楊磊 黃金霖

(安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241002)

1 電機(jī)微機(jī)保護(hù)平臺設(shè)計思路

電動機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、持久耐用等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用到化工、冶煉、發(fā)電廠等重要場所。據(jù)統(tǒng)計，電力系統(tǒng)中70%的電能是由電動機(jī)消耗的。電動機(jī)因短路、過負(fù)荷、斷湘、堵轉(zhuǎn)等各種運(yùn)行故障，全國每年約造成30萬臺次電動機(jī)嚴(yán)重?zé)龤?，給企業(yè)造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因此，對電動機(jī)保護(hù)領(lǐng)域的研究具有十分重要的意義[1]。目前，運(yùn)用在工業(yè)領(lǐng)域中的微機(jī)綜合保護(hù)裝置具有配置要求多樣化、批量小、品種多等的特點(diǎn)，國際一些知名品牌的微機(jī)綜合保護(hù)裝置的生產(chǎn)廠家的做法是開發(fā)一套統(tǒng)一的硬件平臺，配備不同的保護(hù)原理以及保護(hù)算法軟件，來實(shí)現(xiàn)不同類型、不同要求的保護(hù)。本篇通過對電動機(jī)微機(jī)保護(hù)裝置深入分析與研究，設(shè)計一種基于DSP為硬件平臺的電動機(jī)微機(jī)保護(hù)測控系統(tǒng)。系統(tǒng)以TI公司生產(chǎn)的TMS320F2812為核心處理器，兼有單片機(jī)和數(shù)字處理器的特點(diǎn)，具有很好的嵌入式控制功能，以及強(qiáng)大的運(yùn)算處理能力和高性價比的特點(diǎn)。本微機(jī)保護(hù)平臺硬件和軟件設(shè)計均采用模塊化設(shè)計思路，以電機(jī)保護(hù)功能為設(shè)計指標(biāo)，各模塊單元均采用了自頂向下，分層設(shè)計的方法，系統(tǒng)具有自動化程度高、抗干擾能力強(qiáng)、反應(yīng)迅速、可靠性高等特點(diǎn)。

2 微機(jī)保護(hù)平臺硬件設(shè)計

電機(jī)微機(jī)保護(hù)平臺的核心是模塊化，把整個硬件平臺分成不同的單元模塊，對其中某個模塊進(jìn)行修改時，不會影響到另外模塊的正常工作。本著模塊化的設(shè)計思路，電動機(jī)微機(jī)綜合保護(hù)平臺采用通用硬件平臺結(jié)構(gòu)，硬件部分主要包括主控開發(fā)板模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、通信模塊、時鐘模塊、儲存模塊、開關(guān)量輸入模塊開關(guān)量輸出模塊、電源模塊等。

2.1 主控開發(fā)板模塊設(shè)計

主控開發(fā)板模塊主要負(fù)責(zé)運(yùn)算及保護(hù)邏輯判斷，是系統(tǒng)的核心部分，數(shù)據(jù)采集模塊對電機(jī)的診斷信號進(jìn)行采集；通信模塊負(fù)責(zé)與平臺外設(shè)備的通信；開關(guān)量輸入模塊主要完成外部開入量的輸入功能，開關(guān)量輸出模塊完成外部開入量的輸出功能；電源模塊為平臺提供24 V,12 V, 5 V的穩(wěn)壓的直流電源。圖1 電動機(jī)微機(jī)保護(hù)裝置通用硬件平臺的結(jié)構(gòu)圖。

工作原理如下：電流、電壓轉(zhuǎn)換成小電壓信號，由低通濾波和信號調(diào)理后，輸入32位DSP處理器的A/D采樣部件， 進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，開關(guān)量經(jīng)過光隔由DSP的輸入輸出端口(GPIO)采集，處理器開始邏輯運(yùn)算，并記錄和錄波。DSP通過GPIO端口進(jìn)行人機(jī)界面交互處理。

2.2 控制器CPU的選擇

為了滿足電動機(jī)實(shí)時性要求，數(shù)據(jù)處理部分采用的CPU為TI公司生產(chǎn)的32位DSP(TMS320F2812)來完成[2]。具有很好的嵌入式控制功能，以及強(qiáng)大的運(yùn)算處理能力和高性價比的特點(diǎn)。TMS320F2812內(nèi)核結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖1 電動機(jī)微機(jī)保護(hù)裝置通用硬件平臺的結(jié)構(gòu)圖

