تصميم واقي المحرك الذكي على أساس STM32

“المحرك هو أهم مصدر للقيادة في مجال الإنتاج الصناعي.كيفية المراقبة الفعالة لحالة تشغيل المحرك ، وحماية دائرة المحرك ، وتحسين وقت تشغيل المحرك ، وتقليل فشل المحرك أمر مهم للغاية تشغيل شبكة الكهرباء الكلية للمصنع.

“

0 مقدمة

المحرك هو أهم مصدر للقيادة في مجال الإنتاج الصناعي.كيفية المراقبة الفعالة لحالة تشغيل المحرك ، وحماية دائرة المحرك ، وتحسين وقت تشغيل المحرك ، وتقليل فشل المحرك أمر مهم للغاية تشغيل شبكة الكهرباء الكلية للمصنع.

هناك أنواع عديدة من أجهزة حماية المحرك ، وفي الوقت الحاضر ، يعتمد المرحل الحراري الأكثر استخدامًا على النوع الميكانيكي للصفائح المعدنية ، وله هيكل بسيط وله خصائص زمنية معكوسة في حماية المحرك من الحمل الزائد. ومع ذلك ، فإنه يحتوي على عدد قليل من وظائف الحماية ، ولا يوجد حماية من فشل الطور ، ولا يمكنه حماية المحرك من الأعطال مثل التهوية السيئة ، والكنس ، والدوار المحظور ، والحمل الزائد على المدى الطويل ، والتشغيل المتكرر. بالإضافة إلى ذلك ، تحتوي المرحلات الحرارية أيضًا على عيوب مثل ضعف التكرار ، وعدم القدرة على استخدامها مرة أخرى بعد الحمل الزائد الحالي الكبير أو خطأ ماس كهربائى ، وخطأ ضبط كبير ، ومن السهل أن تتأثر بدرجة الحرارة المحيطة وسوء التشغيل أو رفض التشغيل ، واستهلاك الطاقة العالية ، العديد من المواد الاستهلاكية ومؤشرات الأداء المتخلفة.

استجابة للمتطلبات الوطنية للحفاظ على الطاقة وتقليل الانبعاثات ، يتم استخدام واقيات المحركات الإلكترونية القائمة على وحدات التحكم الدقيقة لتحل محل المرحلات الحرارية الحالية ، والتي لها سوق واسع. تم تصميم واقي المحرك الذكي بشرائح ARM من سلسلة STM32 المدمجة مع الأجهزة الطرفية الغنية مثل النواة ، والتي تتمتع بمزايا سرعة الاستجابة السريعة ، وعدد قليل من الرقائق الإضافية ، والإنتاج البسيط وتصحيح الأخطاء ، والإنتاج العالي والفوائد الاجتماعية.

1 وظيفة الحامي الذكي وبنية الأجهزة

تشمل الأخطاء الرئيسية التي تحدث في تشغيل المحرك: بدء العمل الإضافي ، التحميل الزائد ، الدوار المغلق ، فقدان الطور ، عدم الاتزان ، ارتفاع درجة الحرارة ، الحمل الزائد ، الجهد الزائد ، الجهد المنخفض ، إلخ. لذلك ، يحتاج الواقي الذكي إلى مراقبة جهد العمل ، تيار العمل ودرجة حرارة الهيكل للمحرك.

في الوقت نفسه ، نظرًا لأنواع المحركات المختلفة والسعات وأنواع الأحمال ، تختلف أيضًا معلمات حماية المحرك ، لذلك من الضروري أن تكون قادرًا على تعيين معلمات الحماية لمحركات مختلفة.

علاوة على ذلك ، من أجل أن يفي مرحل الحماية الذكي بمتطلبات مركز التحكم في المحرك الذكي الشهير الحالي (IMCC) ، يحتاج واقي المحرك الذكي أيضًا إلى وظيفة اتصال الشبكة.

الشكل 1 عبارة عن مخطط كتلة لهيكل أجهزة واقي محرك ذكي.

2 تصميم أجهزة النظام

2.1MCU

MCU هو الجزء الأساسي من واقي المحرك ، وهو مسؤول بشكل أساسي عن الحصول على البيانات ومعالجة البيانات والتحكم في الإخراج وإعداد المعلمات. ما يتم استخدامه هنا هو أحدث شريحة ARM من سلسلة STM32F103xD من شركة ST.

