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智能電動機保護器系統設計
隨著科學技術的發展，電機保護裝置逐漸使用了智能電動機保護器。在(zai)國外，目前智(zhi)能電(dian)(dian)動(dong)機保(bao)護器(qi)已在(zai)電(dian)(dian)力(li)系統和(he)(he)電(dian)(dian)機保(bao)護裝置中獲(huo)得了廣泛應(ying)用，國內(nei)也開始推廣。智(zhi)能電(dian)(dian)動(dong)機保(bao)護器(qi)的優(you)點是：基(ji)本上由(you)靜止元(yuan)件組成。它動(dong)作速度(du)快，不(bu)存在(zai)機械位移和(he)(he)磨損，精度(du)和(he)(he)壽(shou)命一般均比有(you)觸點繼電(dian)(dian)器(qi)高，耐沖擊和(he)(he)振(zhen)動(dong)，可(ke)靠性好(hao)。另外，電(dian)(dian)子(zi)電(dian)(dian)路動(dong)作功(gong)率(lv)小，靈敏度(du)高。
數字信號處理器(qi)(DSP)具有流線型(xing)操作(zuo)功能和單周期完成乘法的結構，由其組成的系統能實時
進行頻譜分析。高速14位A/D轉換器MAX126帶多路開關和采樣保持器，非常(chang)適用電(dian)機(ji)信號的(de)采集。為了實現對電(dian)機(ji)的(de)可靠保護(hu)，提出了以TMS320LF2407的(de)為核心，對過載、輕(qing)載、不平衡(heng)、斷相(xiang)、過壓(ya)和欠(qian)壓(ya)等常(chang)見故(gu)障(zhang)具有綜合檢測保護(hu)功(gong)能的(de)智能電(dian)機(ji)保護(hu)器。
1 系統基本原理和設計思想
電機運(yun)(yun)行(xing)(xing)中常(chang)常(chang)會出(chu)現不正常(chang)的運(yun)(yun)行(xing)(xing)狀態(tai)。這(zhe)些不正常(chang)的運(yun)(yun)行(xing)(xing)狀態(tai)包括(kuo)：過(guo)載(zai)、堵轉、短路(lu)、輕載(zai)、不平(ping)衡、斷相(xiang)、過(guo)壓、欠(qian)壓和(he)(he)漏(lou)電。電機保護是在檢(jian)測(ce)三(san)相(xiang)電壓UA、UB、UC，三(san)相(xiang)電流IA、IB、IC和(he)(he)漏(lou)電流IL的基礎上(shang)做出(chu)的。具體過(guo)程如下：
(1) 設置各(ge)個參數，由PC機(ji)發(fa)出控制(zhi)信號;
(2) 采樣三(san)相電壓、三(san)相電流和(he)漏電流，得(de)到實時值;
(3) 利用FFT算(suan)法對數(shu)據進行處理和計算(suan)，得到三相電壓、電流(liu)的有效值(zhi)、有功功率(lv)(lv)、無功功率(lv)(lv)以及功率(lv)(lv)因數(shu);
(4) 判斷電機是否處(chu)于不正常的運行狀態;
(5) 通過RS-485接(jie)口把數據(ju)發送到(dao)顯(xian)示部分，顯(xian)示在LCD上。
系(xi)統(tong)的硬(ying)件(jian)框圖(tu)如(ru)圖(tu)1所示(shi)。CPU選用(yong)(yong)TI公司的TMS320LF2407，其豐(feng)富的硬(ying)件(jian)資源在(zai)系(xi)統(tong)中得到(dao)了充分的應用(yong)(yong)，加上(shang)少量(liang)的外圍器件(jian)，就構成了一個(ge)功能完善(shan)、簡便(bian)適用(yong)(yong)的系(xi)統(tong)。
2 系統硬件設計
2.1 TMS320LF2407
