基于DSP的新型電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

王 強(qiáng)， 騰 飛， 張 健

(1.遼寧石油化工大學(xué)信息與控制工程學(xué)院，遼寧撫順 113001;

2.沈陽(yáng)第六人民醫(yī)院器械科，遼寧沈陽(yáng) 110006;3.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)公司，遼寧沈陽(yáng) 111008)

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，生產(chǎn)過(guò)程機(jī)械化、自動(dòng)化程度的不斷提高，電機(jī)在生產(chǎn)中擔(dān)當(dāng)了十分重要的角色，對(duì)電機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)可保證電機(jī)的安全運(yùn)行，避免惡性事故的發(fā)生，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)有重要的價(jià)值，因此盡快開發(fā)一種新型智能電機(jī)保護(hù)監(jiān)控裝置已是當(dāng)務(wù)之急。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了DSP，這些器件的出現(xiàn)使得各種數(shù)字信號(hào)處理的算法得以實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)，還從信號(hào)處理領(lǐng)域拓寬到系統(tǒng)控制領(lǐng)域。在這種背景下，以DSP器件為核心，對(duì)電機(jī)過(guò)壓、欠壓、過(guò)載、漏電等故障具有綜合監(jiān)測(cè)保護(hù)功能的智能型保護(hù)裝置應(yīng)運(yùn)而生。

1 微控制器TMS320LF2407A簡(jiǎn)介

TMS320LF2407A數(shù)字信號(hào)處理器是TI公司基于電機(jī)的控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，它將高性能的DSP內(nèi)核和豐富的微控制器外設(shè)功能集于單片中，從而成為傳統(tǒng)的多微處理器(MCU)和昂貴的多片設(shè)計(jì)的理想替代產(chǎn)品，它將DSP的實(shí)時(shí)處理能力和控制器的外設(shè)功能集于一身，為控制系統(tǒng)應(yīng)用提供了一個(gè)理想的解決方案。每秒4 000萬(wàn)條指令(40 MIPS)的處理速度，使LF2407A DSP控制器可以提供遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)的16位微控制器和微處理器的性能。

2 電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的總體介紹

三相電機(jī)保護(hù)裝置完成的主要任務(wù)是當(dāng)電機(jī)的工作電壓或者工作電流等因素超出規(guī)定的范圍時(shí)，判斷并顯示出故障類型，通知執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，并進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。該設(shè)計(jì)有良好的人機(jī)界面，能方便快捷地對(duì)電壓、電流的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行設(shè)定，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的電壓、電流等進(jìn)行顯示。此外，還能通過(guò)RS-485C標(biāo)準(zhǔn)接口，來(lái)實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)雙向通信的功能，達(dá)到遙測(cè)、遙控、遙調(diào)的目的。

下位機(jī)以TMS320LF2407A為核心，主要完成以下幾個(gè)任務(wù):電壓電流采集、數(shù)字濾波、采樣數(shù)據(jù)的處理、故障類型判斷、鍵盤顯示、越限報(bào)警跳閘、與上位機(jī)通信等。

保護(hù)裝置的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)以PC機(jī)為人機(jī)交互系統(tǒng)，下位機(jī)為 LF2407A。PC機(jī)利用 RS-232C串行口和下位機(jī)進(jìn)行通信，對(duì)下位機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)工作電壓、電流等工作參數(shù)實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。通過(guò)設(shè)置，還可以通過(guò)上位機(jī)對(duì)下位機(jī)的時(shí)間、日期、工作參數(shù)等進(jìn)行修改。

3 保護(hù)裝置的硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的思路是:通過(guò)電流電壓互感器、電壓形成電路、帶通濾波器、采樣保持電路，將各通道電量轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電壓值，并送至DSP片內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，根據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較運(yùn)算，若判斷有故障，則執(zhí)行跳閘或發(fā)出信號(hào)，并記錄事件信息(發(fā)生時(shí)間、事故性質(zhì)、故障量)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的保護(hù)。本保護(hù)裝置主要由DSP主系統(tǒng)、前向輸入通道、開關(guān)量輸入輸出、人機(jī)交互接口及通信電路等單元組成，整體硬件電路如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件總體圖

3.1 電壓形成電路設(shè)計(jì)

