摘要： 對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的硬件及軟件實(shí)現(xiàn)進(jìn)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(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)把專用微處理器置于測(cè)量控制設(shè)備中， 把單個(gè)分散的測(cè)量控制設(shè)備變成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)， 將其連接成可以相互溝通信息、共同完成控制任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在算法上由于DSP 有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，對(duì)瞬時(shí)電壓、電流和負(fù)序電流的幅值進(jìn)行精確的計(jì)算而不需考慮時(shí)間的問(wèn)題， 用軟件計(jì)算的方法替代硬件邏輯， 減少硬件資源的浪費(fèi)。
電動(dòng)機(jī)是各行各業(yè)應(yīng)用最為廣泛的動(dòng)力設(shè)備， 但由于在使用過(guò)程中保護(hù)力度不夠， 經(jīng)常出現(xiàn)以下問(wèn)題： 裝置功效低下， 保護(hù)裝置經(jīng)常出現(xiàn)拒動(dòng)從而使電動(dòng)機(jī)燒毀， 由于誤動(dòng)而跳閘。近年來(lái)， 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制理論以及信號(hào)處理理論的不斷發(fā)展， 出現(xiàn)了以微處理器為核心、將繼電保護(hù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合形成的微機(jī)繼電保護(hù)裝置。
1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)采用雙CPU 結(jié)構(gòu)， 設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套由數(shù)字信號(hào)處理器56F807 加單片機(jī)W78E516 構(gòu)成的微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置。FREESCALE 數(shù)字信號(hào)處理器56F807 （ 此后簡(jiǎn)稱為56F807 ） 作為主芯片完成信號(hào)采集、信號(hào)處理、保護(hù)和通訊等功能。該芯片具有A/D 轉(zhuǎn)換、開(kāi)入和開(kāi)出回路以及串行通訊口等功能， 信號(hào)輸入電壓為0 V~3 V， 轉(zhuǎn)換速度最快為每次同時(shí)掃描需要5.3 μs, 采集的路數(shù)、位數(shù)和速率完全滿*流采樣的要求。單片機(jī)W78E516 完成人機(jī)接口的所有功能。兩個(gè)模塊之間采用基于MODBUS 協(xié)議的RS -485 總線進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊。這種雙CPU 結(jié)構(gòu)具有并行工作、分工合作的優(yōu)點(diǎn)， 既保證了繼電保護(hù)的速動(dòng)性、選擇性、靈敏性和可靠性， 又實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)測(cè)量的高精度。通過(guò)CAN 總線實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控與調(diào)試。因此， 用戶可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)靈活選用通訊接口方式。這樣真正實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)的智能保護(hù)、集中監(jiān)控和管理。該系統(tǒng)硬件框圖見(jiàn)圖1。按其功能分為兩大模塊： 由數(shù)據(jù)采集模塊、開(kāi)入開(kāi)出模塊、EEPROM 模塊和DSP 56F807 組成的保護(hù)模塊； 由CAN 總線和通過(guò)RS-485 總線連接的顯示電路組成的監(jiān)控模塊。
圖1 系統(tǒng)硬件框圖
1.1 保護(hù)模塊功能
保護(hù)模塊的主要功能是完成數(shù)據(jù)的采集、處理、計(jì)算、保護(hù)邏輯判斷和出口邏輯判斷及動(dòng)作。硬件電路圖如圖2 所示。
圖2 系統(tǒng)硬件連接圖
1.1.1 數(shù)據(jù)采集模塊
