基于CAN 總線的電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)

     摘要： 對三相異步電動(dòng)機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的硬件及軟件實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究， 以Freescale DSP 56F807 微處理器為控制核心，配以CAN 總線、液晶顯示以及采樣等其他功能模塊。而現(xiàn)場總線技術(shù)把專用微處理器置于測量控制設(shè)備中， 把單個(gè)分散的測量控制設(shè)備變成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)， 將其連接成可以相互溝通信息、共同完成控制任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在算法上由于DSP 有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，對瞬時(shí)電壓、電流和負(fù)序電流的幅值進(jìn)行精確的計(jì)算而不需考慮時(shí)間的問題， 用軟件計(jì)算的方法替代硬件邏輯， 減少硬件資源的浪費(fèi)。

　　電動(dòng)機(jī)是各行各業(yè)應(yīng)用最為廣泛的動(dòng)力設(shè)備， 但由于在使用過程中保護(hù)力度不夠， 經(jīng)常出現(xiàn)以下問題： 裝置功效低下， 保護(hù)裝置經(jīng)常出現(xiàn)拒動(dòng)從而使電動(dòng)機(jī)燒毀， 由于誤動(dòng)而跳閘。近年來， 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制理論以及信號處理理論的不斷發(fā)展， 出現(xiàn)了以微處理器為核心、將繼電保護(hù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合形成的微機(jī)繼電保護(hù)裝置。

　　1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)采用雙CPU 結(jié)構(gòu)， 設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套由數(shù)字信號處理器56F807 加單片機(jī)W78E516 構(gòu)成的微機(jī)保護(hù)測控裝置。FREESCALE 數(shù)字信號處理器56F807 （ 此后簡稱為56F807 ） 作為主芯片完成信號采集、信號處理、保護(hù)和通訊等功能。該芯片具有A/D 轉(zhuǎn)換、開入和開出回路以及串行通訊口等功能， 信號輸入電壓為0 V~3 V， 轉(zhuǎn)換速度最快為每次同時(shí)掃描需要5.3 μs, 采集的路數(shù)、位數(shù)和速率完全滿*流采樣的要求。單片機(jī)W78E516 完成人機(jī)接口的所有功能。兩個(gè)模塊之間采用基于MODBUS 協(xié)議的RS -485 總線進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊。這種雙CPU 結(jié)構(gòu)具有并行工作、分工合作的優(yōu)點(diǎn)， 既保證了繼電保護(hù)的速動(dòng)性、選擇性、靈敏性和可靠性， 又實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)測量的高精度。通過CAN 總線實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控與調(diào)試。因此， 用戶可以根據(jù)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)靈活選用通訊接口方式。這樣真正實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)的智能保護(hù)、集中監(jiān)控和管理。該系統(tǒng)硬件框圖見圖1。按其功能分為兩大模塊： 由數(shù)據(jù)采集模塊、開入開出模塊、EEPROM 模塊和DSP 56F807 組成的保護(hù)模塊； 由CAN 總線和通過RS-485 總線連接的顯示電路組成的監(jiān)控模塊。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

　　1.1 保護(hù)模塊功能

　　保護(hù)模塊的主要功能是完成數(shù)據(jù)的采集、處理、計(jì)算、保護(hù)邏輯判斷和出口邏輯判斷及動(dòng)作。硬件電路圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)硬件連接圖

　　1.1.1 數(shù)據(jù)采集模塊

　　該系統(tǒng)的模擬量采集使用56F807 自帶的12 bit 、16通道的A/D 轉(zhuǎn)換器， 電壓和電流測量中采用定時(shí)采樣頻率為1 600 Hz ， 采樣間隔約為0.625 ms 。對于50 Hz 的工頻交流信號而言， 每個(gè)周波的采樣值為32 個(gè)點(diǎn)。外部電流及電壓輸入經(jīng)隔離互感器， 低通濾波器輸入至模數(shù)變換器， 進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換得到若干序列的離散采樣值， 然后通過Fourier 算法得到Ia、Ib、Ic、I0、Ua、Ub、Uc和U0的幅值。同時(shí)計(jì)算推導(dǎo)出電動(dòng)機(jī)的有功功率、無功功率、功率因數(shù)等參數(shù)。