由于從電流互感器二次側(cè)出來(lái)的電流一般為5 A，為了滿足A/D轉(zhuǎn)換器要求的輸入電壓范圍，設(shè)計(jì)了電壓形成電路。

在電流互感器二次側(cè)，利用精密微型電流互感器把大電流信號(hào)變?yōu)槲㈦娏餍盘?hào)再進(jìn)行處理。選用西安橫山微型互感器研究所生產(chǎn)的HCT206，把輸入 0～5 A的電流轉(zhuǎn)換為 0～1.5 mA的電流。

采用圖2所示電路將電流輸出信號(hào)變換成電壓信號(hào)。調(diào)整圖2中反饋電阻R和r的值可得到所需要的電壓輸出。電容C1及可調(diào)電阻r'是用來(lái)補(bǔ)償相移的。電容C2和C3是400～1 000 pF的小電容，用來(lái)去耦和濾波。兩個(gè)反接的二極管是起保護(hù)運(yùn)算放大器作用的。運(yùn)算放大器根據(jù)精度要求選用OP07，這樣很容易達(dá)到較高的精度和較好的穩(wěn)定性。圖2中反饋電阻R要求精度優(yōu)于1%，溫度系數(shù)優(yōu)于50 PPM。

圖2 電壓形成電路

3.2 帶通濾波器電路設(shè)計(jì)

在模擬量輸入系統(tǒng)中經(jīng)常需要設(shè)置濾波器，在模擬信號(hào)傳送到微處理機(jī)之前，先進(jìn)行濾波預(yù)處理，這一點(diǎn)是十分重要的。因?yàn)殡娋W(wǎng)中交流電的主要成分是工頻交流電(50 Hz)，但其中還夾雜著直流和高次諧波，這些成分在采樣之前必須加以濾除，輸入信號(hào)越純正，采樣、A/D轉(zhuǎn)換后誤差就越小。同時(shí)采樣頻率必須大于被采樣信號(hào)中所含最高頻率成分fmax的兩倍，否則將造成頻率混疊，產(chǎn)生頻率折疊誤差。利用帶通濾波器既可以濾除高頻分量，又可以濾除直流分量及鄰近串聯(lián)電容器引起的低頻分量，僅將50 Hz的交流信號(hào)(正?；蚬收?送到微機(jī)中去。

在很多微機(jī)保護(hù)中，采用低通濾波器進(jìn)行濾波，其高次諧波分量被大大衰減。但直流分量和鄰近串聯(lián)電容引起的低頻分量的影響，低通濾波器是無(wú)能為力的。因此，這里使用帶通濾波器。

在本設(shè)計(jì)中，采用由兩塊OP07運(yùn)算放大器組成的四階切比雪夫帶通濾波器，如圖3所示。

圖3 帶通濾波器電路

3.3 直流偏置電路設(shè)計(jì)

LF2407A片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍為0～3.3 V，而電網(wǎng)上的交流信號(hào)具有正負(fù)極性。因此，需要通過(guò)一個(gè)加法器電路加上一個(gè)直流偏置以抬高電位，使輸入電壓為單一的正信號(hào);然后通過(guò)一個(gè)硅穩(wěn)壓管限壓，防止電網(wǎng)電壓突然升高造成對(duì)器件的損害。具體電路見圖4。

圖4 直流偏置電路

3.4 線性模擬光電隔離器設(shè)計(jì)

為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，輸入信號(hào)在進(jìn)入DSP系統(tǒng)之前必須進(jìn)行隔離。對(duì)于數(shù)字信號(hào)的傳輸，可以使用光電耦合器進(jìn)行徹底隔離。但是，光電耦合器具有較大的非線性，直接用來(lái)傳輸模擬量時(shí)，精度較差，而傳統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)電路和非線性補(bǔ)償電路既復(fù)雜又龐大，也很不適用。雖然現(xiàn)在已有高性能的隔離放大器，但其價(jià)格太貴。因此，設(shè)計(jì)了一種精度較高、電路簡(jiǎn)單的隔離傳輸電路，可以較好地完成模擬信號(hào)的不共地傳輸，如圖5所示。