該系統(tǒng)的模擬量采集使用56F807 自帶的12 bit 、16通道的A/D 轉(zhuǎn)換器， 電壓和電流測(cè)量中采用定時(shí)采樣頻率為1 600 Hz ， 采樣間隔約為0.625 ms 。對(duì)于50 Hz 的工頻交流信號(hào)而言， 每個(gè)周波的采樣值為32 個(gè)點(diǎn)。外部電流及電壓輸入經(jīng)隔離互感器， 低通濾波器輸入至模數(shù)變換器， 進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換得到若干序列的離散采樣值， 然后通過(guò)Fourier 算法得到Ia、Ib、Ic、I0、Ua、Ub、Uc和U0的幅值。同時(shí)計(jì)算推導(dǎo)出電動(dòng)機(jī)的有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)等參數(shù)。
1.1.2 開(kāi)入開(kāi)出模塊
開(kāi)入開(kāi)出模塊根據(jù)開(kāi)發(fā)要求， 裝置設(shè)計(jì)了12 路開(kāi)入量，12 路開(kāi)出量。開(kāi)入量用于電機(jī)啟動(dòng)、停機(jī)和報(bào)警狀態(tài)反饋等信息量的采集。12 路開(kāi)出量， 主要用于各種故障的跳合閘和報(bào)警使用。本系統(tǒng)采用由8 個(gè)I/O 口發(fā)出4 個(gè)開(kāi)出量信號(hào)以及通過(guò)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(gè)開(kāi)出量。為了防止干擾引起的誤動(dòng)， 利用兩個(gè)關(guān)聯(lián)的I/O 口同時(shí)輸出不同電平時(shí)光耦動(dòng)作， 實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)出信號(hào)的開(kāi)放與閉鎖功能。當(dāng)開(kāi)出條件滿足時(shí)， 開(kāi)出量再經(jīng)過(guò)TIL113 光電耦離后輸出， 驅(qū)動(dòng)外部繼電器， 實(shí)現(xiàn)保護(hù)出口動(dòng)作。
1.1.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元模塊
X5043 芯片是美國(guó)XICOR 公司生產(chǎn)的集上電復(fù)位、“ 看門狗” 定時(shí)器、電壓監(jiān)控和串行E2PROM 四項(xiàng)功能于一體的專用集成芯片， 用以降低系統(tǒng)成本、節(jié)約電路板空間。X5043 中上電復(fù)位、“ 看門狗” 定時(shí)器、電源電壓監(jiān)控功能對(duì)系統(tǒng)可以起到保護(hù)作用；512×8 bit 的E2PROM可用來(lái)存儲(chǔ)系統(tǒng)內(nèi)的重要數(shù)據(jù)。
1.2 監(jiān)控模塊
1.2.1 CAN 通信模塊
當(dāng)前有很多微控制器將CAN 控制器嵌入到系統(tǒng)之中，DSP 56F807 內(nèi)部也集成有CAN 控制器， 它支持標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)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(wǎng)絡(luò)上， 網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，實(shí)時(shí)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。
1.2.2 其他模塊
RS-485 通訊： 通訊采用485 主從網(wǎng)絡(luò)， 使用MAXIM公司生產(chǎn)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(shí)現(xiàn)多臺(tái)器件綜合保護(hù)的聯(lián)網(wǎng)功能。每個(gè)IC 芯片包含一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)接收器， 符合RS-485/RS-422 通訊標(biāo)準(zhǔn)。
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(bǔ)償功能， 在本次設(shè)計(jì)中， 使用6N137 光耦合器將DSP 中TXD1 和RXD1 信號(hào)與TX和RX 隔離開(kāi)。
顯示電路： 作為電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的顯示模塊， 本系統(tǒng)使用的LCD 是TG160128A1, 它已由制造商裝配好了液晶顯示驅(qū)動(dòng)， 并提供了驅(qū)動(dòng)電路的接口， 通過(guò)DSP56F807的I/O 口可以實(shí)現(xiàn)對(duì)LCD 的讀寫操作。
電源模塊：DSP 的工作電壓是3.3 V， 而開(kāi)發(fā)板的供電電壓為5 V， 所以必須做一個(gè)5 V~3.3 V 電壓的轉(zhuǎn)換。
使用了AS1117M5 -33 芯片把5 V 電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V 電壓。數(shù)字電源和模擬電源之間用磁珠相連， 數(shù)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(shù)字地和數(shù)字電源之間也連小電容。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
