任天平，劉棟

(鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河南鄭州 450001)

0 前言

電動(dòng)機(jī)是金剛石六面頂壓機(jī)液壓系統(tǒng)中的動(dòng)力設(shè)備，在人造金剛石合成工藝中空程前進(jìn)、超壓、補(bǔ)壓等工步的實(shí)現(xiàn)都是由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)油泵提供動(dòng)力來源。人造金剛石的合成中超高溫的實(shí)現(xiàn)是采用兩相加熱的方式，加上電網(wǎng)電壓的波動(dòng)，容易造成三相不平衡;頻繁補(bǔ)壓，需要電動(dòng)機(jī)頻繁啟停，交流接觸器頻繁吸合易造成機(jī)械故障而導(dǎo)致電機(jī)缺相;加上諸如過載、堵轉(zhuǎn)等故障造成電動(dòng)機(jī)燒毀停機(jī)，進(jìn)而無法保證金剛石合成工藝的壓力要求，帶來經(jīng)濟(jì)損失。

現(xiàn)有的電機(jī)保護(hù)裝置已經(jīng)大量投入市場(chǎng)，從功能復(fù)雜程度上可分為兩類。簡(jiǎn)易型，這類功能簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，但是無顯示界面，人機(jī)交互性不佳，設(shè)置不便，可靠性不足;復(fù)雜型，這類功能齊全，但價(jià)格昂貴，設(shè)置復(fù)雜，普遍體積較大，安裝不便。

本文作者針對(duì)六面頂壓機(jī)控制系統(tǒng)需求，設(shè)計(jì)了一套油泵電機(jī)保護(hù)裝置，該裝置具有以下特點(diǎn):可視化界面人機(jī)交互，實(shí)時(shí)顯示三相電流;有故障識(shí)別及故障記憶功能，包含開關(guān)量輸出，手動(dòng)復(fù)位，帶常開常閉觸點(diǎn)繼電器輸出;RS485通信，方便組網(wǎng)監(jiān)控;根據(jù)不同功率電機(jī)，依功率一鍵設(shè)定電機(jī)參數(shù)，簡(jiǎn)化用戶設(shè)置操作。

1 控制回路

六面頂壓機(jī)油泵電機(jī)控制回路如圖1所示。

圖1 六面頂壓機(jī)油泵電機(jī)控制回路

基于該應(yīng)用，采用如圖1所示的電機(jī)控制回路，由帶分勵(lì)脫扣器的空氣開關(guān)、交流接觸器和STM32電機(jī)保護(hù)器組成。空氣開關(guān)起過流和短路保護(hù)作用。當(dāng)檢測(cè)到電機(jī)故障時(shí)，控制分勵(lì)脫扣器脫開帶動(dòng)空開斷開，切斷電源，達(dá)到保護(hù)作用，同時(shí)輸出報(bào)警信息給控制系統(tǒng)。

2 故障判定及保護(hù)策略

2.1 常見故障及判定

電動(dòng)機(jī)常見故障可以分為機(jī)械故障和電氣故障，這兩類故障都可以通過監(jiān)測(cè)電機(jī)工作過程中的電氣參數(shù)加以判定，包括過載、堵轉(zhuǎn)、短路等對(duì)稱故障以及缺相、逆相、相位不平衡、接地等不對(duì)稱故障［1］。

在六面頂壓機(jī)工作場(chǎng)合，采用的是鼠籠式三相異步電動(dòng)機(jī)，△型接法。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，六面頂壓機(jī)油泵電動(dòng)機(jī)故障原因可歸為一下幾種:

(1)工作環(huán)境惡劣及設(shè)備問題原因等造成的堵轉(zhuǎn)，進(jìn)而燒毀;

(2)系統(tǒng)壓力不足超壓無法達(dá)到設(shè)定壓力，長(zhǎng)時(shí)負(fù)載過重等原因引起過載;

(3)補(bǔ)壓動(dòng)作頻繁，交流接觸器頻繁吸合，導(dǎo)致動(dòng)靜觸點(diǎn)機(jī)械故障引起觸點(diǎn)粘連產(chǎn)生缺相;

(4)電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起三相不平衡;