圖5 線性模擬光電隔離器電路

電路的核心是兩個(gè)光電耦合器V1(TIL521-1)和 V2(TIL521-2)，V2和R23組成輸出級(jí);Vl和V2的初級(jí)串聯(lián)，公用同一激勵(lì)電流I1;V1和R21組成負(fù)反饋電路。

設(shè)V1和V2的電流非線性傳輸函數(shù)分別為g1(I1)和g2(I1)，即根據(jù)理想運(yùn)放的概念，有下列關(guān)系:則放大器電壓增益為將式(1)和式(2)代入式(3)得

其中:K=R23/R21。

如果V1和V2是同型號(hào)光電耦合器或是同一封裝的雙光電耦合器，那么可以認(rèn)為它們的傳輸函數(shù)的溫度特性和電流非線性是完全一致的，即g1(I1)=g2(I1)，則G=K，常數(shù)K即為該隔離放大器的電壓傳輸比，兩個(gè)光耦一個(gè)作輸出，一個(gè)作反饋，可以巧妙地補(bǔ)償它們的非線性。

由于光電耦合器初、次級(jí)之間存在著傳輸時(shí)延，V1和R21組成的負(fù)反饋電路顯得遲緩，容易引起自激振蕩。電容C26可以消除自激振蕩，其容量可根據(jù)電路頻率特性來(lái)選取。實(shí)踐證明，選用快速非達(dá)林頓型光電耦合器可改善電路的整體性能。為了提高該隔離放大器的輸出能力，降低輸出阻抗，可以在輸出級(jí)加一個(gè)電壓跟隨器作緩沖。

由于該電路的輸入與輸出之間僅有光的耦合，而沒(méi)有電的聯(lián)系，所以能很好地隔斷共模干擾，解決了模塊之間模擬信號(hào)的不共地傳輸。

3.5 采樣保持電路的設(shè)計(jì)

由于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理需要同步輸入信號(hào)，所以每一路都要有采樣保持電路。LF2407A片內(nèi)雖然集成了采樣保持器，但是只有一個(gè)，不能滿足系統(tǒng)要求。故選用6片LF398組成同步采樣保持電路，由 DSP輸出同步觸發(fā)信號(hào)來(lái)控制它們的工作。

3.6 鍵盤顯示電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選用了帶硬件字庫(kù)和ST7920A驅(qū)動(dòng)的液晶顯示模塊TM12864，利用液晶顯示器容量大的特點(diǎn)，正常時(shí)顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)和工作參數(shù)，故障時(shí)顯示故障類型及參數(shù)，并配合鍵盤實(shí)現(xiàn)整定值輸入、修改和故障查詢記錄，給操作工人創(chuàng)造一個(gè)簡(jiǎn)單而全新的交互方式。

實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話通過(guò)鍵盤來(lái)完成。本裝置中的鍵盤，采用獨(dú)立式鍵盤，共有三個(gè)按鍵。一個(gè)上行鍵、一個(gè)下行鍵和一個(gè)確認(rèn)鍵。上行鍵完成菜單的向上移動(dòng)及整定時(shí)參數(shù)增加的功能;下行鍵完成菜單的向下移動(dòng)及整定時(shí)參數(shù)減小的功能;確認(rèn)鍵完成菜單的左右移動(dòng)、整定時(shí)參數(shù)確認(rèn)等功能。通過(guò)鍵盤進(jìn)行參數(shù)整定時(shí)，屏幕可實(shí)時(shí)反映參數(shù)的變化。另外，可通過(guò)鍵盤進(jìn)行各種試驗(yàn)，如短路試驗(yàn)、漏電閉鎖試驗(yàn)等，并可對(duì)裝置自身的完好性進(jìn)行自檢。

3.7 開關(guān)量輸入輸出電路設(shè)計(jì)

3.7.1 開關(guān)量輸入電路設(shè)計(jì)

開關(guān)量輸入回路包括斷路器和隔離開關(guān)的輔助觸點(diǎn)或跳合閘位置繼電器接點(diǎn)輸入，還包括裝置上連接片輸入等回路。

3.7.2 開關(guān)量輸出電路設(shè)計(jì)

