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、節約電路板空間。X5043中上電復位、“看門狗”定時器、電源電壓監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，網絡上任一節點均可在任意時刻主動向網絡上其他節點發送信息，實時接收和發送數據。
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。
2 系統軟件設計
    在電機保護裝置中，各檢測節點定期采集現場的電壓電流信號，然后用傅里葉算法對采集來的數據進行分析處理，計算出電壓、電流的有效值和各次諧波分量值，并進行幅值、相位、正負序等實時參數計算，判斷得到的實時值是否超過限定值，即判斷是否發生故障，并通過CAN總線將數據發送到上位機。
2.1 系統總體軟件設計
    本系統軟件設計采用的是模塊化設計，分為三個部分：初始化模塊、系統控制模塊和通信模塊。初始化模塊主要完成DSP系統、外設部件，以及系統管理方式的初始化等。由于電機保護系統是實時性要求嚴格的系統，因而采用主程序模塊和中斷子程序模塊相結合的方法。中斷子程序主要由保護模塊和通信模塊組成。主程序流程圖以及保護模塊流程圖如圖3所示。

2.2 各相電流、電壓幅值算法
    由于56F807芯片具有以下優點：在一個指令周期內可以完成一次加法和一次乘法，程序和數據空間分開，可以同時訪問指令和數據、支持流水線操作，使取址、譯碼和執行等操作可以重疊進行。另外其主頻極高，可以為在設計中采用復雜、精確的保護算法提供時間保證。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，再用平方、開方公式算出幅值。設輸入電量為：

    由(6)式對幅值的計算中有兩次平方和一次開方，計算量比較大，所以選用有著強大計算功能的DSP，可以不用考慮時間問題而保證幅值的精確性，從而保證了保護的可靠性。
2.3 負序電流算法的選擇
    負序電流作為電機保護中一種判據，在判斷是否有不對稱故障和不對稱故障的類型時，有著非常重要的作用。由于選用的DSP有著非常強大的處理數據的能力，可以考慮用軟件計算的方法替代硬件邏輯的方法，不僅可能減少硬件的連接，而且能夠提高整個保護的可靠性和精確性。


    由(8)式可以看出，負序電流的瞬時值于A相第k點采樣，B相第k和第k-4點采樣值以及C相的第k-4點采樣值有關，利用電流幅值計算公式就可以精確計算出負序電流的幅值。
2.4 CAN通訊模塊
    在各種現場總線中，CAN總線不僅具有突出的可靠性、實時性和靈活性。而且還具備很多其他總線不具備的特點：
    (1)由報文標識符(11 bit或者29 bit)確定的總線訪問優先級；
    (2)采用非破壞性總線仲裁技術,當兩個節點同時向總線發送信息時,優先級較低的節點會主動退出發送，優先級較高的節點可以不受影響；
    (3)采用的是短幀結構，傳輸時間短，受干擾概率低，具有良好的檢錯效果，而且CAN的每幀信息都有CRC校驗，保證了極低的數據出錯率；
    (4)在CAN節點嚴重錯誤的情況下具有自動關閉輸出功能，以使總線上其他節點的操作不受影響；
    (5)CAN只需通過報文濾波即可實現點對點、一點對多點及全局廣播等幾種方式傳送接收數據。
    每個發送緩沖區都有14 B的寄存器結構。這個寄存器結構包括數據幀的標識符、等待發送的數據、發送數據幀的長度和發送緩沖優先級寄存器。
2.5 CRC校驗在56F807中的算法實現
　 為了能夠將信息可靠快速的及時的傳給對方，考慮傳輸距離、現場狀況、干擾等諸多因素的影響，一般在通信時采用數據校驗的方法。循環冗余碼校驗就是常見的校驗方法之一。
    循環冗余校驗碼CRC(Cyclic Redundancy Check Code)是線性分組碼的分支，是一種檢錯能力很強的循環碼。循環冗余校驗對傳送數據作錯誤檢測(Error Detecting)是利用除法及余數的原理。編碼和解碼方法簡單，容易實現，檢錯能力強，誤判概率幾乎為零，而且這種方法取得校驗碼的方式具有很強的信息覆蓋能力，是一種效率極高的錯誤校驗法。校驗基本原理如圖4所示。

　　CRC生產多項式G(x)由協議規定，目前已有多種生產多項式列入國際標準中，例如：
　　CRC-12 G(x)=x12+x11+x3+x2+x+1
　　CRC-16 G(x)=x16+x15+x2+1等，在本次設計中選用的是CRC-16。
    CRC的編解碼用到模2的多項式除法，而多項式除法可以采用帶反饋的移位寄存器來實現，因此，用DSP來實現CRC編解碼的關鍵是通過DSP來模擬一個移位寄存器(也就是模擬手寫多項式除法)。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56F800系列的LSR、LSL(邏輯移位)和EOR(邏輯異或)兩條指令來實現。CRC校驗的流程圖如圖5所示。

    本設計是利用DSP56F807芯片強大的功能，配以外圍功能模塊，實現對電動機的電流、電壓信號的整流、濾波并轉換為直流信號，送到DSP的A/D口經過保護算法,判斷是否動作、故障處理以及參數設置、液晶顯示，并且通過現場總線對網內所有的電動機進行狀態實時監測、運行控制、數據處理以及參數調整，其功能是以前的簡單數字保護裝置無法相比的。通過對設計成的保護裝置樣機進行調試和分析表明，保護動作正常，其他相關保護測試都滿足相關要求，初步驗證了系統硬件部分和軟件部分設計的正確性。
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