تستخدم هذه السلسلة من الرقائق C0rtex M3 32 بت من ARM كنواة ، مع أقصى تردد يبلغ 72 ميجا هرتز. يحتوي قلب Cortex على وحدة مضاعفة وتقسيم للأجهزة بدورة واحدة ، لذا فهي مناسبة لمعالجة البيانات عالية السرعة.

تحتوي الرقاقة على ثلاث دورات تحويل مستقلة ، ومحول تناظري إلى رقمي عالي السرعة بحد أدنى 1μs ، وثلاثة محولات مستقلة من الرقمية إلى التناظرية مع عينة مستقلة ودوائر تعليق خاصة بها ، لذا فهي مناسبة بشكل خاص لثلاث التحكم في محرك الطور ، ومراقبة شبكة الطاقة ، واستخدام الأدوات متعددة المعلمات.

تحتوي الشريحة أيضًا على ثروة من وحدات الاتصال ، بما في ذلك ما يصل إلى 5 واجهات تسلسلية غير متزامنة وجهاز USB تابع وجهاز CAN ووحدات I2C و SPI.

2.2 وحدة الاستحواذ التناظرية

يحتاج واقي المحرك بشكل أساسي إلى جمع ثلاث كميات تناظرية من التيار والجهد ودرجة الحرارة لمراقبة وحماية حالة تشغيل المحرك.

هناك العديد من أنواع أجهزة الاستشعار الحالية ، بما في ذلك بشكل أساسي محولات التيار المغناطيسية الأساسية ، وأجهزة استشعار القاعة ، ومقاومات التحويل. تتراوح سعة المحرك المتصل بواقي المحرك بشكل أساسي من عدة كيلووات إلى عشرات الكيلوات ، وبالتالي فإن تيار طور المحرك يكون بشكل أساسي من عدة أمبير إلى عشرات الأمبيرات. لذلك ، يتم استخدام المحول الحالي كوحدة اكتساب تيار ، والتي تتميز بمزايا النطاق الواسع ، وتوليد الحرارة المنخفضة ، والجهد العالي للعزل. في الوقت نفسه ، بدون تغيير معلمات دائرة المعالجة ، يمكن أن يؤدي استخدام المستشعرات الحالية بنسب مختلفة بسهولة إلى تغيير نطاق الكشف الحالي لواقي المحرك ، بحيث يمكن استخدامه بسهولة لحماية المحرك ذي السعة الأكبر.

يتم الحصول على الجهد مباشرة من خلال مقسم المقاوم ، وبالتالي فإن وحدة التحكم في المحرك بأكملها عبارة عن نظام ذو أرضية حرارية مشتركة. تستخدم المقاومات مقاومات مقاومة عالية ومقاومات عالية الجهد. وفي نفس الوقت ، من أجل تحسين قدرة الجهد الزائد لدائرة اكتساب الجهد ، تتبنى دائرة مقسم الجهد شكل مقاومات متعددة في السلسلة ، وبالتالي تقليل انخفاض الجهد المقنن على كل المقاوم وتحسين الدائرة الفرعية بأكملها أعلى ضغط.

يعتمد مستشعر درجة الحرارة على مستشعر المقاومة البلاتيني المشترك أو الثرمستور NTC ، وقد تم تصميم دائرة تكييف إشارة المقاومة الحرارية المقابلة على أجهزة الحماية. نظرًا لأن جميع المقاومات الحرارية عبارة عن أجهزة غير خطية ، فإن قنوات الحصول على درجة الحرارة والمعالجة تحتاج جميعها إلى معالجة غير خطية. لتقليل تعقيد دائرة الأجهزة ، تم تصميم وحدة تكييف المقاومة الحرارية الفعلية فقط لاستخدام مضخم الأجهزة ، والقنوات غير الخطية تتم معالجة المقاومة الحرارية بواسطة MCU. بالإضافة إلى ذلك ، يوجد مستشعر درجة حرارة أشباه الموصلات مدمج في شريحة MCU لاكتشاف درجة الحرارة في الواقي ، وبالتالي منع أخطاء التحكم بسبب ارتفاع درجة حرارة النظام.

2.3 شاشة LCD

بالنسبة لواقي المحرك المستقل ، من الضروري أن تكون قادرًا على ضبط معلمات الحماية ، وعرض حالة التشغيل الحالية ، وعرض نوع الخطأ عند حدوث عطل. لذلك ، يحتاج واقي المحرك إلى وحدة عرض.