圖2 TMS320F2812內(nèi)核結(jié)構(gòu)圖

電動機(jī)微機(jī)保護(hù)裝置的保護(hù)單元設(shè)計要求外設(shè)接口設(shè)計靈活，便于微機(jī)保護(hù)平臺的擴(kuò)展和升級。做到總線不出芯片，即平臺外設(shè)接口與保護(hù)單元CPU都是通過串行方式實(shí)現(xiàn)的，既可以克服布線維護(hù)不方便的缺點(diǎn)，又可以克服并行接口抗干擾差的缺點(diǎn)，提高微機(jī)保護(hù)平臺的可靠性。微機(jī)保護(hù)平臺CPU具體外設(shè)分配如圖3所示。

圖3 微機(jī)保護(hù)平臺CPU外設(shè)分配圖

2.3 RTC時鐘電路設(shè)計

微機(jī)保護(hù)平臺需隨時記錄一些重要數(shù)據(jù)對電動機(jī)保護(hù)狀態(tài)分析以及正常工作具有重要的意義，按照系統(tǒng)總線不出芯片原則，微機(jī)保護(hù)平臺采用I2C總線接口的FM33256日歷時鐘芯片，芯片含帶鎖定的64位可編程串行數(shù)據(jù)區(qū)快速SPI接口，總線頻率16 MHz，可通過SPI接口控制RTC，SPI模式0&3(CPOL,CPHA=0,0&1,1)，工作電壓：2.7～3.6 V，待機(jī)電流：50 μA ，工作溫度：-40～+85 ℃；RTC時鐘電路原理圖如圖4所示。

圖4 RTU時鐘電路原理圖

2.4 存儲器電路設(shè)計

TMS320F2812內(nèi)部集成存儲器，如果只采用內(nèi)部存儲器，每次更新數(shù)據(jù)時都需要重新下載新的數(shù)據(jù)，會帶來很大的不便，本微機(jī)保護(hù)平臺采用外部擴(kuò)展的E2PROM用來存儲電動機(jī)各種保護(hù)定值、電動機(jī)基本參數(shù)、電動機(jī)故障信息等，針對不同的電動機(jī)，保護(hù)參數(shù)值各有不同，而且保護(hù)定值隨時需要更新，必要時又可方便地改寫定值。本微機(jī)保護(hù)平臺的E2PROM存儲器選擇I2C總線的IS61LV25616AL芯片。存儲器的電路原理圖如圖5所示。

圖5 存儲器電路原理圖

2.5 信號數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計

數(shù)據(jù)的采集是系統(tǒng)正常工作的前提，信號采集是利用芯片中ADC模塊來實(shí)現(xiàn)的，其數(shù)據(jù)采集功能強(qiáng)大。電路的工作原理是對電壓、電流互感器采集的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并輸入系統(tǒng)。信號數(shù)據(jù)采集電路原理圖如圖6所示，信號經(jīng)過了低通濾波電路，濾去高頻干擾信號，緊接著通過由LF412CD構(gòu)成的電壓跟隨器，來保證電路前后兩級的完全隔離。

圖6 信號數(shù)據(jù)采集電路原理圖

2.6 通訊單元模塊的設(shè)計

為適應(yīng)微機(jī)保護(hù)平臺對網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通訊功能的要求，需要對原有傳統(tǒng)的通信技術(shù)及時進(jìn)行創(chuàng)新改進(jìn)，本微機(jī)保護(hù)平臺的通訊模塊單元設(shè)計了RS-485總線通信接口和CAN總線通信接口[3]。

2.6.1 RS-485總線通訊模塊的設(shè)計

RS-485接口是通過差分方式進(jìn)行傳輸?shù)?，抗共模干擾能力較強(qiáng)，在共模電壓小于-7 V和大于+12 V情況下，將大大超過RS-485接收器的極限接收電壓，接收器就會出現(xiàn)故障不能正常運(yùn)行，如果處理不及時，將會導(dǎo)致芯片和儀器設(shè)備嚴(yán)重?zé)龤?。基于這種原因，系統(tǒng)通過DC-DC方式，使VDD與VCC485為不共地的電源，將系統(tǒng)電源和RS-485電源隔離；從根本上徹底消除共模電壓的對其產(chǎn)生的影響[4]。 RS-485總線通訊電路原理圖如7所示。