　　1.1.2 開入開出模塊

　　開入開出模塊根據(jù)開發(fā)要求， 裝置設(shè)計(jì)了12 路開入量，12 路開出量。開入量用于電機(jī)啟動(dòng)、停機(jī)和報(bào)警狀態(tài)反饋等信息量的采集。12 路開出量， 主要用于各種故障的跳合閘和報(bào)警使用。本系統(tǒng)采用由8 個(gè)I/O 口發(fā)出4 個(gè)開出量信號以及通過8 bit 串行輸入， 串/并行輸出移位寄存器74HC595 控制8 組輸出控制8 個(gè)開出量。為了防止干擾引起的誤動(dòng)， 利用兩個(gè)關(guān)聯(lián)的I/O 口同時(shí)輸出不同電平時(shí)光耦動(dòng)作， 實(shí)現(xiàn)對開出信號的開放與閉鎖功能。當(dāng)開出條件滿足時(shí)， 開出量再經(jīng)過TIL113 光電耦離后輸出， 驅(qū)動(dòng)外部繼電器， 實(shí)現(xiàn)保護(hù)出口動(dòng)作。

　　1.1.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元模塊

　　X5043 芯片是美國XICOR 公司生產(chǎn)的集上電復(fù)位、“ 看門狗” 定時(shí)器、電壓監(jiān)控和串行E2PROM 四項(xiàng)功能于一體的專用集成芯片， 用以降低系統(tǒng)成本、節(jié)約電路板空間。X5043 中上電復(fù)位、“ 看門狗” 定時(shí)器、電源電壓監(jiān)控功能對系統(tǒng)可以起到保護(hù)作用；512×8 bit 的E2PROM可用來存儲(chǔ)系統(tǒng)內(nèi)的重要數(shù)據(jù)。

　　1.2 監(jiān)控模塊

　　1.2.1 CAN 通信模塊

　　當(dāng)前有很多微控制器將CAN 控制器嵌入到系統(tǒng)之中，DSP 56F807 內(nèi)部也集成有CAN 控制器， 它支持標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展信息幀， 外圍只需連接CAN 收發(fā)器即可以方便地將CAN 控制器連接到CAN 總線網(wǎng)絡(luò)上， 網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，實(shí)時(shí)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。

　　1.2.2 其他模塊

　　RS-485 通訊： 通訊采用485 主從網(wǎng)絡(luò)， 使用MAXIM公司生產(chǎn)的差分平衡性收/發(fā)器芯片MAX485 ，MAX485系列芯片采用半雙工通訊， 可以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)器件綜合保護(hù)的聯(lián)網(wǎng)功能。每個(gè)IC 芯片包含一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)接收器， 符合RS-485/RS-422 通訊標(biāo)準(zhǔn)。

　　6N137 光耦合器是一款用于單通道的高速光耦合器， 具有溫度、電流和電壓補(bǔ)償功能， 在本次設(shè)計(jì)中， 使用6N137 光耦合器將DSP 中TXD1 和RXD1 信號與TX和RX 隔離開。

　　顯示電路： 作為電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的顯示模塊， 本系統(tǒng)使用的LCD 是TG160128A1, 它已由制造商裝配好了液晶顯示驅(qū)動(dòng)， 并提供了驅(qū)動(dòng)電路的接口， 通過DSP56F807的I/O 口可以實(shí)現(xiàn)對LCD 的讀寫操作。

　　電源模塊：DSP 的工作電壓是3.3 V， 而開發(fā)板的供電電壓為5 V， 所以必須做一個(gè)5 V~3.3 V 電壓的轉(zhuǎn)換。

　　使用了AS1117M5 -33 芯片把5 V 電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V 電壓。數(shù)字電源和模擬電源之間用磁珠相連， 數(shù)字地和模擬地之間也用磁珠相連。模擬地和模擬電源之間連小電容， 數(shù)字地和數(shù)字電源之間也連小電容。

　　2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　在電機(jī)保護(hù)裝置中， 各檢測節(jié)點(diǎn)定期采集現(xiàn)場的電壓電流信號， 然后用傅里葉算法對采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理， 計(jì)算出電壓、電流的有效值和各次諧波分量值，并進(jìn)行幅值、相位、正負(fù)序等實(shí)時(shí)參數(shù)計(jì)算， 判斷得到的實(shí)時(shí)值是否超過限定值， 即判斷是否發(fā)生故障， 并通過CAN 總線將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)。

