基于TMS320F2407芯片和P89C52單片機實現(xiàn)中高壓固態(tài)軟起動器的設計

1、引 言

控制網(wǎng)絡的出現(xiàn)，導致了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的深刻變革，信息技術(shù)的飛速發(fā)展，使得控制系統(tǒng)逐步演化成全分布式的網(wǎng)絡集成式控制系統(tǒng)，即現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）。PROFIBUS-DP總線技術(shù)是FCS中的新技術(shù)，將PROFI-BUS-DP總線技術(shù)運用于電力電子技術(shù)產(chǎn)品正是順應這一形勢發(fā)展的新潮流。本文介紹了PROFIBUS-DP總線中中高壓電動機固態(tài)軟起動器的實現(xiàn)和應用，將中高壓固態(tài)軟起動器開發(fā)成PROFIBUS-DP總線中的一個智能從站，徹底解決了傳統(tǒng)中高壓固態(tài)軟起動器單獨控制中高壓電動機，其信息不能反饋到上位機，而構(gòu)成“信息孤島”的現(xiàn)狀。

2、 PROFIBUS-DP技術(shù)簡介

PROFIBUS-DP是PROFIBUS（FMS，DP，PA）3部分組成中的重要部分，PROFIBUS協(xié)議基礎為ISO/OSI的網(wǎng)絡參考模型。在PROFIBUS-DP中沒有第3層至第7層，直接數(shù)據(jù)鏈路映像（DDLM）為用戶接口提供第2層功能映像。物理層（第1層）采用EIARS-485雙絞線或光纜，連接器采用按RS 485標準制定的9針D型插座。數(shù)據(jù)鏈路層（第2層）提供了介質(zhì)存取控制功能，數(shù)據(jù)的完整性檢查以及傳輸執(zhí)行的協(xié)議稱為FDL，采用混合介質(zhì)存取協(xié)議，對應于DIN（E）19245，支持單主或多主系統(tǒng)、主或從設備。PROFIBUS-DP中主站間采用令牌環(huán)方式和從站間的主一從方式。主站的令牌方式使得得到令牌的站點可在一個事先規(guī)定的時間段內(nèi)獲得總線控制權(quán)，主站與從站之間的數(shù)據(jù)交換，要求盡可能快并且擁有總線控制權(quán)時可以與從站通信，每一個主站均可向從站發(fā)送及索取信息。這種組態(tài)提供了最短的總線周期，系統(tǒng)的開放性好，第三方的系統(tǒng)也能連到PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線，可進行模塊化擴展，能適合各種生產(chǎn)設備的規(guī)模和要求，保證了高的靈活性。PROFIBUS-DP的綜合診斷功能能夠?qū)收峡焖俣ㄎ?，總線上從站的故障不影響其他站的數(shù)據(jù)通信量，在操作期間，I/O站和其他現(xiàn)場器件可以被激活或禁活。本文的中高壓固態(tài)軟起動器為PROFIBUS-DP總線中的一個智能從站。

3、 中高壓軟起動器簡介

中高壓電動機固態(tài)軟起動裝置［3］中，弱電部分采用DSP作為控制芯片、單片機作為管理芯片、SPC3作為通信芯片；高壓部分由幾組串/并聯(lián)的可控硅、真空接觸器、電壓互感器和電流互感器構(gòu)成。其中DSP中產(chǎn)生的PWM觸發(fā)脈沖經(jīng)光纖通過儲能管和短路變壓器實現(xiàn)高壓側(cè)脈沖變壓器對晶閘管的觸發(fā)；為了確保每相中多組（一對反并聯(lián)可控硅串聯(lián)）可控硅分壓均衡，每組可控硅并聯(lián)一組動、靜態(tài)均壓板。軟起動器起動時，控制器DSP控制真空接觸器接通，通過控制可控硅的導通角，使電機按-定的斜率逐漸增加電壓，平穩(wěn)起動；當達到額定轉(zhuǎn)速時加上全電壓，同時旁路真空接觸器接通，然后關閉可控硅觸發(fā)信號停止可控硅供電。電機起動完畢。之后，軟起動器繼續(xù)監(jiān)視電機的運行狀態(tài)，并提供多種故障保護。其適用對象主要是鼠籠式異步中高壓電動機的起動、運行和停止的控制與保護。其負載主要為風機、離心泵、空氣壓縮機、皮帶輸送機、破碎機、攪拌機等。軟起動器的起動、運行、停止均可通過PROFIBUS-DP總線由上位機控制和顯示，在PROFIBUS-DP總線中，中高壓固態(tài)軟起動器作為一個智能從站參入系統(tǒng)組態(tài)。

