基于DSP的高压电动机保护系统设计

 

　　高压电机是指额定电压在1000V以上电动机。电机保护设备又是电动机可靠运行的主要保障，它既能使电动机充分发挥过载能力，又能免于损坏，而且还能提高电力拖动系统的可靠性和生产的连续性。同时选择保护装置时，必须考虑几个互相矛盾的因素，即可靠性、经济性、结构简单、操作、维护方便等。电动机保护设备为重要的特性指标就是可靠性和实时性。本文将设计一种符合上述要求的基于嵌入式和DSP技术的高压电机保护系统的方案。

　　DSP芯片，也称数字信号处理器， 是一种具有特殊结构的微处理器。DSP芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的DSP指令，可以用来快速的实现各种数字信号处理算法。

　　1TMS320F2812 DSP芯片

　　德州仪器所生产的TMS320F2812 数字讯号处理器是针对数字控制所设计的DSP，整合了DSP 及微控制器的特性，主要使用在嵌入式控制应用，如数字电机控制（digital motor control, DMC）、资料撷取及I/O 控制（data acquisition and control, DAQ）等领域。针对应用化，并有效缩短产品开发周期，F28x 支持全新CCS环境的C compiler，提供C 语言中直接嵌入汇编语言的程序开发介面，可在C 语言的环境中搭配汇编语言来撰写程序。值得一提的是，F28x DSP 支持特殊的IQ-math 函式库，系统开发人员可以使用便宜的定点数DSP 来发展所需的浮点运算算法。F28x 系列DSP预计发展至400MHz，目前已发展至150MHz 的Flash 型式。

　　TMS320F2812芯片的内部存储器包括14 K的RAM和128 K×16 bit的Flash；芯片内集成的外围模块非常丰富：包括16通道12 bits的ADC模块；16通道的PWM输出；多达56个独立的、可编程的GPIO口；3个带有6种模式的通用目的定时器；3个可配置死区的比较器；3个单端比较单元；4个捕捉单元；同时还集成有多种串行接口：完全符合RS232标准的双通道串行接口、CAN总线模块、McBSP接口和SPI接口，这些都充分保证了通信设计的方便。

　　TMS320F2812有3个32位元的CPUTimer。CPU-Timer0 可以让使用者来应用，而CPU-Timer1和CPU-Timer2则被保留做为实时（Real-Time）OS（例如：DSP-BIOS）。这些CPU-Timers 不同于事件管理模块（EVA,EVB）内一般用途用（General-Purpose）Timers。CPU-Timer大致上的运作如下：32 位元的计数缓存器（TIMH：TIM）加载周期缓存器（PRDH：PRD）的值，计数缓存器是以TMS320F2812的SYSCLKOUT（150MHz）之速率递减，当计数到0时，Timer会产生一个中断信号。

　　2基于TMS320F2812的高压电机保护装置整体设计

　　保护装置包括5大部分：主功能系统、电源、电量输入和开关量处理、通信及人机接口。结构框图如图1所示。

 

 

　　装置充分利用了TMS320F2812芯片高集成度的特点，是实现数据采集、数据处理、数据存储和传输等功能的主要芯片，附带信号变换和调理电路，不需外扩外围功能芯片，这使得装置整体电路规模大大精简，不论是集成度还是可靠性都有质的提高。

　　2.1数据采集

　　保护中的首要功能就是数据采集，装置直接利用了TMS320F2812芯片中集成的ADC模块来实现 ，其采样速度可达12.5 MSPS，因此无论在采集通道数、采样还是采样速度上都满足电机保护的要求。ADC模块内建双采样保持器(S／H)，可以根据需要配置，既可配置成两个独立的8通道模块，也可将这两个独立的8通道模块级联而形成一个16通道模块。ADC模块的模拟量输入范围为0～3 V，在电机保护现场电流信号取自电流互感器CT二次侧，并将其作为装置内电流变送器的输入，在装置中选用的是西南自动化研究所的WBI513 C0型电流变送器，其输出的信号为0～25 mA，不能直接输入到TMS320F2812的ADC模块，所以必须设计具有信号转换和滤波等功能的信号调理电路。装置中选用了TI公司的自校准精密双 运算放大器TLC4502作为信号调理电路的芯片，TLC4502是利用1 μm／5 V数字CMOS技术制造的高性能运算放大器，它具有非常高的直流增益以及良好的电源抑制比和共模抑制比。

 

 

 

　　2.2数据存储

　　在保护装置运行过程中有许多参数需要修改和保存，特别在保护动作时需要保存当时日期时间、当时电机运行参数和动作信息，而TMS320F2812中没有集成EEPROM，这就需要外扩EEP ROM，考虑到TMS320F2812提供了SPI串行接口，笔者选用了Microchip Technology Inc.的25 AA320，它是32 Kbytes SPI总线串行EEPROM，25AA320与TMS320F2812的接口电路如图3所示 ，从电路图中可以看出选用25AA320使得接口电路简单，可靠性好，实时性也能得到保证。

 

 

　　2.3数据通信

　　在目前应用的电机保护装置中，基于热继电器的保护和基于晶体管集成电路的保护之所以逐渐被淘汰，主要是它们不具有通信接口，不能和其他系统通讯，形成了“信息孤岛”，与目前生产现场信息化、网络化趋势的要求相矛盾。基于普通单片机的电机保护装置一般都具有通信接口，主要是RS232或RS485接口，尤其以RS232接口居多，虽然在一定程度上缓解了以上所述的矛盾，但目前在应用电机保护装置比较集中的地方，现场级大多采用现场总线的通信方式，特别是CAN总线，在这种情况下，具有RS232或RS485接口的基于普通单片机的电机保护装置就很难满足要求，TMS320F2812不仅集成了完全符合RS232标准的双通道串行接口，而且集成了CAN总线模块，完美地解决了保护装置与其他系统的通信问题。