　　2.1 系統(tǒng)總體軟件

　　設(shè)計(jì)本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用的是模塊化設(shè)計(jì)， 分為三個(gè)部分： 初始化模塊、系統(tǒng)控制模塊和通信模塊。初始化模塊主要完成DSP 系統(tǒng)、外設(shè)部件， 以及系統(tǒng)管理方式的初始化等。由于電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)是實(shí)時(shí)性要求嚴(yán)格的系統(tǒng)，因而采用主程序模塊和中斷子程序模塊相結(jié)合的方法。

　　中斷子程序主要由保護(hù)模塊和通信模塊組成。主程序流程圖以及保護(hù)模塊流程圖如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)流程圖

　　2.2 各相電流、電壓幅值算法

　　由于56F807 芯片具有以下優(yōu)點(diǎn)： 在一個(gè)指令周期內(nèi)可以完成一次加法和一次乘法， 程序和數(shù)據(jù)空間分開， 可以同時(shí)訪問指令和數(shù)據(jù)、支持流水線操作， 使取址、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊進(jìn)行。另外其主頻極高，可以為在設(shè)計(jì)中采用復(fù)雜、精確的保護(hù)算法提供時(shí)間保證。故求取電流與電壓的幅值均采用付氏濾波算法。先求出付氏正、余弦系數(shù)， 再用平方、開方公式算出幅值。

　　設(shè)輸入電量為：

　　如有離散后一周波內(nèi)連續(xù)N 點(diǎn)采樣值Y1、Y2，Y3,Yn， 則可求出全周傅氏正、余弦函數(shù)如下：

　　式中：N 為一周波采樣點(diǎn)數(shù)，600 Hz 采樣頻率時(shí)，N=12。

　　k=1 時(shí)得到基波的正、余弦系數(shù)為：

　　然后依據(jù)（6） 式計(jì)算出幅值的精確值， 進(jìn)行準(zhǔn)確、可靠的故障判斷。

　　由（6）式對幅值的計(jì)算中有兩次平方和一次開方， 計(jì)算量比較大， 所以選用有著強(qiáng)大計(jì)算功能的DSP， 可以不用考慮時(shí)間問題而保證幅值的精確性， 從而保證了保護(hù)的可靠性。

　　2.3 負(fù)序電流算法的選擇

　　負(fù)序電流作為電機(jī)保護(hù)中一種判據(jù)， 在判斷是否有不對稱故障和不對稱故障的類型時(shí)， 有著非常重要的作用。由于選用的DSP 有著非常強(qiáng)大的處理數(shù)據(jù)的能力，可以考慮用軟件計(jì)算的方法替代硬件邏輯的方法， 不僅可能減少硬件的連接， 而且能夠提高整個(gè)保護(hù)的可靠性和精確性。

　　由于三相電流XA、XB、XC可以根據(jù)對稱分量法分解為正序、負(fù)序和零序三個(gè)分量， 而對稱分量負(fù)序與三相基波相量的關(guān)系為：

　　由于采樣率為每周12 點(diǎn)， 三相電流采樣瞬時(shí)值為XA（k）、XB （k）、XC （k）， 則通過快速負(fù)序算法， 實(shí)際中取瞬時(shí)負(fù)序電流為：

　　由（8） 式可以看出， 負(fù)序電流的瞬時(shí)值于A 相第k點(diǎn)采樣，B 相第k 和第k-4 點(diǎn)采樣值以及C 相的第k-4點(diǎn)采樣值有關(guān)， 利用電流幅值計(jì)算公式就可以精確計(jì)算出負(fù)序電流的幅值。

　　2.4 CAN 通訊模塊

　　在各種現(xiàn)場總線中，CAN 總線不僅具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。而且還具備很多其他總線不具備的特點(diǎn)：

　　（1） 由報(bào)文標(biāo)識符（11 bit 或者29 bit） 確定的總線訪問優(yōu)先級；（2） 采用非破壞性總線仲裁技術(shù)， 當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送信息時(shí)， 優(yōu)先級較低的節(jié)點(diǎn)會(huì)主動(dòng)退出發(fā)送，優(yōu)先級較高的節(jié)點(diǎn)可以不受影響；（3）采用的是短幀結(jié)構(gòu)， 傳輸時(shí)間短， 受干擾概率低，具有良好的檢錯(cuò)效果， 而且CAN 的每幀信息都有CRC校驗(yàn)， 保證了極低的數(shù)據(jù)出錯(cuò)率；（4） 在CAN 節(jié)點(diǎn)嚴(yán)重錯(cuò)誤的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出功能， 以使總線上其他節(jié)點(diǎn)的操作不受影響；（5）CAN 只需通過報(bào)文濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)。