4 、系統(tǒng)硬件的配置

QB-H系列中高壓軟起動器將晶閘管、DSP、PROFI-BUS-DP總線有機地聯(lián)系起來。

具體分析：P89C52通過UART口與TMS320F2407芯片進行控制、顯示信號的通信，同時與SPC3芯片的P0口進行通信和讀寫DG-2064顯示模塊。SPC3芯片中使用Intel模式和同步模式，因其內(nèi)部有地址解碼電路，故不要外部地址鎖存器，SPC3的AB0～AB4與P89C52的P2口相連，其中AB4與P2.7相連避免了與P89C52內(nèi)的RAM沖突。P89C52的P1.6，P1.7對SPC3和DG2064進行片選。為防止程序跑飛而采用7705芯片作為看門狗。SPC3通過光耦、RS 485總線驅(qū)動構(gòu)成PROFIBUS-DP頭。

5、 系統(tǒng)軟件設計

由于PROFIBUS-DP的通信協(xié)議由SPC3芯片完成，系統(tǒng)程序主要包括SPC3初始化程序、中斷程序、具體狀態(tài)的顯示程序與DSP的通信程序。

SPC3初始化程序主要包括：設置SPC3允許的中斷、從站地址識別號、方式寄存器、診斷緩沖區(qū)、參數(shù)緩沖區(qū)、配置緩沖區(qū)、地址緩沖區(qū)，PRM報文、CFG報文、SSA報文、初始化數(shù)據(jù)長度、初始化用戶數(shù)據(jù)長度，設定輸入、輸出緩沖區(qū)指針、診斷緩沖區(qū)指針、CFG緩沖區(qū)指針、PRM緩沖區(qū)指針等。

與SPC3通信的程序全部用中斷實現(xiàn)，這種方式對實時通信要求較高的系統(tǒng)比較實用。

6 、應用分析

在中高壓軟起動器的DP頭的開發(fā)過程中，硬件設計上由于控制量多、運算速度快、實時性強，故使用TMS320F2407作為控制芯片，P89C52單片機作為管理芯片，SPC3作為PROFIBUS-DP協(xié)議轉(zhuǎn)化芯片，運用雙CPU（DSP、P89C52）將控制與管理分開，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性；在軟件設計上，考慮到系統(tǒng)通信的實時性要求較高，故與SPC3通信有關的程序全部用中斷實現(xiàn)。

在長沙奧托技術(shù)開發(fā)中心，利用PLC作為主站、PC機（監(jiān)控軟件為winCC）作為監(jiān)控機、中高壓電動機固態(tài)軟起動器作為從站，電機型號為增安型無刷勵磁同步電動機（電壓6 000 V、電流445.5 A、容量4 000 kW、轉(zhuǎn)速300 r/min）），勵磁機（電壓181 V、電流192 A、容量60 kVA、轉(zhuǎn)速300 r/min）；通過PROFIBUS-DP總線，在WinCC監(jiān)控界面得到了中高壓電動機軟起動（負載為空載）過程中電動機的電流的波形。

實際使用表明，該系統(tǒng)運行良好，實時性控制強，PROFIBUS-DP通信快速、穩(wěn)定、可靠。