基于STM32F103R8T6的数字式量度继电器设计与应用
基于STM32F10链式输送机3R8T6的数字式量度继电器设计与应用
景沈vwin德赢网官方下载石破碎机石料破碎机锋1小型振动电机 姚冲击式破碎机 波刮板输送2 制砂破碎机汤建军反击破碎机2
（1中煤西安设计工程有限责任公司 陕立轴式破碎机西西安 710054）
（2上海vwin德赢网官方下载电气股份有限公司 上海嘉反击锤式破碎机定 201801）
摘 要：数字式量度继电器具有测量精确、设定简单、保护功能多、速度快等优点 ，是传统的电磁、静态继电器理想的替代产品 。本文详细介绍了过滤筛分机基于STM32F103R8T6的数字式量度继电器的总体设计方案 。该产品能针对不同的对象在实际使用中遇到的多种故障进行保护 ，使被保护的对象在故障状态下不会产生损坏 ，提高可靠性 ，减少损失 。
关键字：数字式、伸缩式皮带机量度继电器、保护
Design and Application of回转筛 Digital Measurement Relay Based STM32F103R8T6
Jin电磁电机振动给料机g Shenfeng自动切管落料机1 &td75型胶带输送机nbsp; Yao bo 2 Tang Jianjun2
(XianEngineeringDesignCo.Ltd,Chinacoal, Xian Shanxi 710054)
(Shanghai Acrel Co. ，Ltd., Jiading Shanghai 201801)
1.1 主控CPU
本量度继电器的CPU采用ST公司的基于ARM最新Cortex-M3架构内核的32位处理器STM32F103R8T6 ，时钟频率最高可达72MHz ，内置64K的Flash、20K的RAM、12位AD、4个16位定时器、3路USART通讯口等多种资源 ，具有极高的性价比 。
1.2 电源
电源是一台设备能否正常、稳定、可靠工作的关键部分 ，该继电器采用本公司常用的通用开关电源模块 。该电源模块输入电压为AC85V～265V ，输入频率45Hz～60Hz ，具有多路隔离电压输出 ，满足多种功能对不同供电电压的要求 。输出电压稳定、故障率小 ，输出纹波 <1％ 。具有过压、过流保护 。该模块经实际现场使用 ，具有很高的稳定性、可靠性和抗干扰能力 。
1.3 信号采集电路
信号采集电路采用互感器隔离输入 ，将电流、电压等电量信号进行隔离 ，提高系统的安全性和可靠性 。采样信号经放大电路放大后进行A/D转换 。图2 。
1.4 人机交互单元
人机交互单元采用LED显示和按键输入 ，系统采用单排四位LED数码管显示各种信息 。用户可根据实际需要进行设置 。在编程状态下显示菜单及参数 。数码管显示采用动态扫描方式 ，其驱动电路使用一片74HC595加三极管构成 。
1.5 RS485通讯接口
通讯接口模块采用通用的RS-485、Modbus RTU通讯规约 ，能实现遥测、遥控、遥信等功能 ，见图3 。
1.6 继电器输出接口
继电器输出接口（图4）是动作的执行机构 ，当出现故障时 ，继电器便会产生动作 ，发出报警或脱扣信号 。
2 软件设计
由于本量度继电器采用数字电路 ，核心元件采用的是32位单片机 ，运算速度快（时钟频率72MHz） ，保护算法都由软件实现 ，因此 ，由同一电参量引申而出的保护功能可集成于一体（如测量三相电流可实现过载、欠载、不平衡、断相、相序等多种保护） ，不像静态继电器那样 ，不同的保护功能需要不同的模拟电路来实现 ，导致单个静态继电器往往只有一种保护功能 。
2.1 程序设计
本继电器的软件设计主要包括计算、保护、显示、按键、通讯等各种功能子程序 。其中计算子程序主要用于进行信号的采集和运算 ，实时测量保护对象的电参量；保护子程序主要集成有各种保护算法 ，将测量得到的各种参数与预先设定的值来进行对比 ，来确定是否有故障出现 ，及时进行保护；显示、按键子程序用于人机交互；通讯子程序则用于将各种参量通过通讯接口远传给后台控制系统 。
由于程序内容较多 ，现给出主程序流程（图5）和保护子程序流程图（图6） 。
2.2 过采样