يعتمد تصميم النظام على شكل مصفوفة نقطية شاشة الكريستال السائل بالأبيض والأسود STN (شاشة LCD) مقارنةً بوحدة TFT LCD الملونة ، تتمتع بمزايا نطاق درجة حرارة التشغيل العريض ، والعمر الطويل ، ولا يزال من الممكن قراءتها تحت الضوء القوي.

تشتمل واجهة اتصال البيانات المتوازية المستخدمة بواسطة وحدة التحكم المدمجة في وحدة LCD على ناقل البيانات ، وخطوط التحكم في القراءة والكتابة ، وضوء الجهاز ، ودبابيس إعادة التعيين. عندما يتم تصميم النظام ، يتم استخدام وحدة التحكم في الذاكرة الثابتة متعددة الوظائف (FSMC) لشريحة STM32F103xD للاتصال بوحدة LCD.

وحدة FSMC لشريحة STM32F هي وحدة تحكم ذاكرة ثابتة متعددة الوظائف تدعم الذاكرة الثابتة (SRAM) و NOR F1ash و PSRAM. يمكن أن تدعم ذاكرة عريضة 8 بت أو 16 بت.

توقيت الوصول لوحدة LCD هو نفس توقيت SRAM ، ويمكن تحديده كنوع 8080 أو 6800 من توقيت الواجهة من خلال دبابيس التكوين. يوضح الشكل 2 الوصلة الكهربائية بين واجهة FSMC لشريحة STM32 وشاشة LCD ، وشاشة LCD هنا هي تسلسل توقيت الواجهة 8080.

2.4 دائرة الاتصالات

هيكل التحكم في مركز التحكم الذكي في المحركات (IMCC) هو في الغالب هيكل شبكة موزعة من نوع ناقل ، ووحدة التحكم المركزية في النظام مسؤولة عن جدولة ومراقبة تشغيل جميع المحركات. وفقًا لوحدات التحكم المركزية المختلفة (معظمها من PLCs) المستخدمة ، تشمل بروتوكولات الاتصال الخاصة بالنظام MODBUS و Fieldbus و Ethernet. الأكثر شيوعًا هو بروتوكول MODBUS. الطبقة المادية لبروتوكول MODBUS عبارة عن شبكة اتصالات ثنائية الاتجاه تعتمد على RS485 ، حيث يكون حامي المحرك في وضع الرقيق.

نظرًا لأن الجزء الداخلي من واقي المحرك هو نظام تدفئة شائع ، يجب عزل الاتصال عن بعد RS485 عن الدائرة الرئيسية لوحدة التحكم. لعزل جهاز الإرسال والاستقبال RS485 ، من الضروري عزل إشارة الاتصال ومصدر الطاقة لجهاز الإرسال والاستقبال. يجب أن يصل الحد الأقصى لمعدل الباود للاتصال لتصميم واجهة الاتصال لواقي المحرك إلى 57.6 كيلو بت في الثانية ، لذلك يجب استخدام optocoupler عالي السرعة أو شريحة العزل الرقمية لعزل إشارة الاتصال.

شريحة العزل الرقمية هي نوع جديد من الأجهزة. أطلقت شركات مثل TI و ADI و Silicon Lab أجهزة عزل رقمية مع براءات اختراعها الخاصة ، ولكن معظم حزم الدبوس ووظائف الدبوس للرقائق متوافقة ويمكن استبدالها مباشرة . بالمقارنة مع أجهزة optocouplers التقليدية عالية السرعة ، تتمتع أجهزة العزل الرقمية بمزايا انخفاض استهلاك الطاقة ، ومعدل نقل مرتفع ، والتوافق مع أنظمة 3V / 5V والأجهزة الطرفية البسيطة. تظهر دائرة التوصيل الفعلية في الشكل 3.

3 تصميم برمجيات النظام

3.1 برنامج المراقبة

في واقي المحرك الذكي ، يحتاج MCU فقط إلى إكمال أخذ العينات وحساب وتحليل التيار والجهد لتحقيق وظائف الحماية المختلفة ، وعرض معلمات الخط وتسجيل حالة الخطأ في الوقت الفعلي.

