基于DSP的智能電機(jī)保護(hù)器設(shè)計(jì)

       由于生產(chǎn)自動(dòng)化及各種自動(dòng)控制、順序控制設(shè)備的出現(xiàn)，要求電機(jī)經(jīng)常運(yùn)行在頻繁的起動(dòng)、制動(dòng)、正反傳、間歇以及變負(fù)荷等各種方式。電機(jī)的運(yùn)行要求越來(lái)越高。同時(shí)，由于電機(jī)與配套機(jī)械連在一起，當(dāng)電機(jī)發(fā)生故障時(shí)，經(jīng)常波及生產(chǎn)系統(tǒng)。因此，對(duì)電機(jī)實(shí)行有效的保護(hù)是保證生產(chǎn)系統(tǒng)正常工作的一項(xiàng)重要任務(wù)。

       隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電機(jī)保護(hù)裝置中逐漸使用了電子保護(hù)裝置。在國(guó)外，目前電子保護(hù)裝置已在電力系統(tǒng)和電機(jī)保護(hù)裝置中獲得了廣泛應(yīng)用，國(guó)內(nèi)也開(kāi)始推廣[1]。電子保護(hù)裝置的優(yōu)點(diǎn)是：基本上由靜止元件組成。它動(dòng)作速度快，不存在機(jī)械位移和磨損，精度和壽命一般均比有觸點(diǎn)繼電器高，耐沖擊和振動(dòng)，可靠性好。另外，電子電路動(dòng)作功率小，靈敏度高。

       數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)具有流線型操作功能和單周期完成乘法的結(jié)構(gòu)，由其組成的系統(tǒng)能實(shí)時(shí)進(jìn)行頻譜分析。高速14位A/D轉(zhuǎn)換器MAX126帶多路開(kāi)關(guān)和采樣保持器，非常適用電機(jī)信號(hào)的采集。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的可靠保護(hù)，提出了以TMS320LF2407的為核心，對(duì)過(guò)載、輕載、不平衡、斷相、過(guò)壓和欠壓等常見(jiàn)故障具有綜合檢測(cè)保護(hù)功能的智能電機(jī)保護(hù)器。

1 系統(tǒng)基本原理和設(shè)計(jì)思想

       電機(jī)運(yùn)行中常常會(huì)出現(xiàn)不正常的運(yùn)行狀態(tài)。這些不正常的運(yùn)行狀態(tài)包括：過(guò)載、堵轉(zhuǎn)、短路、輕載、不平衡、斷相、過(guò)壓、欠壓和漏電。電機(jī)保護(hù)是在檢測(cè)三相電壓UA、UB、UC，三相電流IA、IB、IC和漏電流IL的基礎(chǔ)上做出的。具體過(guò)程如下：

       (1)  設(shè)置各個(gè)參數(shù)，由PC機(jī)發(fā)出控制信號(hào)；

       (2)  采樣三相電壓、三相電流和漏電流，得到實(shí)時(shí)值；

       (3)  利用FFT算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和計(jì)算，得到三相電壓、電流的有效值、有功功率、無(wú)功功率以及功率因數(shù)；

       (4)  判斷電機(jī)是否處于不正常的運(yùn)行狀態(tài)；

       (5)  通過(guò)RS-485接口把數(shù)據(jù)發(fā)送到顯示部分，顯示在LCD上。

       系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示。CPU選用TI公司的TMS320LF2407，其豐富的硬件資源在系統(tǒng)中得到了充分的應(yīng)用，加上少量的外圍器件，就構(gòu)成了一個(gè)功能完善、簡(jiǎn)便適用的系統(tǒng)。

   
                圖1 硬件框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 TMS320LF2407

       TMS320LF2407也稱為DSP控制器，是TI公司專門針對(duì)電機(jī)、逆變器、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床等控制而設(shè)計(jì)的[2-4]。TMS320LF2407采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，使得供電電壓降為3.3V，減小了控制器的功耗；30MIPS的執(zhí)行速度使得指令周期縮短到33ns（30MHZ），從而提高了控制器的實(shí)時(shí)控制能力。它包括了兩個(gè)事件管理器模塊EVA和EVB，能夠?qū)崿F(xiàn)：三相反相器控制；PWM的對(duì)稱和非對(duì)稱波形；3個(gè)捕獲單元；16通道A/D轉(zhuǎn)換器。事件管理器模塊適用于控制交流感應(yīng)電機(jī)、無(wú)刷直流電機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、多級(jí)電機(jī)和逆變器。

