利用STM32片内A/D实现的同步电机数据采集控制器

王书岩

(河北省电子信息技术研究院，河北石家庄 050071)

利用STM32片内A/D实现的同步电机数据采集控制器

王书岩

(河北省电子信息技术研究院，河北石家庄 050071)

同步电机数据采集控制器是利用基于Cortex-M3内核的STM32系列STM32F103ZE而设计的，信号采集是利用STM32F103ZE片内带有多路A/D的特点，采集了三相定子电压和三相定子电流以及同步电机励磁电压，通过软硬件设计，实现对同步电机的定子电压、定子电流及转子励磁电压波形进行实时采集并显示，从而实时监视电机的运行情况，并对运行情况进行保存、显示、上传的一种新型数据采集控制器。

STM32；信号采集；保存；上传

同步电机励磁技术的进步和发展，在进入20世纪90年代后，开始步入智能化、数字化的阶段。为了能够直观地监视操作同步电机运行情况，本装置运用了带有Cortex-M3内核的STM32处理器系列之一STM32F103ZE，它的内部带有18路12位逐次逼近型ADC，可以用多个转换模式进行数据采集，它具有144个引脚可以增加许多外扩设备，把采集的数据通过外扩TFT液晶屏实时显示，数据以文件格式写入SD卡储存，将SD卡中储存的大量数据通过USB与上位机连接，进行分析处理，从而实现对同步电机实时跟踪、显示，更加直观地显现电机运行状况，为技术人员及时分析电机故障提供了更加直观、便捷的数据[1-4]。

1 采集控制器硬件设计

采集控制器硬件框图如图1所示。

图1 硬件框图Fig.1 Hardware block diagram

2 模拟量的数据采集和处理

此装置采集了同步电机的三相定子电压和三相定子电流以及转子的励磁电压。STM32F103ZE带有逐次逼近型的12位ADC转换器，可以对18个通道的A/D进行转换。此装置运用A/D连续转换方式，对7路模拟量进行A/D转换，它是用2.5 V稳压管将+5 V分压为基准2.5 V(+5 V必须经过良好的稳压)。输入交流电压Ubc由电压互感器隔离而得，其零端接2.5 V。Vin的峰值电压为2.5 V。电流Ia由电流互感器隔离而得，因采集的信号较小，后经放大后输入给芯片的模拟量引脚。图2是A/D采集的其中一相电压和其中一相电流的电路图[5-6]。

图2 一相定子电压电流采集Fig.2 Stator voltage current collection in one phase

同步电机励磁电压为直流电压，通过霍尔元件采集电机转子两端的励磁电压，通过放大送入芯片的模拟口，采集硬件图如图3所示。

利用STM32F103ZE内部16位定时器TIM2，把最高工作时钟72 MHz预分频为4，那么TIM2的计数时钟为72 MHz/4=18 MHz,把采集的交流量的一个周期分为120个采样点，采样周期等分时间间隔为20 ms/120=166.6 μs, 在主程序中把计算的时间间隔值放入定时器TIM2_CCR2,使定时器TIM2每经过166.6 μs后溢出产生中断,并进入中断子程序,需中断120次后方能测完一个周期的采集量,然后利用软件把电压采集的120个值代入式(1)，把电流采样的120个值代入式(2),进行有效值计算,从而算出电压和电流的值，再代入式(3)计算出功率因数，分别调用子程序在液晶屏上显示定子电压、定子电流和励磁电压的数值和波形，同时

图3 电机转子励磁电压采集Fig.3 Motor rotor excitation voltage acquisition

把采集到的数值存入SD卡，并可通过USB口传向上位机，进行实时跟踪。通过采集的电压、电流值计算出功率因数和预先设定的电机过载电压、电流值和预设的功率因数值进行比较，只要超出所设置的过载电压、过载电流和功率因数基准，该装置就认为是电机故障，输出继电器报警，技术人员可通过上位机读取SD卡中所存的数据，来判断什么原因导致电机故障[7-8]。

(1)

(2)

(3)

(4)