TMS320LF2407也稱(cheng)為DSP控(kong)制(zhi)(zhi)器(qi)(qi)，是TI公司專門針對(dui)電(dian)(dian)(dian)機(ji)、逆變器(qi)(qi)、機(ji)器(qi)(qi)人、數控(kong)機(ji)床等控(kong)制(zhi)(zhi)而(er)設計的(de)(de)[2-4]。TMS320LF2407采用高(gao)(gao)性能(neng)靜態CMOS技術(shu)，使得(de)供(gong)電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)壓降為3.3V，減小了控(kong)制(zhi)(zhi)器(qi)(qi)的(de)(de)功(gong)耗;30MIPS的(de)(de)執行速度(du)使得(de)指(zhi)令周期(qi)縮短到33ns(30MHZ)，從(cong)而(er)提高(gao)(gao)了控(kong)制(zhi)(zhi)器(qi)(qi)的(de)(de)實時控(kong)制(zhi)(zhi)能(neng)力。它包(bao)括了兩個事件管理器(qi)(qi)模(mo)塊(kuai)EVA和(he)EVB，能(neng)夠(gou)實現：三相反相器(qi)(qi)控(kong)制(zhi)(zhi);PWM的(de)(de)對(dui)稱(cheng)和(he)非對(dui)稱(cheng)波形;3個捕獲單元;16通道A/D轉換器(qi)(qi)。事件管理器(qi)(qi)模(mo)塊(kuai)適用于(yu)控(kong)制(zhi)(zhi)交流感應電(dian)(dian)(dian)機(ji)、無(wu)刷直流電(dian)(dian)(dian)機(ji)、開(kai)關磁阻電(dian)(dian)(dian)機(ji)、步進電(dian)(dian)(dian)機(ji)、多級電(dian)(dian)(dian)機(ji)和(he)逆變器(qi)(qi)。
2.2 TMS320LF2407和MAX126的接口電路
TMS320LF2407芯(xin)(xin)片內(nei)部(bu)雖然包含雙(shuang)10位的(de)(de)A/D轉(zhuan)換(huan)模塊，但只能同時采樣(yang)和轉(zhuan)換(huan)兩個輸入通(tong)道，不(bu)滿足電機監控(kong)系統同時采樣(yang)多路的(de)(de)要求。MAX126是MAXIM公司生產(chan)的(de)(de)高速14位逐(zhu)次比較(jiao)型A/D轉(zhuan)換(huan)芯(xin)(xin)片，4路同步(bu)采樣(yang)/保持器可(ke)以對4個通(tong)道的(de)(de)信(xin)號(hao)同時采樣(yang)。
本系統采樣7路(lu)(lu)信號，所(suo)以使用(yong)兩(liang)片MAX126芯(xin)片，且都工(gong)(gong)作(zuo)于A組多路(lu)(lu)開關、4路(lu)(lu)采樣，轉換(huan)時間(jian)為12ms。DSP和MAX126的接口電路(lu)(lu)如圖2所(suo)示[5]。通過不(bu)同的I/O操作(zuo)就可以控制(zhi)MAX126正(zheng)常工(gong)(gong)作(zuo)。
2.3 顯示電路
顯示電路(lu)以AT89S52為(wei)核心，液晶顯示模(mo)塊采(cai)用MGLS240128T，接口電路(lu)如(ru)圖3所示。
液晶顯示(shi)模塊控制(zhi)器T6963C的(de)(de)(de)數據(ju)總(zong)線DB0~DB7與(yu)AT89S52的(de)(de)(de)P0口(kou)相連。T6963C的(de)(de)(de)讀寫(xie)控制(zhi)信(xin)號(hao)RD/WD分(fen)別由AT89S52的(de)(de)(de)外部ROM讀寫(xie)控制(zhi)信(xin)號(hao)RD/WD控制(zhi)。CE是(shi)片選(xuan)信(xin)號(hao)，由AT89S52的(de)(de)(de)P2.7控制(zhi)，低電平時(shi)選(xuan)通。C/D為寄存器選(xuan)擇信(xin)號(hao)，輸入低電平表示(shi)本(ben)次(ci)讀寫(xie)的(de)(de)(de)是(shi)數據(ju);輸入高電平表示(shi)本(ben)次(ci)寫(xie)的(de)(de)(de)是(shi)命令，讀的(de)(de)(de)是(shi)T6963C的(de)(de)(de)狀態(tai)。
