基于DSP的智能電機(jī)保護(hù)器設(shè)計(jì)

前言

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，國內(nèi)也開始推廣[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)過載、輕載、不平衡、斷相、過壓和欠壓等常見故障具有綜合檢測(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：過載、堵轉(zhuǎn)、短路、輕載、不平衡、斷相、過壓、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、簡便適用的系統(tǒng)。

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)、無刷直流電機(jī)、開關(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。

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)。

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max485組建rs485通訊總線，pc機(jī)和rs485總線之間通過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)。

所有保護(hù)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(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)。

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)器通過檢測(cè)線路中的電流和電壓，經(jīng)計(jì)算、分析來實(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。

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：

顯示部分的程序流程圖如圖9所示。

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，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

5 結(jié)語

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。