(5)接線不當(dāng)、接線柱老化等原因造成短路。

從現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)故障分析來看，六面頂壓機(jī)油泵電機(jī)97%以上的故障都是由過載、堵轉(zhuǎn)、缺相、短路及相位不平衡引起的。而這些故障顯著地特征就是三相電流的差異，下面以該場(chǎng)合中最常見的故障——缺相進(jìn)行分析。

圖2 電機(jī)缺相

通過對(duì)圖2電機(jī)缺相故障分析 (額定功率恒定)，正常情況下，三相線電流相等;但是當(dāng)電機(jī)出現(xiàn)缺相故障時(shí)，出現(xiàn)電流異常，某相線電流為零，某相線電流會(huì)增大。同理對(duì)油泵電機(jī)其它常見故障進(jìn)行分析，得到如表1所示的故障特征，故障電流特征明顯。而從電機(jī)破壞的直接誘因而言，都是由于電流異常產(chǎn)生熱效應(yīng)，導(dǎo)致繞組發(fā)熱進(jìn)而燒毀。

表1 油泵電機(jī)故障電流特征

對(duì)于電機(jī)故障判定，現(xiàn)在多采用對(duì)稱分量法，檢測(cè)負(fù)序分量和零序分量的方法來進(jìn)行故障判斷，靈敏度和準(zhǔn)確度高，但是測(cè)量系統(tǒng)及計(jì)算復(fù)雜［2］。在該應(yīng)用場(chǎng)合下，不需要過高的靈敏度，從故障特征、成本及性能綜合分析，采用檢測(cè)三相電流幅值的方法完全可以滿足應(yīng)用需求。

三相電流幅值作為判據(jù)的故障檢測(cè)策略遵循避開最大負(fù)載電流的原則，主要包括啟停判斷檢測(cè)、最大電流檢測(cè)、過載檢測(cè)以及三相不平衡檢測(cè)，檢測(cè)流程如圖3所示。啟停判斷是通過檢測(cè)三相電流均值是否超過最小電流閾值Imin來確定，超過Imin認(rèn)為電機(jī)啟動(dòng)，超出啟動(dòng)延時(shí)Tst時(shí)間認(rèn)為啟動(dòng)完成。由于補(bǔ)壓需求，油泵電機(jī)頻繁啟動(dòng)，每次工作時(shí)間1～2 s，啟動(dòng)過程中只需進(jìn)行最大電流檢測(cè)及三相不平衡檢測(cè)。并根據(jù)表1所示三相電流特征確定故障類型。

圖3 故障判斷流程圖

2.2 保護(hù)機(jī)制

而對(duì)于保護(hù)機(jī)制有定時(shí)限延時(shí)保護(hù)、反時(shí)限延時(shí)保護(hù)和速斷保護(hù)。定時(shí)限保護(hù)是指保護(hù)動(dòng)作時(shí)間不隨電流大小而變化，靈活性不足。反時(shí)限保護(hù)動(dòng)作時(shí)間隨電流的增大而減小，國(guó)內(nèi)外常用的反時(shí)限保護(hù)的通用數(shù)學(xué)模型表達(dá)式基本形式為:

式中:t為動(dòng)作延時(shí)，K為設(shè)計(jì)常數(shù)，M為用戶整定的時(shí)間常數(shù)，一般由上下級(jí)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間的正確配合要求決定，Ip為基準(zhǔn)電流，一般取被保護(hù)設(shè)備的額定電流;a是曲線水平移動(dòng)常數(shù)，反應(yīng)了反時(shí)限保護(hù)動(dòng)作能夠動(dòng)作的電流相對(duì)于Ip的倍數(shù)，一般取1.0;n是曲線形狀常數(shù)，通常在 0～2之間取值。n越大曲線形狀越陡，即保護(hù)動(dòng)作時(shí)間隨電流增大而減小得越快［3］。

國(guó)際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)IEC255-4規(guī)定普通反時(shí)限、非常反時(shí)限、超反時(shí)限、熱過載 (無存儲(chǔ))反時(shí)限、熱過載 (有存儲(chǔ))反時(shí)限等5種反時(shí)限特征曲線。前3種主要應(yīng)用于線路保護(hù)，考慮到油泵電機(jī)頻繁啟停，熱量累積效應(yīng)不明顯，采用熱過載 (無存儲(chǔ))反時(shí)限，特征曲線表達(dá)式為:

式中:tp為特征時(shí)間常數(shù)，整定范圍0.05～10 s。在油泵電機(jī)應(yīng)用中，以該反時(shí)限曲線為基礎(chǔ)，結(jié)合多個(gè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)應(yīng)用過程中的特征參數(shù)，設(shè)計(jì)一套基于不同功率的油泵電機(jī)反時(shí)限延時(shí)間特征值表，程序處理過程中通過查表的方法確定延時(shí)保護(hù)時(shí)間。

3 采樣算法

交流電氣信號(hào)的采樣分為交流采樣和直流采樣。直流采樣是對(duì)交流信號(hào)經(jīng)過變送器整流后的直流量進(jìn)行采樣，計(jì)算簡(jiǎn)單，但是時(shí)間常數(shù)大，不能及時(shí)檢測(cè)被測(cè)量的突變，受變送器精度和穩(wěn)定性影響大，設(shè)備復(fù)雜維護(hù)不便;交流采樣是按一定規(guī)律對(duì)被測(cè)信號(hào)的瞬時(shí)值進(jìn)行采樣，再用一定的數(shù)值算法求得被測(cè)量，實(shí)時(shí)性好，效率高［4］。

交流采樣方式有同步采樣和準(zhǔn)同步采樣，取決于采樣時(shí)間間隔Ts、被測(cè)交流信號(hào)周期T及一個(gè)周期內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)N之間關(guān)系是否滿足T=N·Ts。在實(shí)際采樣測(cè)量中，即使采用同步采樣方法，無論是軟件同步采樣還是硬件同步采樣，采樣周期也不能與被測(cè)信號(hào)周期實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格同步，即T=N·Ts+Δ，稱為同步偏差。保證Ts精度，增加采樣點(diǎn)數(shù)可以降低同步誤差［5］。

交流采樣算法有多種，其計(jì)算復(fù)雜度和準(zhǔn)確性各有不同，需要在準(zhǔn)確度和實(shí)時(shí)性方面綜合考慮選取合適的采樣算法才能準(zhǔn)確確定電機(jī)故障并采取故障措施。設(shè)i=Im·sin(ωt+ψ)，有效值I0。常用的采樣算法有以下幾種。

3.1 最大值法

只需同步采樣得到電流的最大值，即可求得電流有效值。

算法簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，受采樣誤差及高次諧波等影響，計(jì)算結(jié)果誤差較大。

3.2 單點(diǎn)算法

適用于對(duì)稱三相正弦電路，在某一時(shí)刻同時(shí)對(duì)三相線電流采樣得到三相電流值iu、iv、iw即可求得三相線電流。

該算法的前提是三相平衡，不適用于該場(chǎng)合。

3.3 兩點(diǎn)采樣法

得到兩點(diǎn)相位差為90°的采樣電流值i1、i2，即可求出該相線電流有效值I0。

該算法的難點(diǎn)在于控制兩個(gè)采樣點(diǎn)的相位差剛好為 90°。

3.4 均方根法

電流有效值即為均方根:

均方根算法計(jì)及高次諧波的影響，并且隨著每周期采樣點(diǎn)的增多，可以提高采樣精度，但均方根法計(jì)算時(shí)間復(fù)雜度大，采樣點(diǎn)太多必然增加了運(yùn)算量，因而需要在精度和快速性之間作出適當(dāng)選擇。

3.5 全波積分法

此外還有全周波傅里葉算法，有較高精度及濾波能力，能夠?yàn)V除直流分量個(gè)高次諧波，適合各種周期量、基波和高次諧波采樣，但是其計(jì)算復(fù)雜，響應(yīng)速度慢不適合快速采集。遞推傅里葉算法，是在全波傅里葉算法基礎(chǔ)上可以遞推計(jì)算各次諧波的實(shí)部和虛部，但是有較大延遲，在電流突變時(shí)有較大誤差［6］。