2.2 TMS320LF2407和MAX126的接口電路

       TMS320LF2407芯片內(nèi)部雖然包含雙10位的A/D轉(zhuǎn)換模塊，但只能同時(shí)采樣和轉(zhuǎn)換兩個(gè)輸入通道，不滿足電機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)同時(shí)采樣多路的要求。MAX126是MAXIM公司生產(chǎn)的高速14位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換芯片，4路同步采樣/保持器可以對(duì)4個(gè)通道的信號(hào)同時(shí)采樣。

       本系統(tǒng)采樣7路信號(hào)，所以使用兩片MAX126芯片，且都工作于A組多路開(kāi)關(guān)、4路采樣，轉(zhuǎn)換時(shí)間為12ms。DSP和MAX126的接口電路如圖2所示[5]。通過(guò)不同的I/O操作就可以控制MAX126正常工作。
                       

               圖2 DSP和MAX126的接口

2.3 顯示電路

       顯示電路以AT89S52為核心，液晶顯示模塊采用MGLS240128T，接口電路如圖3所示。

       液晶顯示模塊控制器T6963C的數(shù)據(jù)總線DB0~DB7與AT89S52的P0口相連。T6963C的讀寫控制信號(hào)RD/WD分別由AT89S52的外部ROM讀寫控制信號(hào)RD/WD控制。CE是片選信號(hào)，由AT89S52的P2.7控制，低電平時(shí)選通。C/D為寄存器選擇信號(hào)，輸入低電平表示本次讀寫的是數(shù)據(jù)；輸入高電平表示本次寫的是命令，讀的是T6963C的狀態(tài)。       
                           圖3 顯示部分電路圖

2.4  通訊電路

       本系統(tǒng)采用總線型分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示。各保護(hù)器通過(guò)MAX485組建RS485通訊總線，PC機(jī)和RS485總線之間通過(guò)RS232/RS485轉(zhuǎn)換卡連接。

       PC機(jī)的功能是提供良好的操作界面，允許管理者修改參數(shù)。管理者通過(guò)操作界面可以向各保護(hù)器發(fā)送控制命令。保護(hù)器可以接收主機(jī)的命令，根據(jù)命令驅(qū)動(dòng)電氣設(shè)備的合閘或跳閘，以及測(cè)量各個(gè)電氣參數(shù)，并將電氣參數(shù)傳輸?shù)斤@示模塊顯示。

       顯示部分使用LCD模塊顯示電氣參數(shù)。

                 
                             圖4 通訊結(jié)構(gòu)圖
       各保護(hù)器和485總線的接口電路如圖5所示。MAX485芯片為RS485芯片，兩個(gè)控制端由DSP的兩個(gè)I/O口控制，另外由一個(gè)I/O口負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸方向的選擇。

                      圖5 RS485接口電路

2.5  保護(hù)動(dòng)作電路

       所有保護(hù)電路的執(zhí)行電路如圖6所示，主要是通過(guò)繼電器的通斷來(lái)完成。如果電機(jī)發(fā)生故障，則DSP芯片產(chǎn)生低電平，促使光耦導(dǎo)通，從而使繼電器動(dòng)作，保護(hù)了電機(jī)。

                      圖6 保護(hù)電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
       有了硬件運(yùn)行平臺(tái)，必須設(shè)計(jì)相應(yīng)的軟件才能發(fā)揮其應(yīng)用的功效。由于軟件的靈活性，可以根據(jù)系統(tǒng)的要求隨意的更改、增減，所以系統(tǒng)的智能化程度很大部分取決于軟件結(jié)構(gòu)是否合理，功能是否全面。

       保護(hù)器DSP部分采用C語(yǔ)言編程，控制軟件主要由控制程序、顯示程序、通訊程序等組成。

4.1 控制程序

       智能電機(jī)保護(hù)器通過(guò)檢測(cè)線路中的電流和電壓，經(jīng)計(jì)算、分析來(lái)實(shí)現(xiàn)各種保護(hù)功能，并且實(shí)時(shí)顯示線路的參數(shù)和記錄故障狀態(tài)。

