摘" 要： 大部分渦旋壓縮機(jī)由三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在實(shí)際使用中，面臨著三相電相序接錯(cuò)或某一相虛接的風(fēng)險(xiǎn)，從而導(dǎo)致壓縮機(jī)損壞。文中提出一種基于STM32和兩路光耦的三相電缺相逆相保護(hù)系統(tǒng)。軟件基于專家系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在專家知識(shí)庫(kù)中存儲(chǔ)與各種缺相逆相檢測(cè)有關(guān)的知識(shí)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該保護(hù)系統(tǒng)在三相電壓幅值很低的情況下，依然可以正確檢測(cè)出缺相逆相，具有非常高的可靠性。

關(guān)鍵詞： STM32; 電機(jī)保護(hù); 缺相; 逆相; 專家系統(tǒng); 狀態(tài)檢測(cè); 系統(tǒng)測(cè)試

中圖分類號(hào)： TN99?34; TP29" " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A" " " " " " " " " " " 文章編號(hào)： 1004?373X（2019）21?0130?04

Abstract： Most of scroll compressors are usually driven by three?phase motor. In practical use， it is faced with the risk of misconnection of three?phase electrical phase sequence or virtual connection of a certain phase， which leads to compressor damage. A phase loss and anti?phase protection system based on microprocessor STM32 and two?way optocoupler is designed in this paper. The software is designed based on expert system and all kinds of phase loss and phase reverse detection knowledge is stored in expert knowledge base. The experimental results show that， the protection system still can correctly detect the phase loss and anti?phase at a very low amplitude of three?phase voltage， and has very high reliability.

Keywords： STM32; motor protection; phase loss; anti?phase; expert system; state detecting; system testing

0" 引" 言

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展， 各種新型電器設(shè)備的不斷更新， 導(dǎo)致現(xiàn)階段能源供不應(yīng)求的局面， 所以， 要想解決這個(gè)問(wèn)題， 就得采取相應(yīng)的節(jié)能措施， 來(lái)緩解新時(shí)期能源消耗所面臨的問(wèn)題[1]。在這個(gè)大趨勢(shì)下，各種各樣的節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品一一出現(xiàn)，渦旋壓縮機(jī)就是其中的一種。渦旋壓縮機(jī)是通過(guò)容積變化來(lái)實(shí)現(xiàn)氣體壓縮的流體機(jī)械，相對(duì)于往復(fù)式和回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)， 這種新型氣體壓縮機(jī)械具有體積小、重量輕、振動(dòng)小等特點(diǎn)[2]。壓縮部件由動(dòng)渦旋盤和靜渦旋組成[3]。大部分渦旋壓縮機(jī)的動(dòng)渦旋盤一般由三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

在實(shí)際使用中面臨著三相電接線錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)，比如，三相電相序接錯(cuò)，其結(jié)果是電機(jī)反轉(zhuǎn)，而一些型號(hào)的壓縮機(jī)從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上是不允許反轉(zhuǎn)的，一旦反轉(zhuǎn)必然會(huì)造成其結(jié)構(gòu)損壞。而當(dāng)某一相虛接時(shí)，其結(jié)果就是缺相，從而導(dǎo)致電機(jī)定子繞組磁場(chǎng)分布不均勻，轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)阻力增大，同時(shí)，另外兩相繞組電流也同時(shí)加大，繞組發(fā)熱嚴(yán)重，直至繞組絕緣損壞，最終燒毀電機(jī)[4]。而壓縮機(jī)每年產(chǎn)量巨大，因此設(shè)計(jì)一款低成本的三相電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)對(duì)三相電機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)以保證安全，具有非常重要的意義。

1" 三相電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

三相電機(jī)通過(guò)三相電L1，L2和L3對(duì)其供電，同時(shí)三相電L1，L2和L3也引入到三相電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的L1，L2和L3端子。正常情況下三相電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的[M1M2]繼電器處于吸合狀態(tài)，一旦三相電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)檢測(cè)到缺相或逆相，[M1M2]繼電器斷開(kāi)，從而切斷三相電機(jī)供電，達(dá)到保護(hù)作用，同時(shí)，三相電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)上的LED燈閃爍以指示對(duì)應(yīng)的故障。該三相電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)通過(guò)[L+]和[L-]供電。

