智能電動機保護器系統(tǒng)設計

隨著科學技術的發(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(tǒng)和電機保護裝置中獲得了廣泛應用，國內(nèi)也開始推廣[1]。電子保護裝置的優(yōu)點是：基本上由靜止元件組成。它動作速度快，不存在機械位移和磨損，精度和壽命一般均比有觸點繼電器高，耐沖擊和振動，可靠性好。另外，電子電路動作功率小，靈敏度高。

數(shù)字信號處理器(DSP)具有流線型操作功能和單周期完成乘法的結(jié)構(gòu)，由其組成的系統(tǒng)能實時

進行頻譜分析。高速14位A/D轉(zhuǎn)換器MAX126帶多路開關和采樣保持器，非常適用電機信號的采集。為了實現(xiàn)對電機的可靠保護，提出了以TMS320LF2407的為核心，對過載、輕載、不平衡、斷相、過壓和欠壓等常見故障具有綜合檢測保護功能的智能電機保護器。

1 系統(tǒng)基本原理和設計思想

電機運行中常常會出現(xiàn)不正常的運行狀態(tài)。這些不正常的運行狀態(tài)包括：過載、堵轉(zhuǎn)、短路、輕載、不平衡、斷相、過壓、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。具體過程如下：

(1) 設置各個參數(shù)，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，得到實時值;

(3) 利用FFT算法對數(shù)據(jù)進行處理和計算，得到三相電壓、電流的有效值、有功功率、無功功率以及功率因數(shù);

(4) 判斷電機是否處于不正常的運行狀態(tài);

(5) 通過RS-485接口把數(shù)據(jù)發(fā)送到顯示部分，顯示在LCD上。

系統(tǒng)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(tǒng)中得到了充分的應用，加上少量的外圍器件，就構(gòu)成了一個功能完善、簡便適用的系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 TMS320LF2407

TMS320LF2407也稱為DSP控制器，是TI公司專門針對電機、逆變器、機器人、數(shù)控機床等控制而設計的[2-4]。 TMS320LF2407采用高性能靜態(tài)CMOS技術，使得供電電壓降為3.3V，減小了控制器的功耗;30MIPS的執(zhí)行速度使得指令周期縮短到 33ns(30MHZ)，從而提高了控制器的實時控制能力。它包括了兩個事件管理器模塊EVA和EVB，能夠?qū)崿F(xiàn)：三相反相器控制;PWM的對稱和非對稱波形;3個捕獲單元;16通道A/D轉(zhuǎn)換器。事件管理器模塊適用于控制交流感應電機、無刷直流電機、開關磁阻電機、步進電機、多級電機和逆變器。

2.2 TMS320LF2407和MAX126的接口電路

TMS320LF2407芯片內(nèi)部雖然包含雙10位的A/D轉(zhuǎn)換模塊，但只能同時采樣和轉(zhuǎn)換兩個輸入通道，不滿足電機監(jiān)控系統(tǒng)同時采樣多路的要求。MAX126是MAXIM公司生產(chǎn)的高速14位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換芯片，4路同步采樣/保持器可以對4個通道的信號同時采樣。

本系統(tǒng)采樣7路信號，所以使用兩片MAX126芯片，且都工作于A組多路開關、4路采樣，轉(zhuǎn)換時間為12ms。DSP和MAX126的接口電路如圖2所示[5]。通過不同的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(shù)據(jù)總線DB0~DB7與AT89S52的P0口相連。T6963C的讀寫控制信號RD/WD分別由 AT89S52的外部ROM讀寫控制信號RD/WD控制。CE是片選信號，由AT89S52的P2.7控制，低電平時選通。C/D為寄存器選擇信號，輸入低電平表示本次讀寫的是數(shù)據(jù);輸入高電平表示本次寫的是命令，讀的是T6963C的狀態(tài)。

2.4 通訊電路

本系統(tǒng)采用總線型分布式網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖4所示。各保護器通過MAX485組建RS485通訊總線，PC機和RS485總線之間通過RS232/RS485轉(zhuǎn)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(shù)。管理者通過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(jù)命令驅(qū)動電氣設備的合閘或跳閘，以及測量各個電氣參數(shù)，并將電氣參數(shù)傳輸?shù)斤@示模塊顯示。

顯示部分使用LCD模塊顯示電氣參數(shù)。

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

2.5 保護動作電路

所有保護電路的執(zhí)行電路如圖6所示，主要是通過繼電器的通斷來完成。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，從而使繼電器動作，保護了電機。

3 系統(tǒng)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(jù)系統(tǒng)的要求隨意的更改、增減，所以系統(tǒng)的智能化程度很大部分取決于軟件結(jié)構(gòu)是否合理，功能是否全面。

保護器DSP部分采用C語言編程，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 保護器通過檢測線路中的電流和電壓，經(jīng)計算、分析來實現(xiàn)各種保護功能，并且實時顯示線路的參數(shù)和記錄故障狀態(tài)。

本系統(tǒng)通過TMS320LF2407內(nèi)部定時器中斷啟動A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)據(jù)。在電機保護系統(tǒng)中，一般存儲數(shù)據(jù)的下一步就是對各相的電壓和電流采樣值進行FFT分析，因此在存儲數(shù)據(jù)時要注意以下兩個問題：

(1) 盡管電壓和電流采樣的數(shù)據(jù)是離散實數(shù)序列，但是進行FFT后，變成FFT復數(shù)序列，因而一般將A/D轉(zhuǎn)換后的電壓和電流實數(shù)序列看成虛部為零的復數(shù)序列，用連續(xù)的內(nèi)存空間存放復數(shù)，實部在前，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”的關系，所以為了簡化后續(xù)計算，在存儲采樣數(shù)據(jù)時一般采用“逆向進位加變址量”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，用以實現(xiàn)對儀器的程序控制。