相對(duì)而言，開關(guān)量輸出比開關(guān)量輸入具有更重要的地位，因?yàn)樵谥悄鼙Ｗo(hù)裝置中，所有的保護(hù)功能最終是通過(guò)開關(guān)量輸出單元來(lái)控制斷路器、隔離開關(guān)和繼電器動(dòng)作實(shí)現(xiàn)的，因此智能保護(hù)裝置開關(guān)量輸出電路的可靠性直接反映了智能保護(hù)系統(tǒng)的可靠性。

開關(guān)量輸出主要包括跳閘出口和中央信號(hào)出口等。開關(guān)量輸出回路一般都采用并行輸出端口控制有接點(diǎn)的繼電器。開關(guān)量輸出回路如圖6所示，為了提高抗干擾能力，都要經(jīng)過(guò)一級(jí)光電隔離。此外，在出口跳閘時(shí)，DSP的兩個(gè)IO口分別輸出不同的電平(一個(gè)輸出“0”，一個(gè)輸出“1”)，使與非門 Y2輸出“0”驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管。這樣的安排，可防止在拉合直流電源過(guò)程中繼電器J的短時(shí)誤動(dòng)。因?yàn)樵诶现绷麟娫磿r(shí)，開通上電復(fù)位，兩個(gè)IO口都是相同的電平輸出，不可能驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管，從而防止了誤動(dòng)。

當(dāng)需跳閘時(shí)，程序令DSP的兩個(gè)IO口分別輸出“0”和“1”，以反相器Y1和與非門電路驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管發(fā)出光脈沖，光敏三極管隨之導(dǎo)通，出口繼電器K勵(lì)磁。在實(shí)際保護(hù)裝置中應(yīng)考慮出口的閉鎖，以防止保護(hù)誤動(dòng)作，因此光敏三極管的集電極必須經(jīng)起動(dòng)繼電器接點(diǎn)接正電源，形成保護(hù)出口的閉鎖回路。

圖6 開關(guān)量輸出回路

本裝置設(shè)置了5個(gè)指示燈，分別用于指示工作狀態(tài)和各種故障。當(dāng)出現(xiàn)故障后，給出報(bào)警信號(hào)，以通知用戶電機(jī)已處于故障狀態(tài)，如果在相應(yīng)的允許時(shí)間內(nèi)故障消失，則報(bào)警信號(hào)取消，否則報(bào)警指示燈(發(fā)光二極管)閃爍、警笛響，提醒運(yùn)行人員及時(shí)排除故障。

3.8 通信電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用RS-485總線構(gòu)成通信網(wǎng)絡(luò)，工控機(jī)一般都無(wú)RS-485接口，因此要解決工控機(jī)和485總線的接口問(wèn)題。一種常用的方案是由一塊插在工控機(jī)擴(kuò)展槽上的專用網(wǎng)卡，完成串行數(shù)據(jù)和并行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)工控機(jī)和485總線的互聯(lián)。該方案能保證很高的數(shù)據(jù)傳輸率，但缺點(diǎn)是專用網(wǎng)卡價(jià)格較貴，經(jīng)濟(jì)性較差。因此，利用工控機(jī)上一般都有的RS-232接口，使用了一個(gè)485/232轉(zhuǎn)換器ADAM4520，將工控機(jī)的RS-232串口和485總線互連。ADAM4520內(nèi)置總線監(jiān)視器，能自動(dòng)檢測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸方向，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的透明傳輸。該方案實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，成本較低，其缺點(diǎn)是由于RS-232串口通信速率的限制，整個(gè)系統(tǒng)的通信速率不能超過(guò)20 kbps，但該速率已能滿足本系統(tǒng)的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)利用集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)和DSP技術(shù)，使該裝置可實(shí)現(xiàn)過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)載及漏電等多種保護(hù)功能，能根據(jù)電機(jī)的型號(hào)和額定參數(shù)，自主設(shè)定電壓電流額定值，實(shí)現(xiàn)保護(hù)。為了使保護(hù)更加及時(shí)，達(dá)到實(shí)時(shí)性的要求，本設(shè)計(jì)采用了高速數(shù)字信號(hào)處理芯片TMS320LF2407A，作為保護(hù)裝置的CPU，大大提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

［1］孫標(biāo)，馬立波.基于TMS320LF2407直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的全數(shù)字化實(shí)現(xiàn)［J］.大電機(jī)技術(shù)，2004(2):37-39.

［2］何克忠.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，1998.