2.4 通訊電路
本(ben)系統采(cai)用(yong)總(zong)線型分布式網(wang)絡結構。網(wang)絡結構如(ru)圖4所示。各保護器通過MAX485組建RS485通訊總(zong)線，PC機和RS485總(zong)線之間通過RS232/RS485轉換卡連接(jie)。
PC機(ji)的(de)(de)功能是(shi)提供良好的(de)(de)操作界(jie)面(mian)，允許管理(li)者修(xiu)改參(can)數(shu)。管理(li)者通過操作界(jie)面(mian)可(ke)以(yi)向各(ge)(ge)保護器(qi)發(fa)送控制命(ming)(ming)令(ling)。保護器(qi)可(ke)以(yi)接收主機(ji)的(de)(de)命(ming)(ming)令(ling)，根據命(ming)(ming)令(ling)驅動電氣設備(bei)的(de)(de)合閘或(huo)跳閘，以(yi)及測量各(ge)(ge)個電氣參(can)數(shu)，并將(jiang)電氣參(can)數(shu)傳輸到顯示模塊顯示。
顯示(shi)部分使(shi)用LCD模塊顯示(shi)電氣參數(shu)。
各保護器和485總線(xian)的(de)(de)接口電路如圖5所(suo)示(shi)。MAX485芯(xin)(xin)片為RS485芯(xin)(xin)片，兩個控(kong)(kong)制端由(you)DSP的(de)(de)兩個I/O口控(kong)(kong)制，另外由(you)一個I/O口負責數據的(de)(de)傳輸方向的(de)(de)選擇。
2.5 保護動作電路
所有(you)保(bao)(bao)護電(dian)路的(de)執行電(dian)路如圖6所示，主要是通過繼(ji)電(dian)器(qi)的(de)通斷來(lai)完成。如果(guo)電(dian)機(ji)(ji)發生故障，則DSP芯片產生低電(dian)平，促使光(guang)耦(ou)導通，從而使繼(ji)電(dian)器(qi)動作(zuo)，保(bao)(bao)護了電(dian)機(ji)(ji)。
3 系統軟件設計
有了硬(ying)件運行平臺，必(bi)須設(she)計相應的軟件才能(neng)發揮(hui)其應用的功(gong)效。由于軟件的靈(ling)活性，可以根據系(xi)(xi)統的要求(qiu)隨(sui)意的更改、增減，所以系(xi)(xi)統的智(zhi)能(neng)化程度很大部分取決于軟件結構(gou)是否合理(li)，功(gong)能(neng)是否全面。
保護器DSP部分(fen)采用(yong)C語言編(bian)程(cheng)，控制軟件主要由控制程(cheng)序、顯示程(cheng)序、通訊程(cheng)序等組成。
4.1 控制程序
智能(neng)(neng)電機 保護(hu)器(qi)通過檢測線路中的電流和電壓，經計算(suan)、分析來實現各種保護(hu)功能(neng)(neng)，并且實時顯示線路的參(can)數(shu)和記錄故(gu)障狀態(tai)。
本(ben)系統通過TMS320LF2407內部定(ding)時器中(zhong)(zhong)斷啟動A/D轉換。設(she)定(ding)初始(shi)采樣(yang)(yang)頻(pin)率2.56KHz，則采樣(yang)(yang)間(jian)隔 390.625ms，即390.635ms觸發一(yi)次A/D。MAX126的(de)(de)12路A/D轉換完成后，發送中(zhong)(zhong)斷請求(qiu)信號到DSP的(de)(de)XINT1腳(jiao)。控(kong)制程(cheng)序的(de)(de)流程(cheng)圖(tu)(tu)如(ru)圖(tu)(tu)7所示。
