基于CAN總線的電動機(jī)保護(hù)裝置的設(shè)計 (1)2011-05-11 06:06:00來源::微型機(jī)與應(yīng)用

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摘 要：對三相異步電動機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的硬件及軟件實現(xiàn)進(jìn)行了研究，以Freescale DSP 56F807微處理器為控制核心,配以CAN總線、液晶顯示以及采樣等其他功能模塊。而現(xiàn)場總線技術(shù)把專用微處理器置于測量控制設(shè)備中，把單個分散的測量控制設(shè)備變成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，將其連接成可以相互溝通信息、共同完成控制任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在算法上由于DSP有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，對瞬時電壓、電流和負(fù)序電流的幅值進(jìn)行精確的計算而不需考慮時間的問題，用軟件計算的方法替代硬件邏輯，減少硬件資源的浪費。
關(guān)鍵詞： 數(shù)字信號處理器； 微處理器； 電機(jī)控制； 現(xiàn)場總線

電動機(jī)是各行各業(yè)應(yīng)用最為廣泛的動力設(shè)備，但由于在使用過程中保護(hù)力度不夠，經(jīng)常出現(xiàn)以下問題：裝置功效低下，保護(hù)裝置經(jīng)常出現(xiàn)拒動從而使電動機(jī)燒毀，由于誤動而跳閘。近年來，隨著計算機(jī)技術(shù)、自動控制理論以及信號處理理論的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了以微處理器為核心、將繼電保護(hù)與計算機(jī)技術(shù)相結(jié)合形成的微機(jī)繼電保護(hù)裝置。　　

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計
系統(tǒng)采用雙CPU結(jié)構(gòu)，設(shè)計并實現(xiàn)了一套由數(shù)字信號處理器56F807加單片機(jī)W78E516構(gòu)成的微機(jī)保護(hù)測控裝置。FREESCALE數(shù)字信號處理器56F807（此后簡稱為56F807）作為主芯片完成信號采集、信號處理、保護(hù)和通訊等功能。該芯片具有A/D轉(zhuǎn)換、開入和開出回路以及串行通訊口等功能，信號輸入電壓為0 V~3 V，轉(zhuǎn)換速度最快為每次同時掃描需要5.3 μs,采集的路數(shù)、位數(shù)和速率完全滿足交流采樣的要求。單片機(jī)W78E516完成人機(jī)接口的所有功能。兩個模塊之間采用基于MODBUS協(xié)議的RS-485總線進(jìn)行實時通訊。這種雙CPU結(jié)構(gòu)具有并行工作、分工合作的優(yōu)點，既保證了繼電保護(hù)的速動性、選擇性、靈敏性和可靠性，又實現(xiàn)了實時測量的高精度。通過CAN總線實現(xiàn)遠(yuǎn)程的實時監(jiān)控與調(diào)試。因此，用戶可以根據(jù)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)靈活選用通訊接口方式。這樣真正實現(xiàn)了電動機(jī)的智能保護(hù)、集中監(jiān)控和管理。該系統(tǒng)硬件框圖見圖1。按其功能分為兩大模塊：由數(shù)據(jù)采集模塊、開入開出模塊、EEPROM模塊和DSP 56F807組成的保護(hù)模塊;由CAN總線和通過RS-485總線連接的顯示電路組成的監(jiān)控模塊。

1.1 保護(hù)模塊功能
　　 保護(hù)模塊的主要功能是完成數(shù)據(jù)的采集、處理、計算、保護(hù)邏輯判斷和出口邏輯判斷及動作。硬件電路圖如圖2所示。

1.1.1 數(shù)據(jù)采集模塊
該系統(tǒng)的模擬量采集使用56F807自帶的12 bit、16通道的A/D轉(zhuǎn)換器，電壓和電流測量中采用定時采樣頻率為1 600 Hz，采樣間隔約為0．625 ms。對于50 Hz的工頻交流信號而言，每個周波的采樣值為32個點。外部電流及電壓輸入經(jīng)隔離互感器，低通濾波器輸入至模數(shù)變換器，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換得到若干序列的離散采樣值，然后通過Fourier算法得到Ia、Ib、Ic、I0、Ua、Ub、Uc和U0的幅值。同時計算推導(dǎo)出電動機(jī)的有功功率、無功功率、功率因數(shù)等參數(shù)。

1.1.2 開入開出模塊
開入開出模塊根據(jù)開發(fā)要求,裝置設(shè)計了12路開入量，12路開出量。開入量用于電機(jī)啟動、停機(jī)和報警狀態(tài)反饋等信息量的采集。12路開出量，主要用于各種故障的跳合閘和報警使用。本系統(tǒng)采用由8個I/O口發(fā)出4個開出量信號以及通過8 bit串行輸入，串/并行輸出移位寄存器74HC595控制8組輸出控制8個開出量。為了防止干擾引起的誤動，利用兩個關(guān)聯(lián)的I/O口同時輸出不同電平時光耦動作，實現(xiàn)對開出信號的開放與閉鎖功能。當(dāng)開出條件滿足時，開出量再經(jīng)過TIL113光電耦離后輸出，驅(qū)動外部繼電器，實現(xiàn)保護(hù)出口動作。

1.1.3 數(shù)據(jù)存儲單元模塊
X5043芯片是美國XICOR公司生產(chǎn)的集上電復(fù)位、“看門狗”定時器、電壓監(jiān)控和串行E2PROM四項功能于一體的專用集成芯片，用以降低系統(tǒng)成本、節(jié)約電路板空間。X5043中上電復(fù)位、“看門狗”定時器、電源電壓監(jiān)控功能對系統(tǒng)可以起到保護(hù)作用；512×8 bit的E2PROM可用來存儲系統(tǒng)內(nèi)的重要數(shù)據(jù)。