基于DSP的智能電機保護器設計

       由于生產(chǎn)自動化及各種自動控制、順序控制設備的出現(xiàn)，要求電機經(jīng)常運行在頻繁的起動、制動、正反傳、間歇以及變負荷等各種方式。電機的運行要求越來越高。同時，由于電機與配套機械連在一起，當電機發(fā)生故障時，經(jīng)常波及生產(chǎn)系統(tǒng)。因此，對電機實行有效的保護是保證生產(chǎn)系統(tǒng)正常工作的一項重要任務。

       隨著科學技術的發(fā)展，電機保護裝置中逐漸使用了電子保護裝置。在國外，目前電子保護裝置已在電力系統(tǒng)和電機保護裝置中獲得了廣泛應用，國內(nèi)也開始推廣[1]。電子保護裝置的優(yōu)點是：基本上由靜止元件組成。它動作速度快，不存在機械位移和磨損，精度和壽命一般均比有觸點繼電器高，耐沖擊和振動，可靠性好。另外，電子電路動作功率小，靈敏度高。

       數(shù)字信號處理器(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)能實時進行頻譜分析。高速14位A/D轉(zhuǎn)換器MAX126帶多路開關和采樣保持器，非常適用電機信號的采集。為了實現(xiàn)對電機的可靠保護，提出了以TMS320LF2407的為核心，對過載、輕載、不平衡、斷相、過壓和欠壓等常見故障具有綜合檢測保護功能的智能電機保護器。

1 系統(tǒng)基本原理和設計思想

       電機運行中常常會出現(xiàn)不正常的運行狀態(tài)。這些不正常的運行狀態(tài)包括：過載、堵轉(zhuǎn)、短路、輕載、不平衡、斷相、過壓、欠壓和漏電。電機保護是在檢測三相電壓UA、UB、UC，三相電流IA、IB、IC和漏電流IL的基礎上做出的。具體過程如下：

       (1)  設置各個參數(shù)，由PC機發(fā)出控制信號；

       (2)  采樣三相電壓、三相電流和漏電流，得到實時值；

       (3)  利用FFT算法對數(shù)據(jù)進行處理和計算，得到三相電壓、電流的有效值、有功功率、無功功率以及功率因數(shù)；

       (4)  判斷電機是否處于不正常的運行狀態(tài)；

       (5)  通過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)中得到了充分的應用，加上少量的外圍器件，就構(gòu)成了一個功能完善、簡便適用的系統(tǒng)。

   
                圖1 硬件框圖

2 系統(tǒng)硬件設計
2.1 TMS320LF2407

       TMS320LF2407也稱為DSP控制器，是TI公司專門針對電機、逆變器、機器人、數(shù)控機床等控制而設計的[2-4]。TMS320LF2407采用高性能靜態(tài)CMOS技術，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時控制能力。它包括了兩個事件管理器模塊EVA和EVB，能夠?qū)崿F(xiàn)：三相反相器控制；PWM的對稱和非對稱波形；3個捕獲單元；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電機、無刷直流電機、開關磁阻電機、步進電機、多級電機和逆變器。

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，但只能同時采樣和轉(zhuǎn)換兩個輸入通道，不滿足電機監(jiān)控系統(tǒng)同時采樣多路的要求。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4個通道的信號同時采樣。

       本系統(tǒng)采樣7路信號，所以使用兩片MAX126芯片，且都工作于A組多路開關、4路采樣，轉(zhuǎn)換時間為12ms。DSP和MAX126的接口電路如圖2所示[5]。通過不同的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RD/WD分別由AT89S52的外部ROM讀寫控制信號RD/WD控制。CE是片選信號，由AT89S52的P2.7控制，低電平時選通。C/D為寄存器選擇信號，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)絡結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖4所示。各保護器通過MAX485組建RS485通訊總線，PC機和RS485總線之間通過RS232/RS485轉(zhuǎn)換卡連接。

