基于DSP的智能電機保護器設計

前言

由于生產(chǎn)自動(dòng)化及各種自動(dòng)控制、順序控制設備的出現，要求電機經(jīng)常運行在頻繁的起動(dòng)、制動(dòng)、正反傳、間歇以及變負荷等各種方式。電機的運行要求越來(lái)越高。同時(shí)，由于電機與配套機械連在一起，當電機發(fā)生故障時(shí)，經(jīng)常波及生產(chǎn)系統。因此，對電機實(shí)行有效的保護是保證生產(chǎn)系統正常工作的一項重要任務(wù)。

隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電機保護裝置中逐漸使用了電子保護裝置。在國外，目前電子保護裝置已在電力系統和電機保護裝置中獲得了廣泛應用，國內也開(kāi)始推廣[1]。電子保護裝置的優(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。 數字信號處理器(dsp)具有流線(xiàn)型操作功能和單周期完成乘法的結構，由其組成的系統能實(shí)時(shí)進(jìn)行頻譜分析。高速14位a/d轉換器max126帶多路開(kāi)關(guān)和采樣保持器，非常適用電機信號的采集。為了實(shí)現對電機的可靠保護，提出了以tms320lf2407的為核心，對過(guò)載、輕載、不平衡、斷相、過(guò)壓和欠壓等常見(jiàn)故障具有綜合檢測保護功能的智能電機保護器。

1 系統基本原理和設計思想

電機運行中常常會(huì )出現不正常的運行狀態(tài)。這些不正常的運行狀態(tài)包括：過(guò)載、堵轉、短路、輕載、不平衡、斷相、過(guò)壓、欠壓和漏電。電機保護是在檢測三相電壓ua、ub、uc，三相電流ia、ib、ic和漏電流il的基礎上做出的。具體過(guò)程如下：

(1) 設置各個(gè)參數，由pc機發(fā)出控制信號；

(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算法對數據進(jìn)行處理和計算，得到三相電壓、電流的有效值、有功功率、無(wú)功功率以及功率因數；

(4) 判斷電機是否處于不正常的運行狀態(tài)；

(5) 通過(guò)rs-485接口把數據發(fā)送到顯示部分，顯示在lcd上。

系統的硬件框圖如圖1所示。cpu選用ti公司的tms320lf2407，其豐富的硬件資源在系統中得到了充分的應用，加上少量的外圍器件，就構成了一個(gè)功能完善、簡(jiǎn)便適用的系統。

2.1 tms320lf2407

tms320lf2407也稱(chēng)為dsp控制器，是ti公司專(zhuān)門(mén)針對電機、逆變器、機器人、數控機床等控制而設計的[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，能夠實(shí)現：三相反相器控制；pwm的對稱(chēng)和非對稱(chēng)波形；3個(gè)捕獲單元；16通道a/d轉換器。事件管理器模塊適用于控制交流感應電機、無(wú)刷直流電機、開(kāi)關(guān)磁阻電機、步進(jìn)電機、多級電機和逆變器。

2.2 tms320lf2407和max126的接口電路

tms320lf2407芯片內部雖然包含雙10位的a/d轉換模塊，但只能同時(shí)采樣和轉換兩個(gè)輸入通道，不滿(mǎn)足電機監控系統同時(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轉換芯片，4路同步采樣/保持器可以對4個(gè)通道的信號同時(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的數據總線(xiàn)db0~db7與at89s52的p0口相連。t6963c的讀寫(xiě)控制信號rd/wd分別由at89s52的外部rom讀寫(xiě)控制信號rd/wd控制。ce是片選信號，由at89s52的p2.7控制，低電平時(shí)選通。c/d為寄存器選擇信號，輸入低電平表示本次讀寫(xiě)的是數據；輸入高電平表示本次寫(xiě)的是命令，讀的是t6963c的狀態(tài)。

本系統采用總線(xiàn)型分布式網(wǎng)絡(luò )結構。網(wǎng)絡(luò )結構如圖4所示。各保護器通過(guò)max485組建rs485通訊總線(xiàn)，pc機和rs485總線(xiàn)之間通過(guò)rs232/rs485轉換卡連接。

pc機的功能是提供良好的操作界面，允許管理者修改參數。管理者通過(guò)操作界面可以向各保護器發(fā)送控制命令。保護器可以接收主機的命令，根據命令驅動(dòng)電氣設備的合閘或跳閘，以及測量各個(gè)電氣參數，并將電氣參數傳輸到顯示模塊顯示。

顯示部分使用lcd模塊顯示電氣參數。

所有保護電路的執行電路如圖6所示，主要是通過(guò)繼電器的通斷來(lái)完成。如果電機發(fā)生故障，則dsp芯片產(chǎn)生低電平，促使光耦導通，從而使繼電器動(dòng)作，保護了電機。

有了硬件運行平臺，必須設計相應的軟件才能發(fā)揮其應用的功效。由于軟件的靈活性，可以根據系統的要求隨意的更改、增減，所以系統的智能化程度很大部分取決于軟件結構是否合理，功能是否全面。

保護器dsp部分采用c語(yǔ)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

智能電機保護器通過(guò)檢測線(xiàn)路中的電流和電壓，經(jīng)計算、分析來(lái)實(shí)現各種保護功能，并且實(shí)時(shí)顯示線(xiàn)路的參數和記錄故障狀態(tài)。

本系統通過(guò)tms320lf2407內部定時(shí)器中斷啟動(dòng)a/d轉換。設定初始采樣頻率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轉換完成后，發(fā)送中斷請求信號到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采樣數據。在電機保護系統中，一般存儲數據的下一步就是對各相的電壓和電流采樣值進(jìn)行fft分析，因此在存儲數據時(shí)要注意以下兩個(gè)問(wèn)題：

(1) 盡管電壓和電流采樣的數據是離散實(shí)數序列，但是進(jìn)行fft后，變成fft復數序列，因而一般將a/d轉換后的電壓和電流實(shí)數序列看成虛部為零的復數序列，用連續的內存空間存放復數，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(jiǎn)化后續計算，在存儲采樣數據時(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機部分用labview編程。labview提供了功能強大的visa（virtual instrument software architecture）庫，完成計算機與儀器之間的連接，用以實(shí)現對儀器的程序控制。

at89s52從dsp接收數據，然后顯示在lcd上。相互之間通訊的規約為f0+10datas+0f，即先判斷是否得到起始信號f0，如果是，就接收11個(gè)數據，然后判斷最后一個(gè)數據是否為0f，如果不是，丟棄這組數據，重新接收。

4 實(shí)驗結果

系統測試的部分結果如表1所示。

表1 參數檢測結果

5 結語(yǔ)

本文提出的基于tms320lf2407的智能電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(gè)功能完善、性能優(yōu)良的廉價(jià)實(shí)用系統，保證了生產(chǎn)系統可靠運行，為實(shí)現電機保護裝備低成本開(kāi)發(fā)和更新?lián)Q代提供了一條切實(shí)可行的途徑。該保護器在電機保護中將有很好的應用前景。