在本产品设计时 ，便定位于既可作为保护继电器使用 ，又可作为低压电测仪表使用 ，因此要求本产品的测量精度要高 ，但出于成本上的考虑 ，采用主控芯片STM32F103R8T6内部自带的12位AD ，为实现高精度的测量 ，需要在采样上使用过采样的技术 。根据奈奎斯特定理可得 ，每增加一位分辨率 ，信号必须被以4倍的速率过采样：fos=4w×fs 。其中 ，w是希望增加的分辨率位数 ，fs是初始采样频率要求 ，fos是过采样频率 。根据此公式 ，在采样时将采样频率提高256倍 ，即将分辨率位数提高4位 ，达到了16位的分辨率 。采用此方法后 ，本产品的测量精度达到0.5级 ，完全可以满足作为测量型仪表的要求 。由于CPU的速度很快 ，因此不会因为采用过采样后 ，采样点和运算量的增加而导致保护速度不够 。
3 性能测试
3.1 测量精度的测试（电流型）
由GB/T22264.1-200《安装式数字显示电测量仪表》第1部分：定义和通用要求中5.2 基本误差的计算方法 ，结合表1测量数据可得 ，精度等级能够满足0.5级 。
计算公式如下：
仪表的基本误差不应超过公式（1）表示的测量值的绝对误差△ 。
式中： Ux－被测量的读数值；
Um－被测量的满度值；
a－与读数值有关的误差系数；
b－与满度值有关的误差系数；
3.2 动作误差测试（电流型）
继电器的动作误差是一项重要的指标 ，因此 ，需要使用专用的vwin德赢网官方下载测试仪来对ASJ的动作时间误差进行测试 。
这里使用“ZS-740微机继电保护校验仪”来测试ASJ的动作误差时间 ，测试结果见表2 。
4 产品特点
ASJ系列数字式量度继电器在结构上采用DIN35mm导轨安装式和96mm×48mm外型嵌入安装式两种方式 。该为数字式继电器 ，实时采样三相交流电量、采用真有效值的计算方法 ，在较宽的频率范围内实现了较高精度的测量 。集成有多种保护功能 ，仅需简单选择即可实现保护的投入或退出、报警或跳闸；精度高、功耗小、动作快、返回系数高、无抖动 。 本产品集低压电测仪表功能和量度继电器功能于一体 ，是传统的静态继电器的理想替代方案 。产品符合GB/T 14598量度继电器的相关标准和GB/T 22264安装式数字显示电测量仪表中的相关标准 。
按功能可分为电流、电压、频率等多种类型 ，主要技术指标见表3 。
防护等级IP54
安装类别III级 电压 ASJ10-AV3/C 过压、欠压、不平衡 频率 ASJ10-F/C 过频、欠频
5 应用案例
ASJ系列量度继电器因其具有很宽的频率测量范围(20Hz～70Hz内都能准确测量) ，较高的测量精度及多种保护功能集于一体的特点 ，已经广泛应用于多种场合 。
图8为本产品应用于某柴油发电机上用于对柴油发电机的欠、过压进行保护的图 。由于柴油发电机的输出电压与其转速有关 ，因此要求测量柴油发电机输出电压的装置具有较宽的频率测量范围 ，在本应用案例中 ，柴油发电机的欠压点为230VAC（对应23Hz） ，额定460VAC（对应50Hz） ，过压点530VAC（对应55Hz） ，而采用的ASJ10-AV3电压型量度继电器的测量频率范围为20Hz～70Hz ，在此频率范围内 ，能够准确测量出电压值 ，完全能够满足此场合的使用要求 。其工作流程为：ASJ10-AV3测量柴油发电机组的输出电压 ，并将此电压与预先设定的欠压、过压值进行比较 ，一旦出现测量值超出限值 ，则进入故障延时 ，延时时间到但故障状态未解除则报警或脱扣继电器动作 ，发出告警信号或直接停掉柴油发电机 ，从而起到保护柴油发电机稳定运行的作用 。
6 结语
ASJ系列数字式量度继电器采用先进的设计方案 ，能够针对不同的使用场合提供多种保护方式 ，产品稳定可靠 ，是静态模拟继电器的理想替代产品 。
参考文献
[1] 上海vwin德赢网官方下载电气有限公司 ，ASJ系列量度继电器选型手册 ，2009 。
[2] 中国电力出版社 ，电工与电子技术 ，1999 。
[3] 任志程 ，周中 ，电力电测数字仪表原理与应用指南 ，中国电力出版社 ，2007
作者简介
姓名：姚波
性别：男
出生年月：81年3月
技术职务：助理工程师
工作单位：上海vwin德赢网官方下载电气股份有限公司
研究方向：低压电测仪表
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- 皮带输送机主要由机架、输送皮带、皮带辊筒、张紧装置、传动装置等组成 。机身采用优质钢板连接而成 ，由前后支腿的高低差形成机架 ，平面呈一定角度倾斜 。机架上装有皮带辊筒、托辊等 ，用于带动和支承输送皮带 。有减速电机驱动和电动滚筒驱动两种方式 。
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