2.6.2 CAN總線通訊模塊的設(shè)計

TMS320F2812具有比較完整的CAN2.0B通信協(xié)議，為減小CPU通訊成本，增加CAN通訊總線節(jié)點(diǎn)，這樣就需要在處理器與CAN通訊總線之間增設(shè)驅(qū)動回路，電平切換得到很好兼容。本系統(tǒng)采用PHILIPS公司的PCA82C250芯片(圖8 CAN總線通訊電路原理圖中已包含此芯片)，用此驅(qū)動芯片來實(shí)現(xiàn)CAN總線通訊節(jié)點(diǎn)。CAN總線通訊電路原理圖如圖8所示，滿足“ISO 11898”標(biāo)準(zhǔn)，具有總線自動保護(hù)、抗電磁干擾、降低射頻干擾、熱保護(hù)、高速、低電流待機(jī)模式等特點(diǎn)。

圖7 RS-485總線通訊電路原理圖

圖8 CAN總線通訊電路原理圖

2.7 開關(guān)量I/O模塊設(shè)計

開關(guān)量I/0模塊由輸出模塊和輸入模塊構(gòu)成，是微機(jī)保護(hù)平臺和外部設(shè)備的組成。微機(jī)保護(hù)平臺需要開關(guān)量輸入和輸出。如斷路器的“合閘”或“分閘”狀態(tài)，控制信號的“有”或“無”狀態(tài)等。微機(jī)保護(hù)平臺需要確定開關(guān)量的狀態(tài)才能正確動作。

2.7.1 開關(guān)量輸入回路設(shè)計

輸入回路的組成分為隔離開關(guān)、斷路器和接地開關(guān)或分合閘位置的繼電器，外部設(shè)備閘閉鎖開關(guān)節(jié)，保護(hù)裝置上連接片投與退回路。開關(guān)量輸入模塊單元原理圖如圖9示，圖表示出了開關(guān)量的輸入系統(tǒng)。當(dāng)外部接點(diǎn)閉合時，光電耦合器TLP521-4中的二極管內(nèi)流過驅(qū)動電流，二極管發(fā)光驅(qū)動三極管導(dǎo)通，輸出低電平。外接點(diǎn)斷開光電耦合器TLP521-4中的二極管內(nèi)不流過驅(qū)動電流，二極管不發(fā)光，三極管截止，從而高電平輸出。通過輸出電平的高低，CPU經(jīng)過測量后得出外部開關(guān)量的狀態(tài)。

圖9 開關(guān)量輸入電路原理圖

圖10 開關(guān)量輸出電路原理圖

2.7.2 開關(guān)量輸出回路設(shè)計

開關(guān)量輸出相比開關(guān)量的輸入更加重要，在微機(jī)綜合保護(hù)裝置中，開關(guān)量輸出狀態(tài)是執(zhí)行系統(tǒng)保護(hù)的重要途徑。開關(guān)量輸出回路的作用是為了能夠正確地發(fā)出開關(guān)量操作命令，并在微機(jī)保護(hù)裝置內(nèi)外部之間加以電氣上的隔離，以保證減少內(nèi)部電子元件受到外部的干擾。開關(guān)量輸出模塊單元原理圖如圖10所示，如保護(hù)裝置驅(qū)使輸出開關(guān)量接點(diǎn)閉合，需在控制端回路中輸入一個低電平，使驅(qū)動電流流過光電耦合器二極管，光電耦合器二極管發(fā)光，驅(qū)動三極管導(dǎo)通，繼電器閉合，輸出開關(guān)量[5]。

2.8 電源模塊的設(shè)計

電源模塊采用逆變型開關(guān)電源，提供24 V、15 V、5 V三組穩(wěn)壓型電源。24 V為繼電器、跳閘、啟動及信號提電，15 V為模數(shù)變換和運(yùn)算放大器供電，5 V為CPU等芯片提電。三組均采用浮空式離地方式，輸入電壓使用雙LC濾波措施，抗干擾能力強(qiáng)。三組電源輸出端各設(shè)有控制開關(guān)和指示信號燈[6]。如圖11電源模塊圖所示。