　　每個(gè)發(fā)送緩沖區(qū)都有14 B 的寄存器結(jié)構(gòu)。這個(gè)寄存器結(jié)構(gòu)包括數(shù)據(jù)幀的標(biāo)識符、等待發(fā)送的數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)幀的長度和發(fā)送緩沖優(yōu)先級寄存器。

　　2.5 CRC 校驗(yàn)在56F807 中的算法實(shí)現(xiàn)

　　為了能夠?qū)⑿畔⒖煽靠焖俚募皶r(shí)的傳給對方， 考慮傳輸距離、現(xiàn)場狀況、干擾等諸多因素的影響， 一般在通信時(shí)采用數(shù)據(jù)校驗(yàn)的方法。循環(huán)冗余碼校驗(yàn)就是常見的校驗(yàn)方法之一。

　　循環(huán)冗余校驗(yàn)碼CRC（Cyclic Redundancy Check Code）是線性分組碼的分支， 是一種檢錯(cuò)能力很強(qiáng)的循環(huán)碼。

　　循環(huán)冗余校驗(yàn)對傳送數(shù)據(jù)作錯(cuò)誤檢測（Error Detecting） 是利用除法及余數(shù)的原理。編碼和解碼方法簡單， 容易實(shí)現(xiàn)， 檢錯(cuò)能力強(qiáng)， 誤判概率幾乎為零， 而且這種方法取得校驗(yàn)碼的方式具有很強(qiáng)的信息覆蓋能力， 是一種效率極高的錯(cuò)誤校驗(yàn)法。校驗(yàn)基本原理如圖4 所示。

圖4 CRC 校驗(yàn)基本原理圖

　　CRC 生產(chǎn)多項(xiàng)式G（x）由協(xié)議規(guī)定， 目前已有多種生產(chǎn)多項(xiàng)式列入國際標(biāo)準(zhǔn)中， 例如：

　　CRC-12 G（x）=x12+x11+x3+x2+x+1.

　　CRC-16 G（x） =x16 +x15 +x2 +1 等， 在本次設(shè)計(jì)中選用的是CRC-16 。

　　CRC 的編解碼用到模2 的多項(xiàng)式除法， 而多項(xiàng)式除法可以采用帶反饋的移位寄存器來實(shí)現(xiàn)， 因此， 用DSP來實(shí)現(xiàn)CRC 編解碼的關(guān)鍵是通過DSP 來模擬一個(gè)移位寄存器（也就是模擬手寫多項(xiàng)式除法）?？紤]到56F800 系列DSP 的累加器A 和B 均為32 bit ， 因此， 可以用一個(gè)32 bit 累加器A 作為移位寄存器。在CRC 的編碼和解碼中均涉及到碼的移位和異或操作， 這可以通過56F800 系列的LSR、LSL（ 邏輯移位） 和EOR（ 邏輯異或） 兩條指令來實(shí)現(xiàn)。CRC 校驗(yàn)的流程圖如圖5 所示。

圖5 CRC 校驗(yàn)流程圖

　　本設(shè)計(jì)是利用DSP56F807 芯片強(qiáng)大的功能， 配以外圍功能模塊， 實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)機(jī)的電流、電壓信號的整流、濾波并轉(zhuǎn)換為直流信號， 送到DSP 的A/D 口經(jīng)過保護(hù)算法， 判斷是否動(dòng)作、故障處理以及參數(shù)設(shè)置、液晶顯示，并且通過現(xiàn)場總線對網(wǎng)內(nèi)所有的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測、運(yùn)行控制、數(shù)據(jù)處理以及參數(shù)調(diào)整， 其功能是以前的簡單數(shù)字保護(hù)裝置無法相比的。通過對設(shè)計(jì)成的保護(hù)裝置樣機(jī)進(jìn)行調(diào)試和分析表明， 保護(hù)動(dòng)作正常， 其他相關(guān)保護(hù)測試都滿足相關(guān)要求， 初步驗(yàn)證了系統(tǒng)硬件部分和軟件部分設(shè)計(jì)的正確性。