　　TMS320F2812中集成的CAN总线模块是增强型CAN(eCAN)模块，支持CAN技术规范20B，达1 Mbps速率，并带光电隔离；在基于TMS320F2812的电机保护装置中，设计提供CAN总线 接口是在集成的eCAN模块的基础上，外扩了TI公司的3.3 V CAN总线收发器SN65HVD232，相关电路如图4所示。

 

 

　　3软件设计概述

　　传统单片机的开发系统构成大致如下：将仿真器和目标板相接，仿真器代替 目标板上CPU的功能，将应用程序通过与PC相接的电缆下传到仿真器并运行。DSP的开发和传 统单片机的开发有较大的区别，现存DSP芯片基本上都设计了JTAG接口(JTAG接口根据IEEE11. 49.1标准而设计的边界扫描电路，专门用于完成仿真和测试的一套硬件电路)，TI公司在原有IEEE11491标准的基础上又进行了扩充，通过JTAG接口可以实现引脚连通性检验、外围 运行检验、访问片内所有资源、在线仿真、程序、厂家测试等。DSP开发装置中所说的 仿真器完成的功能是并行口数据格式向JTAG接口格式的转换；与传统意义上用仿真器暂时去 取代CPU的方式不同。

　　TI公司针对DSP软件开发和仿真调试已经推出了基于不同内核的综合开发平台CCS，针对2000系列内核DSP的综合开发平台是CCS2000，它支持标准C语言、汇编语言和算术助记语言，另外DSP—BIOS的使用和实时数据交换提供了方便快捷的开发环境。基于TMS320F2812的高压电机保护装置的软件开发和仿真调试选用的是CCStudio V2.02，采用标准C语言作为程序设计语言，其编译效率和直接用汇编语言已经没有太大的差距，并且由于在电机保护算法中要运用到大量的浮点运算和三角运算，而TI公司提供的浮点运算库IQMath可以在标准C程序中直接调用，对于普通的浮点乘法运算，其执行周期为20个时钟周期左右，三角函数运算的执行周期用40多个时钟周期，为复杂的开方运算执行周期也只用60个时钟周期，运算效率相当高，当系统工作频率在150 MHz时，这些浮点运算耗时相当少，有利于提高系统的实时性。

　　4功能设计

　　目前电机保护器已由过去的机械式发展为电子式和智能型，可直接显示电机的电流、电压、温度等参数，灵敏度高，可靠性高，功能多，调试方便，保护动作后故障种类一目了然，既减少了电机的损坏，又极大方便了故障的判断，有利于生产现场的故障处理和缩短恢复生产时间。另外，利用电机气隙磁场进行电机偏心检测技术，使电机磨损状态在线监测成为可能，通过曲线显示电机偏心程度的变化趋势，可早期发现轴承磨损和走内圆、走外圆等故障，做到早发现，早处理，避免扫膛事故发生。合理选用电机保护装置，实现既能充分发挥电机的过载能力，又能免于损坏，从而提高电力拖动系统的可靠性和生产的连续性。具体的功能选择应综合考虑电机的本身的价值、负载类型、使用环境、电机主体设备的重要程度、电机退出运行是否对生产系统造成严重影响等因素，力争做到经济合理。

　　(1)启动保护

　　电机的启动特性变化趋势与电压合闸角、电机负载特性、电机负载大小等因素有关，以往的电机保护大多都是按照躲过启动电流来整定，当启动过程中电流达到整定的启动电流时则保护动作，但实际可能会出现以下两种情况：一种是启动电流出现在加电后很短的时间内，此后电流急剧下降，很快达到正常状态，这种情况可能是正常的，但根据以上整定，则会出现误动；另一种情况是电机在启动过程中电流没有达到启动电流，但迟迟不能达到正常状态，即启动时间过长，而根据以上整定，将不会动作，这时就出现了保护拒动。针对这种情况，

 

 

　　这种启动保护算法原理正确，动作可靠，性能良好。

　　(2)电流速断保护和过流保护

　　主要是对电机的短路和运行过程中的堵转提供不同等级的保护功能，并对电机的启动提供后备保护。

　　(3)负序电流保护

　　当电机三相不对称时，将出现较大的负序电流，而负序电流的热效应会使电机过热大增，危及电机的安全运行，装置中提供了定时限负序过流保护和反时限负序过流保护，分别对电机的反相、断相、匝间短路等异常运行工况提供保护。

　　(4)热过载保护

　　根据电机的发热原理设计了一个发热模型，该模型以电流为输入量，考虑到正序和负 序电流的热效应不同，同时也根据电机的散热原理设计了散热模型，发热和散热模型中的 时间常数可以根据现场情况自由整定。

　　(5)零序过流保护

　　零序过流保护主要是为电机的接地故障提供保护。

　　(6)低电压保护

　　当电源电压短时降低或短时中断时，为保证重要电机自启动，要断开次要电机，就需要 配置低电压保护，其原理是当3个相间电压都小于定值并且超过时，低电压保护动作。

　　5结论

　　由于绝缘技术的不断发展，在电动机的设计上既要求增加出力，又要求减小体积，使新型电动机的热容量越来越小，过负荷能力越来越弱；再由于生产自动化程度的提高，要求电动机经常运行在频繁的起动、制动、正反转以及变负荷等多种方式，对电机保护装置提出了更高的要求。龙人计算机嵌入式事业部的电子工程师们设计的这项基于基于TMS320F2812的高压电机保护装置很好地解决了以上难题。希望对广大研究人员有所借鉴。