristiche temporali inverse per proteggere il sovraccarico del motore. Tuttavia, ha meno funzioni di protezione, nessuna protezione da mancanza di fase e non può proteggere il motore da scarsa ventilazione, pulizia, stallo, sovraccarico a lungo termine, frequenti avviamenti, ecc. Inoltre, il relè termico ha anche difetti come scarsa ripetibilità, sovraccarico di corrente di grandi dimensioni o guasto di cortocircuito, non può essere riutilizzato, errore di regolazione di grandi dimensioni, facile da influenzare dalla temperatura ambientale, spostamento anomalo o rifiuto, grande consumo di energia, materiali di consumo e indicatori di prestazioni scadenti.
In risposta ai requisiti nazionali di risparmio energetico e riduzione delle emissioni, l'uso di protezioni elettroniche per motori a microcontrollore per sostituire i relè termici esistenti ha un ampio mercato. Il chip ARM della serie STM32 con periferiche avanzate integrate è concepito come il dispositivo di protezione del motore intelligente di base, che offre i vantaggi di una risposta rapida, meno chip aggiuntivi, un semplice debug della produzione, alti livelli di produzione e vantaggi sociali.
1 funzione di protezione intelligente e architettura hardware
I guasti principali nel funzionamento del motore includono: timeout di avvio, sovraccarico, stallo, perdita di fase, squilibrio, surriscaldamento, sottocarico, sovratensione, sottotensione, ecc. Pertanto, la protezione intelligente deve monitorare la tensione operativa, la corrente operativa e la temperatura del telaio del motore .
Allo stesso tempo, a causa dei diversi tipi, capacità e tipi di carico del motore, anche i parametri della protezione del motore sono diversi, quindi è necessario essere in grado di impostare i parametri di protezione per diversi motori.
Inoltre, al fine di consentire ai relè di protezione intelligenti di soddisfare le esigenze del già noto Intelligent Motor Control Center (IMCC), i dispositivi di protezione del motore intelligenti devono anche avere funzioni di comunicazione di rete.
La Figura 1 è uno schema a blocchi della struttura hardware del dispositivo di protezione del motore intelligente.
2 design hardware di sistema
2.1 MCU
L'MCU è la parte centrale del dispositivo di protezione del motore ed è responsabile dell'acquisizione dei dati, dell'elaborazione dei dati, del controllo dell'uscita e dell'impostazione dei parametri. Ecco l'ultimo chip ARM della serie STM32F103xD.
Questa serie di chip utilizza C0rtex M3 a 32 bit di ARM come core e la frequenza più alta è 72 MHz. Il core Cortex ha un'unità di moltiplicazione e divisione hardware a ciclo singolo, quindi è adatto per l'elaborazione dei dati ad alta velocità.
Il chip ha tre cicli di conversione indipendenti, un minimo di 1 s convertitore analogico-digitale ad alta velocità e tre convertitori digitali-analogici indipendenti con circuiti sample-and-hold separati, quindi è particolarmente adatto per motori trifase controllo, monitoraggio della rete e strumenti multiparametrici. Uso dell'attrezzatura
Il chip è inoltre dotato di una ricca unità di comunicazione, che include fino a cinque interfacce seriali asincrone, un dispositivo slave USB, un dispositivo CAN, moduli I2C e SPI.
2.2 Unità di acquisizione analogica
Il dispositivo di protezione del motore deve principalmente raccogliere tre quantità analogiche di corrente, tensione e temperatura per monitorare e proteggere lo stato di funzionamento del motore.
Esistono molti tipi di sensori di corrente, tra cui trasformatori di corrente core, sensori Hall e resistori shunt. Il motore collegato al dispositivo di protezione del motore ha principalmente un motore di diversi kilowatt fino a diverse decine di kilowatt, quindi la corrente di fase del motore è principalmente da diversi ampere a diverse decine di ampere. Pertanto, il trasformatore di corrente viene utilizzato come unità di raccolta corrente, che presenta i vantaggi di un ampio campo di misura, una piccola generazione di calore e un'elevata tensione di isolamento. Allo stesso tempo, senza modificare i parametri del circuito di elaborazione, il sensore di corrente con diversi rapporti può facilmente modificare il campo di rilevamento corrente del dispositivo di protezione del motore, in modo che possa essere convenientemente utilizzato per una protezione del motore di maggiore capacità.