3 显示采集的波形

1)本装置利用STM32可直接与TFT液晶模块相连接，硬件连接如图4所示，在液晶屏上显示定子电压、定子电流和励磁电压的波形[9]。

正常的定子电压和定子电流为正弦波，如图5所示，如果采集的波形上出现大的波动，超过所设的过载电压、过载电流值，输出控制信号并报警。

图4 TFT液晶屏接口Fig.4 TFT LCD screen interface

图5 定子电压显示波形Fig.5 Stator voltage waveform

2)正常显示的同步电机励磁电压波形是根据初始角a决定输出波形的形状，输出的波形在一个周期360°内有6个波头,一旦在一个360°周期中出现少波头，证明同步电机励磁部分出现故障，技术人员可以查看电机励磁回路，从而更快、更便捷地处理事故。

4 数据存储与传输

USB硬件连接如图6所示。

图6 USB接口Fig.6 USB interface

5 结 语

本装置利用STM32的接口外扩了SD卡作为存储单元，把A/D采样的数据实时存入SD卡，并通过外扩的USB 向上位机传送数据，使得技术人员在远端就能对同步电机运行情况进行监控，还可通过读卡器读取SD卡中数据，从而分析电机出现故障时电机的运行数据，为工厂分析事故原因节约了时间，提高了工作效率和生产效益。

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[1] SANSEN W.模拟集成电路设计精粹[M].陈莹梅，译.北京：清华大学出版社,2008. SANSEN W.Analog Design Essence[M]. Translated by CHEN Yingmei.Beijing: Tsinghua University Press,2008.

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[3] YIU J.ARM Cortex-M3 权威指南 [M].宋 岩，译.北京：北京航空航天大学出版社，2009. YIU J.The Definitive Guide to the ARM Cortex-M3 [M]. Translated by SONG Yan. Beijing: Beihang University Press,2009.

[4] 李 宁.基于MDK的STM32处理器开发应用[M]. 北京： 北京航空航天大学出版社，2008. LI Ning. Based on the STM32 Processor Development and Application of the MDK[M]. Beijing: Beihang University Press,2008.

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[7] 刘宗富.电机学(修订版)[M].北京：冶金工业出版社，1986. LIU Zongfu. Electrical Machinery (Revised Edition)[M].Beijing: Metallurgical Industry Press,1986.

[8] 黄 俊，王兆安. 电力电子变流技术[M]. 北京：机械工业出版社，1997. HUANG Jun,WANG Zhaoan. Power Electronic Converter Technology[M].Beijing: Mechanical Industry Press,1997.

[9] 戴亚翔.TFT LCD 面板的驱动与设计[M]. 北京：清华大学出版社,2008. DAI Yaxiang. The TFT LCD Panel Driver and Design[M]. Beijing: Tsinghua University Press,2008.

Realization of synchronous motor data acquisition controller based on multi-channel A/D of STM32 chip

WANG Shuyan

(Hebei Electronic Information Technology Research Institute, Shijiazhuang Hebei 050071, China)

Synchronous motor data acquisition controller is designed by using the STM32 series STM32F103ZE with multi-channel A/D. Three phase stator current and voltage and synchronous motor excitation voltage are collected, and through the design of hardware and software, the waveforms of three phase stator current and voltage and synchronous motor excitation voltage can be attained and displayed.Real-time monitoring of the motor operation can be obtained, and the controller can save, display and upload the process data.

STM32; signal acquisition; save; upload

1008-1534(2014)02-0177-04

2013-09-24;

2013-12-15

王书岩(1972-)，女，河北藁城人，高级工程师，主要从事电力电子自动控制方面的研究。

E-mail：wangshu_yan@sohu.com

TP216+.3

A

10.7535/hbgykj.2014yx0219

责任编辑：陈书欣

王书岩.利用STM32片内A/D实现的同步电机数据采集控制器[J].河北工业科技，2014，31(2)：177-180.

WANG Shuyan.Realization of synchronous motor data acquisition controller based on multi-channel A/D of STM32 chip[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2014,31(2):177-180.