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由于生產自動化及各種自動控制、順序控制設備的出現，要求電機經常運行在頻繁的起動、制動、正反傳、間歇以及變負荷等各種方式。電機的運行要求越來越高。同時，由于電機與配套機械連在一起，當電機發生故障時，經常波及生產系統。因此，對電機實行有效的保護是保證生產系統正常工作的一項重要任務。 隨著科學技術的發展，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，國內也開始推廣。電子保護裝置的優點是：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構，由其組成的系統能實時進行頻譜分析。高速14位A/D轉換器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 系統基本原理和設計思想 電機運行中常常會出現不正常的運行狀態。這些不正常的運行狀態包括：過載、堵轉、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，由PC機發出控制信號； (2) 采樣三相電壓、三相電流和漏電流，得到實時值； (3) 利用FFT算法對數據進行處理和計算，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； (4) 判斷電機是否處于不正常的運行狀態； (5) 通過RS-485接口把數據發送到顯示部分，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，就構成了一個功能完善、簡便適用的系統。 圖1 硬件框圖 2 系統硬件設計 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、數控機床等控制而設計的[2-4]。TMS320LF2407采用高性能靜態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，能夠實現：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芯片內部雖然包含雙10位的A/D轉換模塊，但只能同時采樣和轉換兩個輸入通道，不滿足電機監控系統同時采樣多路的要求。MAX126是MAXIM公司生產的高速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個通道的信號同時采樣。 本系統采樣7路信號，所以使用兩片MAX126芯片，且都工作于A組多路開關、4路采樣，轉換時間為12ms。DSP和MAX126的接口電路如圖2所示。通過不同的I/O操作就可以控制MAX126正常工作。 圖2 DSP和MAX126的接口 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據；輸入高電平表示本次寫的是命令，讀的是T6963C的狀態。 圖3 顯示部分電路圖 2.4 通訊電路 本系統采用總線型分布式網絡結構。網絡結構如圖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。管理者通過操作界面可以向各保護器發送控制命令。保護器可以接收主機的命令，根據命令驅動電氣設備的合閘或跳閘，以及測量各個電氣參數，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。 圖4 通訊結構圖 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口負責數據的傳輸方向的選擇。 圖5 RS485接口電路 2.5 保護動作電路 所有保護電路的執行電路如圖6所示，主要是通過繼電器的通斷來完成。如果電機發生故障，則DSP芯片產生低電平，促使光耦導通，從而使繼電器動作，保護了電機。 圖6 保護電路 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，經計算、分析來實現各種保護功能，并且實時顯示線路的參數和記錄故障狀態。 本系統通過TMS320LF2407內部定時器中斷啟動A/D轉換。設定初始采樣頻率2.56KHz，則采樣間隔 390.625ms，即390.635ms觸發一次A/D。MAX126的12路A/D轉換完成后，發送中斷請求信號到DSP的XINT1腳。控制程序的流程圖如圖7所示。 圖7 控制程序流程圖 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行FFT分析，因此在存儲數據時要注意以下兩個問題： (1) 盡管電壓和電流采樣的數據是離散實數序列，但是進行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，所以為了簡化后續計算，在存儲采樣數據時一般采用“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： 圖8 中斷程序流程圖 4.3 顯示程序 顯示部分的程序流程圖如圖9所示。 圖9 顯示程序流程圖 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個數據，然后判斷最后一個數據是否為0F，如果不是，丟棄這組數據，重新接收。 4 實驗結果 系統測試的部分結果如表1所示。 表1 參數檢測結果 測試時電機電壓和電流的實際值為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 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功能完善、性能優良的廉價實用系統，保證了生產系統可靠運行，為實現電機保護裝備低成本開發和更新換代提供了一條切實可行的途徑。該保護器在電機保護中將有很好的應用前景。 |