La tensione è ottenuta direttamente dal divisore del resistore, quindi l'intero controller del motore è un sistema comune. Il resistore utilizza un resistore di tipo ad alta impedenza e ad alta tensione. Per migliorare la capacità di sovratensione del circuito di acquisizione della tensione, il circuito divisore di tensione utilizza una serie di resistori multipli per ridurre la caduta di tensione nominale su ciascun resistore e migliorare l'intero ramo. La più alta tensione di tenuta.
Il sensore di temperatura utilizza un sensore di resistenza al platino comune o un termistore NTC e il corrispondente circuito di condizionamento del segnale di resistenza termica è progettato sull'hardware di protezione. Poiché la resistenza termica è un dispositivo non lineare, il canale di elaborazione di acquisizione della temperatura deve essere elaborato non linearmente. Al fine di ridurre la complessità del circuito hardware, l'unità di condizionamento RTD effettiva è progettata esclusivamente per utilizzare un amplificatore di strumentazione e l'elaborazione non lineare dell'RTD viene eseguita dall'MCU. effettuare, eseguire. C'è anche un sensore di temperatura a semiconduttore incorporato nel chip MCU per rilevare la temperatura all'interno del protettore per prevenire errori di controllo dovuti al surriscaldamento del sistema.
2.3 Display LCD
Per un dispositivo di protezione del motore autonomo, è necessario essere in grado di impostare i parametri di protezione, visualizzare lo stato operativo corrente e visualizzare il tipo di guasto anche in caso di guasto. Pertanto, la protezione del motore richiede un'unità di visualizzazione.
Il design del sistema adotta il modulo di visualizzazione a cristalli liquidi (LCD) bianco e nero a matrice di punti STN. Rispetto al modulo LCD a colori TFT, presenta i vantaggi di un ampio intervallo di temperature, una lunga durata e leggibile sotto una luce intensa.
Il controller integrato del modulo LCD utilizza un'interfaccia di comunicazione dati parallela, tra cui un bus dati, linee di controllo di lettura e scrittura, strobe del dispositivo e pin di ripristino. Nella progettazione del sistema, il controller di memoria statica multi-funzione (FSMC) che utilizza il chip STM32F103xD è collegato al modulo LCD.
Il modulo FSMC del chip STM32F è un controller di memoria statico multi-funzione che supporta la memoria statica (SRAM), NOR F1ash e PSRAM. Può supportare memoria wide a 8 bit o 16 bit.
Il tempo di accesso del modulo LCD è uguale a quello della SRAM e il tempo di interfaccia del tipo 8080 o 6800 può essere selezionato dal pin di configurazione. La Figura 2 mostra la connessione elettrica tra l'interfaccia FSMC del chip STM32 e il display LCD. Il display LCD indica la temporizzazione dell'interfaccia 8080.
2.4 Circuito di comunicazione
La struttura di controllo dell'Intelligent Motor Control Center (IMCC) è principalmente una struttura di rete distribuita di tipo bus in cui un controllore centrale è responsabile della programmazione e del monitoraggio del funzionamento di tutti i motori. A seconda del controller centrale utilizzato (principalmente PLC), i protocolli di comunicazione del sistema sono MODBUS, Fieldbus ed Ethernet. Il più comune di questi è il protocollo MODBUS. Lo strato fisico del protocollo MODBUS è una rete di comunicazione half duplex basata su RS485, in cui il dispositivo di protezione del motore si trova in uno stato slave.
Poiché il dispositivo di protezione del motore è riscaldato internamente, la comunicazione remota RS485 deve essere isolata dal circuito principale del controller. Per l'isolamento del ricetrasmettitore RS485, è necessario isolare il segnale di comunicazione e l'alimentazione del ricetrasmettitore. Il design dell'interfaccia di comunicazione del dispositivo di protezione del motore richiede una velocità di trasmissione della comunicazione fino a 57,6 kbps. Pertanto, sono necessari optoaccoppiatori ad alta velocità o chip di isolamento digitale per isolare i segnali di comunicazione.
Il chip di isolamento digitale è un nuovo tipo di dispositivo. Aziende come TI, ADI e Silicon Lab hanno introdotto i propri dispositivi di isolamento digitale brevettati, ma i pacchetti pin e le funzioni pin di ciascun chip sono per lo più compatibili e possono essere sostituiti direttamente. Rispetto ai tradizionali accoppiatori ottici ad alta velocità, i dispositivi di isolamento digitale presentano i vantaggi del basso consumo energetico, dell'elevata velocità di trasmissione, della compatibilità con i sistemi 3V / 5V e delle periferiche semplici. Il circuito di connessione reale è mostrato in Figura 3.