在電機(jī)保護(hù)裝置中， 各檢測(cè)節(jié)點(diǎn)定期采集現(xiàn)場(chǎng)的電壓電流信號(hào)， 然后用傅里葉算法對(duì)采集來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理， 計(jì)算出電壓、電流的有效值和各次諧波分量值，并進(jìn)行幅值、相位、正負(fù)序等實(shí)時(shí)參數(shù)計(jì)算， 判斷得到的實(shí)時(shí)值是否超過(guò)限定值， 即判斷是否發(fā)生故障， 并通過(guò)CAN 總線將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)。
2.1 系統(tǒng)總體軟件
設(shè)計(jì)本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用的是模塊化設(shè)計(jì)， 分為三個(gè)部分： 初始化模塊、系統(tǒng)控制模塊和通信模塊。初始化模塊主要完成DSP 系統(tǒng)、外設(shè)部件， 以及系統(tǒng)管理方式的初始化等。由于電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)是實(shí)時(shí)性要求嚴(yán)格的系統(tǒng)，因而采用主程序模塊和中斷子程序模塊相結(jié)合的方法。
中斷子程序主要由保護(hù)模塊和通信模塊組成。主程序流程圖以及保護(hù)模塊流程圖如圖3 所示。
圖3 系統(tǒng)流程圖
2.2 各相電流、電壓幅值算法
由于56F807 芯片具有以下優(yōu)點(diǎn)： 在一個(gè)指令周期內(nèi)可以完成一次加法和一次乘法， 程序和數(shù)據(jù)空間分開(kāi)， 可以同時(shí)訪問(wèn)指令和數(shù)據(jù)、支持流水線操作， 使取址、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊進(jìn)行。另外其主頻極高，可以為在設(shè)計(jì)中采用復(fù)雜、精確的保護(hù)算法提供時(shí)間保證。故求取電流與電壓的幅值均采用付氏濾波算法。先求出付氏正、余弦系數(shù)， 再用平方、開(kāi)方公式算出幅值。
設(shè)輸入電量為：
如有離散后一周波內(nèi)連續(xù)N 點(diǎn)采樣值Y1、Y2，Y3,Yn， 則可求出全周傅氏正、余弦函數(shù)如下：
式中：N 為一周波采樣點(diǎn)數(shù)，600 Hz 采樣頻率時(shí)，N=12。
k=1 時(shí)得到基波的正、余弦系數(shù)為：
然后依據(jù)（6） 式計(jì)算出幅值的精確值， 進(jìn)行準(zhǔn)確、可靠的故障判斷。
由（6）式對(duì)幅值的計(jì)算中有兩次平方和一次開(kāi)方， 計(jì)算量比較大， 所以選用有著強(qiáng)大計(jì)算功能的DSP， 可以不用考慮時(shí)間問(wèn)題而保證幅值的精確性， 從而保證了保護(hù)的可靠性。
2.3 負(fù)序電流算法的選擇
負(fù)序電流作為電機(jī)保護(hù)中一種判據(jù)， 在判斷是否有不對(duì)稱故障和不對(duì)稱故障的類型時(shí)， 有著非常重要的作用。由于選用的DSP 有著非常強(qiáng)大的處理數(shù)據(jù)的能力，可以考慮用軟件計(jì)算的方法替代硬件邏輯的方法， 不僅可能減少硬件的連接， 而且能夠提高整個(gè)保護(hù)的可靠性和精確性。
由于三相電流XA、XB、XC可以根據(jù)對(duì)稱分量法分解為正序、負(fù)序和零序三個(gè)分量， 而對(duì)稱分量負(fù)序與三相基波相量的關(guān)系為：
由于采樣率為每周12 點(diǎn)， 三相電流采樣瞬時(shí)值為XA（k）、XB （k）、XC （k）， 則通過(guò)快速負(fù)序算法， 實(shí)際中取瞬時(shí)負(fù)序電流為：
由（8） 式可以看出， 負(fù)序電流的瞬時(shí)值于A 相第k點(diǎn)采樣，B 相第k 和第k-4 點(diǎn)采樣值以及C 相的第k-4點(diǎn)采樣值有關(guān)， 利用電流幅值計(jì)算公式就可以精確計(jì)算出負(fù)序電流的幅值。
2.4 CAN 通訊模塊
在各種現(xiàn)場(chǎng)總線中，CAN 總線不僅具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。而且還具備很多其他總線不具備的特點(diǎn)：