       本系統(tǒng)通過(guò)TMS320LF2407內(nèi)部定時(shí)器中斷啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。設(shè)定初始采樣頻率2.56KHz，則采樣間隔 390.625ms，即390.635ms觸發(fā)一次A/D。MAX126的12路A/D轉(zhuǎn)換完成后，發(fā)送中斷請(qǐng)求信號(hào)到DSP的XINT1腳?？刂瞥绦虻牧鞒虉D如圖7所示。

   
      圖7 控制程序流程圖
4.2  中斷程序

       中斷程序的功能是采樣和存儲(chǔ)采樣數(shù)據(jù)。在電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)中，一般存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的下一步就是對(duì)各相的電壓和電流采樣值進(jìn)行FFT分析，因此在存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)要注意以下兩個(gè)問(wèn)題：

       (1)  盡管電壓和電流采樣的數(shù)據(jù)是離散實(shí)數(shù)序列，但是進(jìn)行FFT后，變成FFT復(fù)數(shù)序列，因而一般將A/D轉(zhuǎn)換后的電壓和電流實(shí)數(shù)序列看成虛部為零的復(fù)數(shù)序列，用連續(xù)的內(nèi)存空間存放復(fù)數(shù)，實(shí)部在前，虛部在后。

       (2)  FFT的輸入和輸出序列存在“正序—逆序”或者“逆序—正序”的關(guān)系，所以為了簡(jiǎn)化后續(xù)計(jì)算，在存儲(chǔ)采樣數(shù)據(jù)時(shí)一般采用“逆向進(jìn)位加變址量”的間接尋址方式，DSP中的指令為*BR0+。

       中斷部分的程序流程圖如圖8所示：

   
          圖8 中斷程序流程圖

4.3  顯示程序
       顯示部分的程序流程圖如圖9所示。

        
            圖9 顯示程序流程圖

4.4 通訊程序
       通訊部分主要是兩部分組成的：1、PC和DSP之間的485通訊；2、DSP和AT89S52之間的RS485通訊。

       PC機(jī)部分用Labview編程。Labview提供了功能強(qiáng)大的VISA（Virtual Instrument Software Architecture）庫(kù)，完成計(jì)算機(jī)與儀器之間的連接，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的程序控制。

       AT89S52從DSP接收數(shù)據(jù)，然后顯示在LCD上。相互之間通訊的規(guī)約為F0+10datas+0F，即先判斷是否得到起始信號(hào)F0，如果是，就接收11個(gè)數(shù)據(jù)，然后判斷最后一個(gè)數(shù)據(jù)是否為0F，如果不是，丟棄這組數(shù)據(jù)，重新接收。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
     系統(tǒng)測(cè)試的部分結(jié)果如表1所示。

        表1 參數(shù)檢測(cè)結(jié)果


     測(cè)試時(shí)電機(jī)電壓和電流的實(shí)際值為220V、10A，根據(jù)測(cè)量結(jié)果，A、B、C三相的電壓和電流測(cè)量精度都達(dá)到了要求。

5 結(jié)語(yǔ)
    本文提出的基于TMS320LF2407的智能電機(jī)保護(hù)器充分利用了DSP的資源，用少量的外圍器件構(gòu)成了一個(gè)功能完善、性能優(yōu)良的廉價(jià)實(shí)用系統(tǒng)，保證了生產(chǎn)系統(tǒng)可靠運(yùn)行，為實(shí)現(xiàn)電機(jī)保護(hù)裝備低成本開(kāi)發(fā)和更新?lián)Q代提供了一條切實(shí)可行的途徑。該保護(hù)器在電機(jī)保護(hù)中將有很好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1]  黃  群，鄧  慧. 基于PIC16單片機(jī)的發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置[J]. 計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程, 2000, 28(5): 52-54.
[2] 劉和平，王維俊，江  渝等. TMS320LF240x DSP C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)應(yīng)用[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社, 2003.
[3]  劉和平，嚴(yán)利平，張學(xué)鋒等. TMS320LF240x DSP結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社, 2002.
[4]  章  云，謝莉萍，熊紅艷. DSP控制器及其應(yīng)用[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2001.
[5] 袁  春，袁國(guó)洲，喻壽益. DSP與MAX125/126在電力參數(shù)測(cè)量中的應(yīng)用[J].電腦與信息技術(shù), 2001, 1: 41-43.