基于CAN 总线的电动机保护器的研究

　　摘要：本文简要描述了电动机故障分析中的对称分量法和CAN总线的结构特点。在分析算法的基础上,结合CAN总线通信的要求,提出基于CAN总线的电动机保护的方案,并介绍了设计方案的硬件结构和程序流程图。实验结果以及在工厂生产车间的实际运行情况表明,该设计功能合理、可靠高效,达到了预期的效果。

　　1 引言

　　电动机是现代工农业生产的主要动力，而异步电动机由于结构简单、成本低、机械性能满足大多数生产机械的要求，因此应用范围更加广泛。但异步电动机经常在高温、高湿、多尘埃的环境中工作，容易发生堵转、短路、断相等故障，因此，设计设计性能优越的保护装置，对于电动机的安全使用具有很重要的意义。

　　目前，异步电动机保护主要采取热继电器型的过流保护，这种保护灵敏度低，切除故障时间长，往往在保护动作后电动机已经损坏。随着单片机技术、通信技术的发展，以及智能化电动机保护技术研究的深入，促使电动机保护器朝着通信网络化、保护装置微机化、保护功能集成化等方面发展。

　　2 电动机常见故障分析以及保护措施

　　电动机故障按对称与否分为对称故障和不对称故障两种。对称故障有过载、堵转、三相短路等，这类故障对电动机的影响主要是电流增大而引起热效应；不对称故障又分为接地和不接地两类，非接地故障包括断相、逆相、相间短路，接地故障包括单相接地和二相接地。对称分量法是分析电动机不对称分量的常用方法。一组不对称的三分量可以分解为正序、负序、和零序三组对称的三分量，各序分量各自单独存在。电动机发生不对称故障时，将不对称三相电压和不对称三相电流分别用它们的三相分量代替，从而相应地形成正序、负序和零序三个等值网络，然后进行故障分析。假设己知不对称三相电流为IA，IB，IC ，电流的正序、负序和零序分量各为A1 A2 A0 I ，I ，I (以A 相为例)，根据对称分量法，有式(1)或者式（2）所示的关系（因对称关系，相序量只写出A 相）。

　　对于电动机的不对称故障问题，如断相、相间短路、单相接地、两相接地短路等，借助于对称分量法分析比较简单，即任意一组不对称正弦量分解为三个平衡分量（正序分量/负序分量和零序分量），然后把各个分量对电动机所产生的影响分别计算，再把所得的结果叠加。

　　发生不对称故障时，电动机电流可分解为正序、负序和零序分量。当电动机三相对称时，负序和零序电流为零，而发生不对称故障时则会显著增加，因此在检测电动机过流程度的同时，以序分量为基础，检测负序和零序电流的大小。这样不但能更好地反应电动机的运行状况，还可以大大提高保护动作的灵敏度和可靠性。

　　3 CAN 总线简介以及节点组成

　　控制局域网络 CAN 是一种串行通信协议，能有效地支持具有很高安全等级的分布式实时控制。它由物理层和数据链路层两部分组成，而数据链路层又包括逻辑链路控制子层和介质访问控制子层。CAN 总线的应用范围很广，从高速的局域网络到低价位的多路配线都可以使用CAN 总线。CAN 总线型结构是一种适合工业现场自动控制的计算机局域网络。在网络的层次结构中，数据链路层和物理层是保证通信质量不可缺少的部分，CAN 控制器就用来完成这个任务，对外CAN 控制器提供了与微处理器的物理线路的接口，通过对它的编程，CPU 可以设置不同的工作方式，控制它的工作状态，进行数据的发送和接收，并把应用层建立在它的基础之上。CAN 总线高速发送接收器，又称总线驱动器，提供了CAN控制器与物理总线之间的接口，以及对CAN 总线的差动发送和接收功能。