2" 三相電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1" 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，芯片采用意法半導(dǎo)體的STM32F103RCT6單片機(jī)，利用STM32豐富的外設(shè)功能和數(shù)據(jù)處理能力[5]，整個(gè)系統(tǒng)由電源模塊、三相檢測(cè)電路、人機(jī)界面、繼電器控制電路和通信模塊組成。三相檢測(cè)電路是系統(tǒng)的核心電路，它負(fù)責(zé)將輸入的L1，L2，L3三相電三路正弦波信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可識(shí)別的兩路方波，根據(jù)其相位差來(lái)判斷缺相逆相。

3" 三相電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1" 系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)產(chǎn)品除了應(yīng)滿足基本功能需求之外， 還需滿足質(zhì)量需求[6]。為增強(qiáng)系統(tǒng)軟件的穩(wěn)定性和可移植性，采用分層和模塊化設(shè)計(jì)[7]。

系統(tǒng)軟件分為三層：驅(qū)動(dòng)層、中間層和應(yīng)用層。驅(qū)動(dòng)層針對(duì)不同的芯片做驅(qū)動(dòng)的封裝;中間層封裝了一些通用的操作，如E2PROM操作，通信協(xié)議棧等;應(yīng)用層針對(duì)功能進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，其中三相檢測(cè)模塊為核心模塊。

3.2" 三相檢測(cè)模塊軟件設(shè)計(jì)

三相檢測(cè)模塊軟件設(shè)計(jì)基于專家系統(tǒng)，主要由人機(jī)接口、推理機(jī)、解釋器、知識(shí)庫(kù)及其管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)及其管理系統(tǒng)和知識(shí)獲取機(jī)構(gòu)組成[8]。

3.2.1" 知識(shí)庫(kù)

知識(shí)庫(kù)負(fù)責(zé)存儲(chǔ)領(lǐng)域?qū)＜医鉀Q特定領(lǐng)域的知識(shí)，采用某種知識(shí)表示方法編輯或自動(dòng)生成某種表示形式[9]。知識(shí)庫(kù)中存儲(chǔ)辨別三相電各種狀態(tài)的知識(shí)，如表1所示。

3.2.2" 數(shù)據(jù)庫(kù)及其管理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫(kù)由存儲(chǔ)在單片機(jī)片內(nèi)FLASH中的參數(shù)組成，主要為判斷三相電狀態(tài)的各種參數(shù)，如采樣濾波時(shí)間、三相電頻率上下限等。存儲(chǔ)在片內(nèi)FLASH中的參數(shù)可以通過(guò)人機(jī)接口和知識(shí)獲取機(jī)構(gòu)更新。

3.2.3" 人機(jī)接口和知識(shí)獲取機(jī)構(gòu)

該系統(tǒng)的人機(jī)接口為RS 485，通過(guò)該接口可以與PC相連接，通過(guò)上位機(jī)程序可以將新版本的專家知識(shí)庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)送到該三相電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)，由內(nèi)嵌的bootloader對(duì)專家知識(shí)庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行更新。

3.2.4" 推理機(jī)

推理機(jī)針對(duì)當(dāng)前問(wèn)題的條件或已知信息，反復(fù)匹配知識(shí)庫(kù)中的規(guī)則，獲得新的結(jié)論，以得到問(wèn)題求解結(jié)果[10]。

由于該系統(tǒng)判斷三相電狀態(tài)，不僅僅取決于CHECK1和CHECK2的信號(hào)，還取決于實(shí)際應(yīng)用工藝中的要求，比如運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)三相電整體斷電，以及恢復(fù)的處理;出現(xiàn)三相電缺相逆相錯(cuò)誤后，系統(tǒng)恢復(fù)錯(cuò)誤后的處理。此外，還取決于系統(tǒng)其他功能的影響，比如由于別的保護(hù)功能運(yùn)作了，那么現(xiàn)有的三相檢測(cè)還有無(wú)必要進(jìn)行等，因此實(shí)際的推理邏輯非常復(fù)雜。