圖11 電源模塊圖

3 保護(hù)類型設(shè)定

通過對電動機(jī)微機(jī)保護(hù)原理的分析研究，依托數(shù)字信號處理器(DSP)的強(qiáng)大的運(yùn)算能力和控制能力，檢測電機(jī)運(yùn)行過程中的出現(xiàn)各種故障類型，系統(tǒng)保護(hù)共設(shè)定十種類型，能較為全面地對電機(jī)運(yùn)行進(jìn)行多種保護(hù)。

(1)速斷保護(hù)：速斷保護(hù)是通過判斷流過其自身電流值大小來實(shí)現(xiàn)速度保護(hù)的[7]。

(2)過流保護(hù)：過流保護(hù)以起動電流或堵轉(zhuǎn)電流為整定對象，對電動機(jī)運(yùn)行中的堵轉(zhuǎn)和長時間啟動不起來提供保護(hù)。

(3)正序過流保護(hù)：過流保護(hù)在電機(jī)啟動結(jié)束后才會投入，有投退定值控制保護(hù)的投退。

(4)負(fù)序過流保護(hù)：負(fù)序電流保護(hù)主要針對各種非接地性不對稱故障進(jìn)行保護(hù)，如電動機(jī)斷相、反相、電壓不對稱以及較嚴(yán)重匝間短路等異?，F(xiàn)象。

(5)零序過流保護(hù)：零序過流保護(hù)主要是反應(yīng)電動機(jī)定子的接地情況保護(hù)[8]。

(6)過電壓保護(hù)：過電壓保護(hù)，是防止因相電壓在單相接地時引起過電壓保護(hù)[9]。

(7)低電壓保護(hù)：低壓保護(hù)主要是針對不允許自啟動的電動機(jī)或者其不能自啟動的電動機(jī)，一旦電動機(jī)供電電源過低(低于電動機(jī)正常運(yùn)行電壓)，或者電動機(jī)供電電源消失，電動機(jī)控制開關(guān)柜中的斷路器跳閘，將電動機(jī)與其供電電源完全斷開，從而保證了電動機(jī)的安全可靠運(yùn)行。

(8)過熱保護(hù)：過熱是引起電動機(jī)損壞的重要原因，特別是轉(zhuǎn)子因負(fù)電流產(chǎn)生的過熱，避免電動機(jī)轉(zhuǎn)子由于過熱而引起轉(zhuǎn)子嚴(yán)重?fù)p毀[10]。

(9)控制回路斷線告警：控制回路斷線告警是可以通過控制回路斷線投退定值投退來實(shí)現(xiàn)的。

(10)電動機(jī)啟動超時保護(hù)：保護(hù)裝置在電動機(jī)啟動失敗后起動電動機(jī)啟動超時保護(hù)，電動機(jī)啟動超時跳閘由控制字投退。

4 微機(jī)保護(hù)平臺軟件設(shè)計

4.1 軟件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

微機(jī)保護(hù)平臺的軟件以硬件為基礎(chǔ)，通過程序設(shè)計實(shí)現(xiàn)所要求的保護(hù)功能。本微機(jī)保護(hù)平臺保護(hù)軟件包括主程序、中斷服務(wù)程序和故障處理程序，如圖12電動機(jī)微機(jī)保護(hù)程序結(jié)構(gòu)示意圖所示。

圖12 電動機(jī)微機(jī)保護(hù)程序結(jié)構(gòu)示意圖

4.2 電動機(jī)微機(jī)保護(hù)平臺主程序設(shè)計

主程序功能是當(dāng)微機(jī)保護(hù)平臺上電或者復(fù)位后對其原有的保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行初始化、進(jìn)行自檢、振蕩閉鎖，打印報告等。

