基于CAN總線的電動機保護裝置的設計

摘 要： 對三相異步電動機保護系統的硬件及軟件實現進行了研究，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。而現場總線技術把專用微處理器置于測量控制設備中，把單個分散的測量控制設備變成網絡節(jié)點，將其連接成可以相互溝通信息、共同完成控制任務的網絡系統。在算法上由于DSP有強大的數據處理能力，對瞬時電壓、電流和負序電流的幅值進行精確的計算而不需考慮時間的問題，用軟件計算的方法替代硬件邏輯，減少硬件資源的浪費。
關鍵詞： 數字信號處理器； 微處理器； 電機控制； 現場總線

電動機是各行各業(yè)應用最為廣泛的動力設備，但由于在使用過程中保護力度不夠，經常出現以下問題：裝置功效低下，保護裝置經常出現拒動從而使電動機燒毀，由于誤動而跳閘。近年來，隨著計算機技術、自動控制理論以及信號處理理論的不斷發(fā)展，出現了以微處理器為核心、將繼電保護與計算機技術相結合形成的微機繼電保護裝置。

1 系統硬件設計
系統采用雙CPU結構，設計并實現了一套由數字信號處理器56F807加單片機W78E516構成的微機保護測控裝置。FREESCALE數字信號處理器56F807（此后簡稱為56F807）作為主芯片完成信號采集、信號處理、保護和通訊等功能。該芯片具有A/D轉換、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，轉換速度最快為每次同時掃描需要5.3 μs,采集的路數、位數和速率完全滿足交流采樣的要求。單片機W78E516完成人機接口的所有功能。兩個模塊之間采用基于MODBUS協議的RS-485總線進行實時通訊。這種雙CPU結構具有并行工作、分工合作的優(yōu)點，既保證了繼電保護的速動性、選擇性、靈敏性和可靠性，又實現了實時測量的高精度。通過CAN總線實現遠程的實時監(jiān)控與調試。因此，用戶可以根據現場網絡靈活選用通訊接口方式。這樣真正實現了電動機的智能保護、集中監(jiān)控和管理。該系統硬件框圖見圖1。按其功能分為兩大模塊：由數據采集模塊、開入開出模塊、EEPROM模塊和DSP 56F807組成的保護模塊;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。

1.1 保護模塊功能
保護模塊的主要功能是完成數據的采集、處理、計算、保護邏輯判斷和出口邏輯判斷及動作。硬件電路圖如圖2所示。

1.1.1 數據采集模塊
該系統的模擬量采集使用56F807自帶的12 bit、16通道的A/D轉換器，電壓和電流測量中采用定時采樣頻率為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，每個周波的采樣值為32個點。外部電流及電壓輸入經隔離互感器，低通濾波器輸入至模數變換器，進行A/D轉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。同時計算推導出電動機的有功功率、無功功率、功率因數等參數。

1.1.2 開入開出模塊
開入開出模塊根據開發(fā)要求,裝置設計了12路開入量，12路開出量。開入量用于電機啟動、停機和報警狀態(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警使用。本系統采用由8個I/O口發(fā)出4個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個開出量。為了防止干擾引起的誤動，利用兩個關聯的I/O口同時輸出不同電平時光耦動作，實現對開出信號的開放與閉鎖功能。當開出條件滿足時，開出量再經過TIL113光電耦離后輸出，驅動外部繼電器，實現保護出口動作。

1.1.3 數據存儲單元模塊
X5043芯片是美國XICOR公司生產的集上電復位、“看門狗”定時器、電壓監(jiān)控和串行E2PROM四項功能于一體的專用集成芯片，用以降低系統成本、節(jié)約電路板空間。X5043中上電復位、“看門狗”定時器、電源電壓監(jiān)控功能對系統可以起到保護作用；512×8 bit的E2PROM可用來存儲系統內的重要數據。

1.2 監(jiān)控模塊
1.2.1 CAN通信模塊
當前有很多微控制器將CAN控制器嵌入到系統之中，DSP 56F807內部也集成有CAN控制器，它支持標準和擴展信息幀，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總線網絡上，網絡上任一節(jié)點均可在任意時刻主動向網絡上其他節(jié)點發(fā)送信息，實時接收和發(fā)送數據。

1.2.2 其他模塊
RS-485通訊:通訊采用485主從網絡，使用MAXIM公司生產的差分平衡性收/發(fā)器芯片MAX485，MAX485系列芯片采用半雙工通訊，可以實現多臺器件綜合保護的聯網功能。每個IC芯片包含一個驅動器和一個接收器，符合RS-485/RS-422通訊標準。

6N137光耦合器是一款用于單通道的高速光耦合器，具有溫度、電流和電壓補償功能，在本次設計中，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:作為電機保護系統的顯示模塊，本系統使用的LCD是TG160128A1,它已由制造商裝配好了液晶顯示驅動，并提供了驅動電路的接口,通過DSP56F807的I/O口可以實現對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5 V~3.3 V電壓的轉換。使用了AS1117M5-33芯片把5 V電壓轉換為3.3 V電壓。數字電源和模擬電源之間用磁珠相連，數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，數字地和數字電源之間也連小電容。