　　4 硬件设计

　　该保护器的硬件电路主要有四部分：保护单元、通信单元、人机接口单元和主监控通信单元。硬件设计原理图如图1 所示：

　　保护单元由数据采集与转换模块和与控制微处理器组成。前者包括电压互感器、电流互感器（采用三相电压和各个电流信号）、低通滤波电路、电压偏置电路和电压跟随器等电路，本单元可以实现模数转换、报警、显示以及设置等功能。

　　通信单元是由一块双RAM 芯片负责保护单元与通信单元之间的数据连通。微处理器P87C52X2 将通信单元的，一方面保证与保护单元的数据通讯，另一方面负责处理与CAN 总线的通信。CAN 控制器采用SJA1000,CAN 驱动器采用TJA1050，这两个器件负责完成保护单元与CAN 总线的物理连接和数据传送工作。

　　主监控单元是电动机智能保护系统的，它接收来自现场保护控制单元传来的电动机状态和控制信息，同时根据需要向现场控制单元发出指令。它由一块RS232－CAN 适配器和上位机PC 组成，RS232-CAN 适配器是基于串行通信协议的适配器，负责上位机与CAN总线的通信。人机接口单元通过串行接口与保护单元连接，它包括看门狗模块、定时时钟模块、键盘输入模块、液晶显示模块、指示灯与复位按钮等。

　　5 算法介绍及软件设计

　　在算法上，要综合考虑计算和计算速度。根据研究情况和经验，本文采用周期函数的傅立叶算法。傅立叶算法用于提取基波分量或者提取某次谐波分量（例如二次谐波、三次谐波）非常方便。当采样频率为300hz 时，傅立叶算法的计算也很方便，用汇编语言编程也容易实现。另外，全波傅立叶算法所用的数据窗为一个周期；如果要提高微机保护的动作速度，也可以采用半波傅立叶算法。

　　主程序主要是用来实现通信协议中的各项功能。微处理器通过外部中断来响应CAN 总线通信。键盘显示扫描的周期为1ms.并在主程序循环中不断的查询各类标志，如查询到某个标志置位则转入相应的程序处理。主程序流程图如图2 所示：

　　将CAN 总线技术引入到电动机的保护中，就是为了让其组成网络，实现主监控单元对各个分散的保护单元的在线实时监控，因此保护节点通信设计就关系到整个保护系统的可靠性和实用性。通信程序由三部分组成，分别是CAN 节点初始化程序，报文接收程序，报文发送程序。

　　SJA1000 的初始化只有在复位模式下才能进行，初始化主要包括工作方式的设置、接受滤波方式的设置、接受屏蔽寄存器和接受代码寄存器的设置、波特率参数的设置和中断允许寄存器的设置等等。在完成SJA1000 的初始化设置后，SJA1000 就可以回到工作状态，进行通信任务。初始化流程图如上图3 所示。

　　发送子程序负责节点报文的发送。发送时只需要将待发送的数据按待定格式组合成一帧报文，送入SJA1000 发送缓存区中，并置位命令寄存器中的发送请求位标志，然后启动SJA1000 发送即可。发送子程序报文发送分数据帧和远程帧两种。远程帧无数据场。报文发送有两种模式，即中断和查询。考虑到通信实时性的要求，本文采用中断模式。发送子程序流程图如图4 所示。

　　接收子程序负责节点报文的接收，并且要对诸如总线关闭、错误报警、接收溢出等情况进行处理。和发送子程序一样，也有中断和查询两种方式，本文采用中断方式。接收子程序流程图如图5 所示。

　　6 创新点及结束语

　　本文提出将 CAN 总线技术应用到电动机保护中，使其组成网络，实现了智能保护各节点之间、节点与上位机之间的通讯。本设计对于电动机的各种故障有良好的保护效果，在实验室环境下仿真结果良好，在某钢铁厂生产车间的实际应用中也取得了令人满意的效果，达到预期目标。

  

参考文献:

[1]. P87C52X2  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/P87C52X2+_936305.html.
[2]. TJA1050 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TJA1050_649182.html.
[3]. RS232 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/RS232_585128.html.
[4]. PC  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/PC+_2043275.html.
[5]. SJA1000  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/SJA1000+_609075.html.