初始化過程包括對串行通訊口、并行通訊口、采樣定時器以及堆棧進(jìn)行初始化處理。程序自檢是對平臺的軟硬件，包含開關(guān)量輸出通道、程序、保護(hù)定值以及ROM、FLASH、RAM進(jìn)行一次全面的自檢工作，確保微機(jī)保護(hù)裝置在正常使用時，處于完好工作狀態(tài)。通過微機(jī)保護(hù)裝置的初始化工作及其全面自檢工作后，微機(jī)保護(hù)裝置進(jìn)入工作流程階段，可編程定時器將會不間斷地發(fā)出采樣脈沖信號，只要微機(jī)不退出工作，裝置無異常狀況，就需要不斷地發(fā)出采樣脈沖信號，實(shí)時監(jiān)視和獲取系統(tǒng)的采樣信號。主程序進(jìn)入自檢循環(huán)流程，微機(jī)保護(hù)平臺各部分軟硬件將進(jìn)行自動檢測，除此以外，既要對保護(hù)定值進(jìn)行修改及顯示，還要執(zhí)行人機(jī)對話及通訊功能、并且還要進(jìn)行報文發(fā)送等工作，如圖13 電動機(jī)微機(jī)保護(hù)主程序流程圖所示。

4.3 電動機(jī)微機(jī)保護(hù)平臺中斷服務(wù)程序設(shè)計

中斷服務(wù)程序功能是保護(hù)系統(tǒng)自檢、電壓電流求和、實(shí)時采樣、突變量啟動元件的功能。保護(hù)的中斷服務(wù)程序如圖14所示。包括：采樣計算(向8253讀取采樣值，并且向RAM中的循環(huán)寄存區(qū)存入相應(yīng)的數(shù)值)、進(jìn)行全面自檢(同時對電壓和電流進(jìn)行求和運(yùn)算)、突變量啟動(設(shè)定一個突變量啟動元件DI1，用其來反應(yīng)相電流差值，并且還要設(shè)置另一個突變電量元件DI2，用此變量來監(jiān)視另外兩個完好相是否產(chǎn)生故障的相電流差)。

圖13 電動機(jī)微機(jī)保護(hù)主程序流程圖

圖14 電動機(jī)微機(jī)保護(hù)中斷服務(wù)程序流程圖

4.4 電動機(jī)微機(jī)保護(hù)平臺故障處理程序設(shè)計

故障處理程序功能是完成識別故障類型及特征，計算故障參數(shù)，進(jìn)而對裝置故障進(jìn)行邏輯比較，最后對故障執(zhí)行邏輯跳閘，以便更準(zhǔn)確、更快速地實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能。保護(hù)的故障處理程序流程圖如圖15所示。執(zhí)行過程中，在自檢、電流求和時檢出有錯或啟動元件DI1啟動后，進(jìn)入該程序。首先判斷是否為“1”，若為“1”程序?qū)㈦x開故障處理程序而去告警，而只有在啟動元件動作之后(電流求和及自檢通過)才能進(jìn)入故障處理程序并進(jìn)行故障計算。

圖15 電動機(jī)微機(jī)保護(hù)故障處理程序流程圖

5 結(jié)語

本篇通過對電動機(jī)微機(jī)保護(hù)原理的分析研究，采用TI公司生產(chǎn)的32位DSP( TMS320F2812)作為核心，以電機(jī)保護(hù)功能為設(shè)計指標(biāo)，依托DSP強(qiáng)大的運(yùn)算能力和控制能力，檢測電機(jī)運(yùn)行過程中的出現(xiàn)各種故障類型，設(shè)計開發(fā)一種基于DSP的新型電動機(jī)綜合保護(hù)平臺，實(shí)現(xiàn)了速斷保護(hù)、過流保護(hù)、正序過流保護(hù)、負(fù)序過流保護(hù)、零序過流保護(hù)、過電壓保護(hù)、低電壓保護(hù)、過熱保護(hù)、控制回路斷線告警、電動機(jī)啟動超時保護(hù)等電機(jī)運(yùn)行保護(hù)功能。平臺的硬件和軟件設(shè)計較新穎的采用模塊化設(shè)計思路，各模塊單元均采用了自頂向下，分層設(shè)計的方法，平臺具有自動化程度高、故障診斷準(zhǔn)確、反應(yīng)迅速抗干擾能力強(qiáng)、性能可靠等特點(diǎn)。