في برنامج النظام ، يتم استخدام برنامج المراقبة العالمية لفحص حالة كل روتين فرعي دوريًا ، بما في ذلك أخذ عينات البيانات من المحول التناظري إلى الرقمي. بعد اكتمال الحصول على البيانات ، يتم حساب البيانات ، ثم دمجها مع إستراتيجية الحماية وفقًا لنتائج الحساب ومعلمات المحرك المحددة مسبقًا تحديد الحالة الحالية للمحرك. أخيرًا ، يتم إرسال معلومات الحالة المقابلة ووظائف التحكم من خلال شاشة LCD وواجهة التحكم في الإخراج.

3.2 تكوين واستخدام ADC

نظرًا لأن واقي المحرك يجمع جهد تردد طاقة 50 هرتز والتيار ، ومن أجل مراقبة المكونات التوافقية عالية الترتيب (بشكل أساسي التوافقي الثالث) في شبكة الطاقة ، يجب ضبط تردد أخذ العينات لـ ADC على عدد صحيح مضاعف تردد الطاقة: ينتج عن ذلك الدقة الأكثر دقة لأخذ عينات عمليات فورييه السريع (FFT). في الوقت نفسه ، أثناء أخذ عينات البيانات ، نظرًا لأن حساب الطاقة يحتاج إلى جمع قيم الجهد والتيار في نفس الوقت ، أثناء تصميم النظام ، يتم تخصيص المعلمات ثلاثية الطور لمحولين من التناظرية إلى الرقمية على التوالي ، و يتم وضع درجة الحرارة في جهاز المحول التناظري إلى الرقمي الثالث. يتم تشغيل جميع التحويلات من التناظرية إلى الرقمية بواسطة مقاطعة مؤقت داخلي.

لاكتساب الجهد والتيار ، يتبنى النظام أخذ عينات متزامن رقمي تناظري ، أي لجمع قيم الجهد والتيار لنفس القناة في نفس الوقت ؛ في نفس الوقت ، في سجل تكوين قناة أخذ العينات ، يتم ترتيب ثلاث قنوات للجهد والتيار بالتسلسل ، بحيث يتم إكمال تحويل جميع القنوات في وقت واحد تحت مشغل مؤقت.

نظرًا لأن FFT يتطلب حساب مجموعة من البيانات ، فإن تصميم النظام يستخدم التحليل الميكانيكي الديناميكي (DMA) لنقل نتائج التحويل بأقل تدخل من وحدة المعالجة المركزية. عند البرمجة ، من الضروري إعداد منطقتين لتخزين البيانات للتخزين البديل لبيانات العينة ؛ وفي نفس الوقت ، تكون القيمة المحددة مسبقًا لعدد البايت المنقولة بواسطة DMA هي طول صفيف تحويل فورييه مضروبًا في عدد القنوات المجمعة .

3.3 الاتصال عن بعد

تم تصميم واقي المحرك ليكون خادم MODBUS ، ويتم وضع جميع المعلمات مثل حالة تشغيل المحرك وحالة التحكم في سجلات عنوان النظام المتفق عليه. في الوقت نفسه ، يحتاج MODBUS التابع إلى تعيين عنوان تابع فريد مسبقًا في الشبكة لكل وحدة تحكم في المحرك ، لذلك من الضروري أيضًا استخدام المفاتيح وشاشة LCD لتعيين عنوان الرقيق.

4. الخلاصة

يقترح هذا البحث واقي محرك ذكي على أساس سلسلة STM32 الجديدة.هذا التصميم يستفيد بشكل كامل من موارد شريحة STM32 ويوفر الأجهزة الطرفية اللازمة لتشكيل نظام كامل. أثبتت التطبيقات العملية أن هذا النظام يمكن أن يحمي المحرك بشكل فعال ، وله مزايا الهيكل البسيط والوظائف الكاملة والواجهات الغنية.ويمكن أيضًا تطوير واجهات مثل USB و CAN المفتوحة وفقًا للاحتياجات الفعلية ، لذلك يمكن أن يكون هذا النظام أكثر تستخدم على نطاق واسع في الإنتاج الصناعي.كل مجال.

المراجع

1. ورقة بيانات STM32F103xCDE 2009
2. STM32F1Ox الدليل المرجعي MCUs 32 بت المتقدم المستند إلى ARM
3. المحولات الحالية ل إلكتروني عدادات الطاقة