基于CAN 總線的電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)

　　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(cè)量中采用定時(shí)采樣頻率為1 600 Hz ， 采樣間隔約為0.625 ms 。對(duì)于50 Hz 的工頻交流信號(hào)而言， 每個(gè)周波的采樣值為32 個(gè)點(diǎn)。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(guò)Fourier 算法得到Ia、Ib、Ic、I0、Ua、Ub、Uc和U0的幅值。同時(shí)計(jì)算推導(dǎo)出電動(dòng)機(jī)的有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)等參數(shù)。

　　1.1.2 開(kāi)入開(kāi)出模塊

　　開(kāi)入開(kāi)出模塊根據(jù)開(kāi)發(fā)要求， 裝置設(shè)計(jì)了12 路開(kāi)入量，12 路開(kāi)出量。開(kāi)入量用于電機(jī)啟動(dòng)、停機(jī)和報(bào)警狀態(tài)反饋等信息量的采集。12 路開(kāi)出量， 主要用于各種故障的跳合閘和報(bào)警使用。本系統(tǒng)采用由8 個(gè)I/O 口發(fā)出4 個(gè)開(kāi)出量信號(hào)以及通過(guò)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(gè)開(kāi)出量。為了防止干擾引起的誤動(dòng)， 利用兩個(gè)關(guān)聯(lián)的I/O 口同時(shí)輸出不同電平時(shí)光耦動(dòng)作， 實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)出信號(hào)的開(kāi)放與閉鎖功能。當(dāng)開(kāi)出條件滿足時(shí)， 開(kāi)出量再經(jīng)過(guò)TIL113 光電耦離后輸出， 驅(qū)動(dòng)外部繼電器， 實(shí)現(xiàn)保護(hù)出口動(dòng)作。

　　1.1.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元模塊

　　X5043 芯片是美國(guó)XICOR 公司生產(chǎn)的集上電復(fù)位、“ 看門狗” 定時(shí)器、電壓監(jiān)控和串行E2PROM 四項(xiàng)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(shí)器、電源電壓監(jiān)控功能對(duì)系統(tǒng)可以起到保護(hù)作用；512×8 bit 的E2PROM可用來(lái)存儲(chǔ)系統(tǒng)內(nèi)的重要數(shù)據(jù)。

　　1.2 監(jiān)控模塊

　　1.2.1 CAN 通信模塊

　　當(dāng)前有很多微控制器將CAN 控制器嵌入到系統(tǒng)之中，DSP 56F807 內(nèi)部也集成有CAN 控制器， 它支持標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展信息幀， 外圍只需連接CAN 收發(fā)器即可以方便地將CAN 控制器連接到CAN 總線網(wǎng)絡(luò)上， 網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，實(shí)時(shí)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。

　　1.2.2 其他模塊

　　RS-485 通訊： 通訊采用485 主從網(wǎng)絡(luò)， 使用MAXIM公司生產(chǎn)的差分平衡性收/發(fā)器芯片MAX485 ，MAX485系列芯片采用半雙工通訊， 可以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)器件綜合保護(hù)的聯(lián)網(wǎng)功能。每個(gè)IC 芯片包含一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)接收器， 符合RS-485/RS-422 通訊標(biāo)準(zhǔn)。

　　6N137 光耦合器是一款用于單通道的高速光耦合器， 具有溫度、電流和電壓補(bǔ)償功能， 在本次設(shè)計(jì)中， 使用6N137 光耦合器將DSP 中TXD1 和RXD1 信號(hào)與TX和RX 隔離開(kāi)。

　　顯示電路： 作為電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的顯示模塊， 本系統(tǒng)使用的LCD 是TG160128A1, 它已由制造商裝配好了液晶顯示驅(qū)動(dòng)， 并提供了驅(qū)動(dòng)電路的接口， 通過(guò)DSP56F807的I/O 口可以實(shí)現(xiàn)對(duì)LCD 的讀寫(xiě)操作。

　　電源模塊：DSP 的工作電壓是3.3 V， 而開(kāi)發(fā)板的供電電壓為5 V， 所以必須做一個(gè)5 V~3.3 V 電壓的轉(zhuǎn)換。

　　使用了AS1117M5 -33 芯片把5 V 電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V 電壓。數(shù)字電源和模擬電源之間用磁珠相連， 數(shù)字地和模擬地之間也用磁珠相連。模擬地和模擬電源之間連小電容， 數(shù)字地和數(shù)字電源之間也連小電容。

　　2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　在電機(jī)保護(hù)裝置中， 各檢測(cè)節(jié)點(diǎn)定期采集現(xiàn)場(chǎng)的電壓電流信號(hào)， 然后用傅里葉算法對(duì)采集來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理， 計(jì)算出電壓、電流的有效值和各次諧波分量值，并進(jìn)行幅值、相位、正負(fù)序等實(shí)時(shí)參數(shù)計(jì)算， 判斷得到的實(shí)時(shí)值是否超過(guò)限定值， 即判斷是否發(fā)生故障， 并通過(guò)CAN 總線將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)。

　　2.1 系統(tǒng)總體軟件

　　設(shè)計(jì)本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用的是模塊化設(shè)計(jì)， 分為三個(gè)部分： 初始化模塊、系統(tǒng)控制模塊和通信模塊。初始化模塊主要完成DSP 系統(tǒng)、外設(shè)部件， 以及系統(tǒng)管理方式的初始化等。由于電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)是實(shí)時(shí)性要求嚴(yán)格的系統(tǒng)，因而采用主程序模塊和中斷子程序模塊相結(jié)合的方法。

　　中斷子程序主要由保護(hù)模塊和通信模塊組成。主程序流程圖以及保護(hù)模塊流程圖如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)流程圖