       PC機的功能是提供良好的操作界面，允許管理者修改參數(shù)。管理者通過操作界面可以向各保護器發(fā)送控制命令。保護器可以接收主機的命令，根據(jù)命令驅(qū)動電氣設備的合閘或跳閘，以及測量各個電氣參數(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
       各保護器和485總線的接口電路如圖5所示。MAX485芯片為RS485芯片，兩個控制端由DSP的兩個I/O口控制，另外由一個I/O口負責數(shù)據(jù)的傳輸方向的選擇。

                      圖5 RS485接口電路

2.5  保護動作電路

       所有保護電路的執(zhí)行電路如圖6所示，主要是通過繼電器的通斷來完成。如果電機發(fā)生故障，則DSP芯片產(chǎn)生低電平，促使光耦導通，從而使繼電器動作，保護了電機。

                      圖6 保護電路

3 系統(tǒng)軟件設計
       有了硬件運行平臺，必須設計相應的軟件才能發(fā)揮其應用的功效。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。

       保護器DSP部分采用C語言編程，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

       智能電機保護器通過檢測線路中的電流和電壓，經(jīng)計算、分析來實現(xiàn)各種保護功能，并且實時顯示線路的參數(shù)和記錄故障狀態(tài)。

       本系統(tǒng)通過TMS320LF2407內(nèi)部定時器中斷啟動A/D轉(zhuǎn)換。設定初始采樣頻率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)送中斷請求信號到DSP的XINT1腳。控制程序的流程圖如圖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采樣數(shù)據(jù)。在電機保護系統(tǒng)中，一般存儲數(shù)據(jù)的下一步就是對各相的電壓和電流采樣值進行FFT分析，因此在存儲數(shù)據(jù)時要注意以下兩個問題：

       (1)  盡管電壓和電流采樣的數(shù)據(jù)是離散實數(shù)序列，但是進行FFT后，變成FFT復數(shù)序列，因而一般將A/D轉(zhuǎn)換后的電壓和電流實數(shù)序列看成虛部為零的復數(shù)序列，用連續(xù)的內(nèi)存空間存放復數(shù)，實部在前，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”的關系，所以為了簡化后續(xù)計算，在存儲采樣數(shù)據(jù)時一般采用“逆向進位加變址量”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機部分用Labview編程。Labview提供了功能強大的VISA（Virtual Instrument Software Architecture）庫，完成計算機與儀器之間的連接，用以實現(xiàn)對儀器的程序控制。

       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F0，如果是，就接收11個數(shù)據(jù)，然后判斷最后一個數(shù)據(jù)是否為0F，如果不是，丟棄這組數(shù)據(jù)，重新接收。

4 實驗結(jié)果
     系統(tǒng)測試的部分結(jié)果如表1所示。

        表1 參數(shù)檢測結(jié)果


     測試時電機電壓和電流的實際值為220V、10A，根據(jù)測量結(jié)果，A、B、C三相的電壓和電流測量精度都達到了要求。

5 結(jié)語
    本文提出的基于TMS320LF2407的智能電機保護器充分利用了DSP的資源，用少量的外圍器件構(gòu)成了一個功能完善、性能優(yōu)良的廉價實用系統(tǒng)，保證了生產(chǎn)系統(tǒng)可靠運行，為實現(xiàn)電機保護裝備低成本開發(fā)和更新?lián)Q代提供了一條切實可行的途徑。該保護器在電機保護中將有很好的應用前景。

參考文獻

[1]  黃  群，鄧  慧. 基于PIC16單片機的發(fā)電機保護裝置[J]. 計算機與數(shù)字工程, 2000, 28(5): 52-54.
[2] 劉和平，王維俊，江  渝等. TMS320LF240x DSP C語言開發(fā)應用[M]. 北京：北京航空航天大學出版社, 2003.
[3]  劉和平，嚴利平，張學鋒等. TMS320LF240x DSP結(jié)構(gòu)、原理及應用[M]. 北京：北京航空航天大學出版社, 2002.
[4]  章  云，謝莉萍，熊紅艷. DSP控制器及其應用[M]. 北京：機械工業(yè)出版社, 2001.
[5] 袁  春，袁國洲，喻壽益. DSP與MAX125/126在電力參數(shù)測量中的應用[J].電腦與信息技術, 2001, 1: 41-43.