綜合實(shí)際使用性能分析決定采用準(zhǔn)同步采樣，全波積分法，原理如式 (7)— (9)所示。在被測(cè)交流信號(hào)周期T內(nèi)增加采樣點(diǎn)數(shù)N，等時(shí)間間隔采樣，通過適當(dāng)增加采樣數(shù)據(jù)量和增加迭代次數(shù)來提高測(cè)量準(zhǔn)確度。

全波積分法本質(zhì)上是利用有效值和平均值之間的固定比例關(guān)系，先求取平均值然后比例換算求取電流有效值，相比均方根方法，計(jì)算復(fù)雜度顯著降低，同時(shí)采樣計(jì)算準(zhǔn)確度隨著采樣點(diǎn)數(shù)的增加而提高。

實(shí)際應(yīng)用中對(duì)電流值的采樣，是通過電流在采樣電阻上形成的電壓值間接求得的。但是采樣電壓值有正有負(fù)，需要加上Uost的零點(diǎn)偏置電壓，將電壓值變?yōu)檎M(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，如圖4所示。上一個(gè)周期的采樣值求和取平均作為零點(diǎn)偏置電壓，該周期的采樣值減去該零點(diǎn)偏置電壓取絕對(duì)值求和即可求得電流有效值。

圖4 電流采樣示意圖

4 硬件設(shè)計(jì)

為保證采樣和計(jì)算效率的高效，采用STM32F103C8T6微處理器。STM32F103系列微控制器的內(nèi)核是采用ARM 32位CortexTM—M3 CPU，最高72 MHz工作頻率，單周期的乘法和除法運(yùn)算。擁有兩個(gè)12位逐次逼近型模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，多達(dá)16個(gè)輸入通道，各通道的A/D轉(zhuǎn)換可以單次、連續(xù)、掃描或間斷模式執(zhí)行，A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間最快可達(dá)1 μs。配置ADC為掃描模式，定時(shí)器觸發(fā)，三通道輪巡連續(xù)轉(zhuǎn)換，周期為20 μs，在20 ms的周期內(nèi)每通道采集多達(dá)1 000點(diǎn)。

4.1 電流采樣電路

采用電流互感器進(jìn)行線電流采樣，并根據(jù)電機(jī)額定電流大小 (0～100 A)及STM32的A/D轉(zhuǎn)換范圍選取合適的電流互感器和采樣電阻。

圖5 電流采樣電路

如圖5所示，采樣電阻U_R1選用精密電阻以保證計(jì)算準(zhǔn)確度，STM32的A/D轉(zhuǎn)換范圍為0～3.3 V，而在U_R1上得到的采樣電壓為正弦交流信號(hào)，需要加上1.65 V的零點(diǎn)偏置電壓，因此在U_R1上得到的采樣電壓峰值不能超過1.65 V，U_R1阻值大小要合適。而U_R2和U_C構(gòu)成的RC濾波電路能夠有效地濾除電網(wǎng)高次諧波等高頻信號(hào)。

4.2 RS485通信電路設(shè)計(jì)

通信方案采用基于Modbus協(xié)議的RS485通信。圖6為TTL-RS485電平轉(zhuǎn)換電路，RXD和TXD引腳接入 STM32單片機(jī)的 USART引腳，采用SN75LBC184差分?jǐn)?shù)據(jù)收發(fā)芯片作為電平轉(zhuǎn)換芯片，該芯片帶有內(nèi)置高能量瞬態(tài)噪聲保護(hù)裝置，顯著提高了抵抗數(shù)據(jù)同步傳輸電纜上的瞬變?cè)肼暤目煽啃裕?qū)動(dòng)器不但設(shè)計(jì)成限斜率方式輸出，而且能抗雷電的沖擊，承受高達(dá)8 kV的靜電放電沖擊。

圖6 RS485通信電路設(shè)計(jì)