基于有限狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法（設(shè)計(jì)模式中稱之為狀態(tài)模式），通過(guò)把復(fù)雜的判斷邏輯條件轉(zhuǎn)移到表示不同狀態(tài)的一系列類中，在事件驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用[11]。例如，當(dāng)前狀態(tài)為“三相電檢測(cè)時(shí)間窗狀態(tài)”，一旦從專家知識(shí)庫(kù)中得出判斷結(jié)論為“缺相”或“逆相”，那么系統(tǒng)就會(huì)遷移到“三相錯(cuò)誤狀態(tài)”;如果當(dāng)前狀態(tài)為“正常相序狀態(tài)”，并且從專家知識(shí)庫(kù)中得出判斷結(jié)論為“三相電信號(hào)消失”，則系統(tǒng)就會(huì)遷移到“三相電缺失狀態(tài)”。

狀態(tài)遷移圖如圖5所示。

4" 三相電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)測(cè)試

該系統(tǒng)測(cè)試包括功能測(cè)試與性能測(cè)試兩部分。

4.1" 功能測(cè)試

功能測(cè)試主要是電路板級(jí)的測(cè)試，給L1，L2，L3端分別輸入正常、缺相和逆相的信號(hào)，通過(guò)示波器捕捉CHECK1和CHECK2輸出的信號(hào)波形。

例如，輸入正常的三相電信號(hào)，則通過(guò)示波器捕捉到CHECK1和CHECK2的信號(hào)波形為方波、且相位差為120°;將L1的信號(hào)斷開(kāi)，造成A相缺相，則通過(guò)示波器捕捉到CHECK1始終為高電平，CHECK2為方波，如圖6所示。

4.2" 性能測(cè)試

性能測(cè)試為產(chǎn)品級(jí)測(cè)試，通過(guò)三相可調(diào)電源改變?nèi)嚯姷碾妷悍岛皖l率，檢測(cè)產(chǎn)品是否可以正確識(shí)別出各種狀態(tài)。

依次給出缺單相、缺兩相、逆相的信號(hào)，然后使用三相可調(diào)電源將電壓幅值從345 V（可調(diào)電源的最高值）調(diào)到20 V，頻率分別從42 Hz調(diào)到71.5 Hz（可調(diào)電源的最高值），依次記錄結(jié)果。

缺單相的測(cè)試結(jié)果如表2所示。

通過(guò)上述數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)三相電壓幅值降低到30 V及以下檢測(cè)開(kāi)始不穩(wěn)定，而在三相電頻率為42～71.5 Hz范圍內(nèi)，檢測(cè)一直很穩(wěn)定。

而缺兩相以及逆相的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果和缺單相一致，都是當(dāng)三相電壓幅值降低到30 V及以下檢測(cè)開(kāi)始不穩(wěn)定。

5" 結(jié)" 語(yǔ)

基于STM32的三相電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)，在硬件設(shè)計(jì)上采用的是兩路光耦的方案，既節(jié)約了成本，又保證了工作的可靠性;在軟件設(shè)計(jì)上采用分層模塊化架構(gòu)，穩(wěn)定性好，移植性強(qiáng)，其中三相檢測(cè)部分基于專家系統(tǒng)，將三相電各種狀態(tài)對(duì)應(yīng)的輸出波形放入專家知識(shí)庫(kù)，推理機(jī)基于狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)，使得能夠準(zhǔn)確快速地識(shí)別各種三相電狀態(tài)并在各種狀態(tài)間遷移。通過(guò)實(shí)際測(cè)試證明，該保護(hù)系統(tǒng)能夠正確識(shí)別出三相電的各種狀態(tài)并給出反饋動(dòng)作，并且具有很高的穩(wěn)定性，在電壓幅值降低至正常值的20%，頻率在正常值的84%～143%范圍內(nèi)均能正確地完成檢測(cè)。

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