4.2 中斷程序
中斷程序的(de)功能是采樣(yang)(yang)和存(cun)儲采樣(yang)(yang)數據。在電機保護系(xi)統中，一(yi)般存(cun)儲數據的(de)下一(yi)步就是對各相(xiang)的(de)電壓和電流(liu)采樣(yang)(yang)值進行FFT分析，因此(ci)在存(cun)儲數據時要注意以(yi)下兩個(ge)問題：
(1) 盡管(guan)電(dian)壓和電(dian)流(liu)采(cai)樣的(de)(de)(de)數(shu)(shu)據是離散實(shi)數(shu)(shu)序列(lie)(lie)，但(dan)是進行FFT后(hou)，變成(cheng)FFT復(fu)數(shu)(shu)序列(lie)(lie)，因而一般將(jiang)A/D轉換后(hou)的(de)(de)(de)電(dian)壓和電(dian)流(liu)實(shi)數(shu)(shu)序列(lie)(lie)看成(cheng)虛部(bu)為零的(de)(de)(de)復(fu)數(shu)(shu)序列(lie)(lie)，用連續(xu)的(de)(de)(de)內(nei)存空間存放(fang)復(fu)數(shu)(shu)，實(shi)部(bu)在(zai)前，虛部(bu)在(zai)后(hou)。
(2) FFT的(de)輸(shu)入和(he)輸(shu)出序(xu)列(lie)存(cun)在“正(zheng)序(xu)—逆(ni)序(xu)”或者(zhe)“逆(ni)序(xu)—正(zheng)序(xu)”的(de)關系，所以為(wei)了(le)簡化(hua)后續計(ji)算，在存(cun)儲采樣(yang)數據(ju)時(shi)一般采用(yong)“逆(ni)向進位(wei)加變址量(liang)”的(de)間接尋(xun)址方(fang)式，DSP中的(de)指令為(wei)*BR0+。
中(zhong)斷部分的(de)程序流(liu)程圖如(ru)圖8所示：
4.3 顯示程序
顯示部分的程序流程圖如圖9所示。
4.4 通訊程序
通訊部分主要是兩部分組成的(de)：
1、PC和DSP之間的485通訊;
2、DSP和AT89S52之間的RS485通訊。
PC機部(bu)分用Labview編程(cheng)。Labview提供了功能強大的(de)VISA(Virtual Instrument Software Architecture)庫，完(wan)成計算機與儀器之間的(de)連(lian)接，用以實現(xian)對儀器的(de)程(cheng)序控制。
AT89S52從(cong)DSP接收數據(ju)，然(ran)后(hou)顯示(shi)在LCD上。相互之(zhi)間通訊的規(gui)約(yue)為F0+10datas+0F，即先判斷是(shi)否得到起始信號F0，如果是(shi)，就接收11個數據(ju)，然(ran)后(hou)判斷最后(hou)一個數據(ju)是(shi)否為0F，如果不(bu)是(shi)，丟棄這組數據(ju)，重新接收。
4 實驗結果
系統測試的(de)部分結(jie)果如表1所示。
表(biao)1 參數(shu)檢測結果
測試時電(dian)(dian)機電(dian)(dian)壓(ya)和電(dian)(dian)流的實際(ji)值為220V、10A，根據測量結果，A、B、C三相的電(dian)(dian)壓(ya)和電(dian)(dian)流測量精(jing)度都達到了要(yao)求。
5 結語
本文提出的基于TMS320LF2407的智能電動機保護器充分利用了DSP的資源，用少量的外圍器件構成了一個功能完善、性能優良的廉價實用系統，保證了生產系統可靠運行，為實現電機保護裝備低成本開發和更新換代提供了一條切實可行的途徑。智能電動機保護器在電機保護(hu)中將有很好的應用前景。
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