（1） 由報(bào)文標(biāo)識(shí)符（11 bit 或者29 bit） 確定的總線訪問(wèn)優(yōu)先級(jí)；（2） 采用非破壞性總線仲裁技術(shù)， 當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送信息時(shí)， 優(yōu)先級(jí)較低的節(jié)點(diǎn)會(huì)主動(dòng)退出發(fā)送，優(yōu)先級(jí)較高的節(jié)點(diǎn)可以不受影響；（3）采用的是短幀結(jié)構(gòu)， 傳輸時(shí)間短， 受干擾概率低，具有良好的檢錯(cuò)效果， 而且CAN 的每幀信息都有CRC校驗(yàn)， 保證了極低的數(shù)據(jù)出錯(cuò)率；（4） 在CAN 節(jié)點(diǎn)嚴(yán)重錯(cuò)誤的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出功能， 以使總線上其他節(jié)點(diǎn)的操作不受影響；（5）CAN 只需通過(guò)報(bào)文濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)。
每個(gè)發(fā)送緩沖區(qū)都有14 B 的寄存器結(jié)構(gòu)。這個(gè)寄存器結(jié)構(gòu)包括數(shù)據(jù)幀的標(biāo)識(shí)符、等待發(fā)送的數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度和發(fā)送緩沖優(yōu)先級(jí)寄存器。
2.5 CRC 校驗(yàn)在56F807 中的算法實(shí)現(xiàn)
為了能夠?qū)⑿畔⒖煽靠焖俚募皶r(shí)的傳給對(duì)方， 考慮傳輸距離、現(xiàn)場(chǎng)狀況、干擾等諸多因素的影響， 一般在通信時(shí)采用數(shù)據(jù)校驗(yàn)的方法。循環(huán)冗余碼校驗(yàn)就是常見(jiàn)的校驗(yàn)方法之一。
循環(huán)冗余校驗(yàn)碼CRC（Cyclic Redundancy Check Code）是線性分組碼的分支， 是一種檢錯(cuò)能力很強(qiáng)的循環(huán)碼。
循環(huán)冗余校驗(yàn)對(duì)傳送數(shù)據(jù)作錯(cuò)誤檢測(cè)（Error Detecting） 是利用除法及余數(shù)的原理。編碼和解碼方法簡(jiǎn)單， 容易實(shí)現(xiàn)， 檢錯(cuò)能力強(qiáng)， 誤判概率幾乎為零， 而且這種方法取得校驗(yàn)碼的方式具有很強(qiáng)的信息覆蓋能力， 是一種效率極高的錯(cuò)誤校驗(yàn)法。校驗(yàn)基本原理如圖4 所示。
圖4 CRC 校驗(yàn)基本原理圖
CRC 生產(chǎn)多項(xiàng)式G（x）由協(xié)議規(guī)定， 目前已有多種生產(chǎn)多項(xiàng)式列入國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中， 例如：
CRC-12 G（x）=x12+x11+x3+x2+x+1.
CRC-16 G（x） =x16 +x15 +x2 +1 等， 在本次設(shè)計(jì)中選用的是CRC-16 。
CRC 的編解碼用到模2 的多項(xiàng)式除法， 而多項(xiàng)式除法可以采用帶反饋的移位寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)， 因此， 用DSP來(lái)實(shí)現(xiàn)CRC 編解碼的關(guān)鍵是通過(guò)DSP 來(lái)模擬一個(gè)移位寄存器（也就是模擬手寫多項(xiàng)式除法）。考慮到56F800 系列DSP 的累加器A 和B 均為32 bit ， 因此， 可以用一個(gè)32 bit 累加器A 作為移位寄存器。在CRC 的編碼和解碼中均涉及到碼的移位和異或操作， 這可以通過(guò)56F800 系列的LSR、LSL（ 邏輯移位） 和EOR（ 邏輯異或） 兩條指令來(lái)實(shí)現(xiàn)。CRC 校驗(yàn)的流程圖如圖5 所示。
圖5 CRC 校驗(yàn)流程圖
本設(shè)計(jì)是利用DSP56F807 芯片強(qiáng)大的功能， 配以外圍功能模塊， 實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的電流、電壓信號(hào)的整流、濾波并轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)， 送到DSP 的A/D 口經(jīng)過(guò)保護(hù)算法， 判斷是否動(dòng)作、故障處理以及參數(shù)設(shè)置、液晶顯示，并且通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線對(duì)網(wǎng)內(nèi)所有的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、運(yùn)行控制、數(shù)據(jù)處理以及參數(shù)調(diào)整， 其功能是以前的簡(jiǎn)單數(shù)字保護(hù)裝置無(wú)法相比的。通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)成的保護(hù)裝置樣機(jī)進(jìn)行調(diào)試和分析表明， 保護(hù)動(dòng)作正常， 其他相關(guān)保護(hù)測(cè)試都滿足相關(guān)要求， 初步驗(yàn)證了系統(tǒng)硬件部分和軟件部分設(shè)計(jì)的正確性。