由于485芯片的特性決定，其接收器的靈敏度為±200 mV。當(dāng)A、B之間的壓差小于200 mV時(shí)，邏輯電平不確定，增加下拉電阻R3和上拉電阻R8，人為地使A端電位高于B兩端電位，以避免總線發(fā)送禁止時(shí)，接收器誤接收邏輯電平0，產(chǎn)生通信幀的起始引起工作不正常。此外，通信載體采用的是雙絞屏蔽線，特性阻抗為一般為120 Ω，當(dāng)傳輸距離較遠(yuǎn)時(shí)，在A、B端并聯(lián)120 Ω的電阻，阻抗匹配從而提高抗干擾能力。

4.3 保護(hù)輸出電路

保護(hù)輸出電路如圖7所示，通過繼電器實(shí)現(xiàn)關(guān)斷。如果電機(jī)發(fā)生故障，單片機(jī)輸出高電平，三極管導(dǎo)通，從而使繼電器動(dòng)作。同時(shí)三極管OC輸出開關(guān)量信號(hào)送給控制器。

圖7 保護(hù)輸出電路設(shè)計(jì)

5 軟件實(shí)現(xiàn)

主程序如圖8所示，主要包括電流采樣、參數(shù)計(jì)算、啟停判斷、故障判斷、保護(hù)子程序、按鍵顯示、參數(shù)設(shè)置以及通信程序等組成，模塊化封裝設(shè)計(jì)，方便調(diào)試移植。

圖8 主程序流程圖

初始化完成后，進(jìn)行電流采樣，A/D轉(zhuǎn)換得到電流值，采樣得到的電流值滑動(dòng)平均濾波，以提高抗干擾能力。

然后進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，判斷電機(jī)是否啟動(dòng)，并根據(jù)上述故障判斷策略，以啟動(dòng)中，啟動(dòng)后進(jìn)行不同的故障判斷操作，若電機(jī)出現(xiàn)故障調(diào)用保護(hù)子程序執(zhí)行保護(hù)動(dòng)作。

顯示程序在電機(jī)正常運(yùn)行且沒有按鍵處理的情況下，顯示三相平均電流值，按鍵切換可循環(huán)顯示三相實(shí)時(shí)電流值。電機(jī)故障時(shí)可以顯示故障代碼，并采用指示燈指示出現(xiàn)故障的是哪一相，方便用戶查找故障原因;按鍵切換可循環(huán)顯示故障發(fā)生時(shí)三相電流值;按下復(fù)位按鍵執(zhí)行手動(dòng)復(fù)位操作，繼電器斷開、開關(guān)量輸出復(fù)位等。

參數(shù)設(shè)置，通過在多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)不同功率油泵電機(jī)(2.2～18 kW)在各個(gè)工步下的電流值實(shí)時(shí)監(jiān)控統(tǒng)計(jì)，針對(duì)每一種功率電機(jī)設(shè)置一套默認(rèn)的參數(shù)值，用戶可以依照功率一鍵設(shè)定參數(shù)，同時(shí)可以針對(duì)每一套功率電機(jī)的參數(shù)進(jìn)行微調(diào)。

同時(shí)可以通過通訊接口與控制器或其他外部設(shè)備通信，方便查詢電機(jī)運(yùn)行過程中的各種運(yùn)行參數(shù)，以及相關(guān)參數(shù)下發(fā)。STM32主芯片并沒有片內(nèi)EEPROM，對(duì)于參數(shù)等掉電不丟失的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)可以利用STM32的片上資源，采用Flash模擬EEPROM來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

6 結(jié)束語

完成一種基于STM32單片機(jī)的金剛石六面頂壓機(jī)油泵電機(jī)保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)過載、短路、堵轉(zhuǎn)、缺相、三相不平衡等電機(jī)故障保護(hù)，最大限度地保障設(shè)備安全運(yùn)行。針對(duì)金剛石合成工藝中油泵電機(jī)的的工作特性，制定一套基于功率的電機(jī)保護(hù)參數(shù)，方便用戶按照電機(jī)功率一鍵設(shè)定電機(jī)參數(shù)。根據(jù)金剛石合成工藝控制需求，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控電機(jī)運(yùn)行參數(shù)，故障報(bào)警并設(shè)計(jì)了手動(dòng)復(fù)位功能。該裝置已經(jīng)在多個(gè)人造金剛石生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)得到應(yīng)用，電流誤差為50 mA，效果良好。

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