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智能電動(dòng)機保護器系統設計

　　隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電機保護裝置逐漸使用了智能電動(dòng)機保護器。在國外，目前智能電動(dòng)機保護器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。智能電動(dòng)機保護器的優(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 系統硬件設計

　　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。

　　本系統采樣7路信號，所以使用兩片MAX126芯片，且都工作于A(yíng)組多路開(kāi)關(guān)、4路采樣，轉換時(shí)間為12ms。DSP和MAX126的接口電路如圖2所示[5]。通過(guò)不同的I/O操作就可以控制MAX126正常工作。

　　2.3 顯示電路

　　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)。

　　2.4 通訊電路

　　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。

　　各保護器和485總線(xiàn)的接口電路如圖5所示。MAX485芯片為RS485芯片，兩個(gè)控制端由DSP的兩個(gè)I/O口控制，另外由一個(gè)I/O口負責數據的傳輸方向的選擇。

　　2.5 保護動(dòng)作電路

　　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。

　　3 系統軟件設計

　　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。

　　4.2 中斷程序

　　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：

　　4.3 顯示程序

　　顯示部分的程序流程圖如圖9所示。

　　4.4 通訊程序

　　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

　　測試時(shí)電機電壓和電流的實(shí)際值為220V、10A，根據測量結果，A、B、C三相的電壓和電流測量精度都達到了要求。

　　5 結語(yǔ)

　　本文提出的基于TMS320LF2407的智能電動(dòng)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。智能電動(dòng)機保護器在電機保護中將有很好的應用前景。

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