基于CAN 總線的電動機保護器的研究

1 引言 　　

電動機是現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要動力，而異步電動機由于結(jié)構(gòu)簡單、成本低、機械性能滿足大多數(shù)生產(chǎn)機械的要求，因此應(yīng)用范圍更加廣泛。但異步電動機經(jīng)常在高溫、高濕、多塵埃的環(huán)境中工作，容易發(fā)生堵轉(zhuǎn)、短路、斷相等故障，因此，設(shè)計設(shè)計性能優(yōu)越的保護裝置，對于電動機的安全使用具有很重要的意義。

目前，異步電動機保護主要采取熱繼電器型的過流保護，這種保護靈敏度低，切除故障時間長，往往在保護動作后電動機已經(jīng)損壞。隨著單片機技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展，以及智能化電動機保護技術(shù)研究的深入，促使電動機保護器朝著通信網(wǎng)絡(luò)化、保護裝置微機化、保護功能集成化等方面發(fā)展。

2 電動機常見故障分析以及保護措施 　　

電動機故障按對稱與否分為對稱故障和不對稱故障兩種。對稱故障有過載、堵轉(zhuǎn)、三相短路等，這類故障對電動機的影響主要是電流增大而引起熱效應(yīng)；不對稱故障又分為接地和不接地兩類，非接地故障包括斷相、逆相、相間短路，接地故障包括單相接地和二相接地。對稱分量法是分析電動機不對稱分量的常用方法。一組不對稱的三分量可以分解為正序、負序、和零序三組對稱的三分量，各序分量各自單獨存在。電動機發(fā)生不對稱故障時，將不對稱三相電壓和不對稱三相電流分別用它們的三相分量代替，從而相應(yīng)地形成正序、負序和零序三個等值網(wǎng)絡(luò)，然后進行故障分析。假設(shè)己知不對稱三相電流為IA，IB，IC ，電流的正序、負序和零序分量各為A1 A2 A0 I ，I ，I (以A 相為例)，根據(jù)對稱分量法，有式(1)或者式（2）所示的關(guān)系（因?qū)ΨQ關(guān)系，相序量只寫出A 相）。

對于電動機的不對稱故障問題，如斷相、相間短路、單相接地、兩相接地短路等，借助于對稱分量法分析比較簡單，即任意一組不對稱正弦量分解為三個平衡分量（正序分量/負序分量和零序分量），然后把各個分量對電動機所產(chǎn)生的影響分別計算，再把所得的結(jié)果疊加。

發(fā)生不對稱故障時，電動機電流可分解為正序、負序和零序分量。當電動機三相對稱時，負序和零序電流為零，而發(fā)生不對稱故障時則會顯著增加，因此在檢測電動機過流程度的同時，以序分量為基礎(chǔ)，檢測負序和零序電流的大小。這樣不但能更好地反應(yīng)電動機的運行狀況，還可以大大提高保護動作的靈敏度和可靠性。

3 CAN 總線簡介以及節(jié)點組成 　　

控制局域網(wǎng)絡(luò) CAN 是一種串行通信協(xié)議，能有效地支持具有很高安全等級的分布式實時控制。它由物理層和數(shù)據(jù)鏈路層兩部分組成，而數(shù)據(jù)鏈路層又包括邏輯鏈路控制子層和介質(zhì)訪問控制子層。CAN 總線的應(yīng)用范圍很廣，從高速的局域網(wǎng)絡(luò)到低價位的多路配線都可以使用CAN 總線。CAN 總線型結(jié)構(gòu)是一種適合工業(yè)現(xiàn)場自動控制的計算機局域網(wǎng)絡(luò)。在網(wǎng)絡(luò)的層次結(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)鏈路層和物理層是保證通信質(zhì)量不可缺少的部分，CAN 控制器就用來完成這個任務(wù)，對外CAN 控制器提供了與微處理器的物理線路的接口，通過對它的編程，CPU 可以設(shè)置不同的工作方式，控制它的工作狀態(tài)，進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，并把應(yīng)用層建立在它的基礎(chǔ)之上。CAN 總線高速發(fā)送接收器，又稱總線驅(qū)動器，提供了CAN控制器與物理總線之間的接口，以及對CAN 總線的差動發(fā)送和接收功能。

4 硬件設(shè)計 　　

該保護器的硬件電路主要有四部分：保護單元、通信單元、人機接口單元和主監(jiān)控通信單元。硬件設(shè)計原理圖如圖1 所示：

保護單元由數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換模塊和與控制微處理器組成。前者包括電壓互感器、電流互感器（采用三相電壓和各個電流信號）、低通濾波電路、電壓偏置電路和電壓跟隨器等電路，本單元可以實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換、報警、顯示以及設(shè)置等功能。

通信單元是由一塊雙RAM 芯片負責(zé)保護單元與通信單元之間的數(shù)據(jù)連通。微處理器P87C52X2 將通信單元的核心，一方面保證與保護單元的數(shù)據(jù)通訊，另一方面負責(zé)處理與CAN 總線的通信。CAN 控制器采用SJA1000,CAN 驅(qū)動器采用TJA1050，這兩個器件負責(zé)完成保護單元與CAN 總線的物理連接和數(shù)據(jù)傳送工作。

主監(jiān)控單元是電動機智能保護系統(tǒng)的核心，它接收來自現(xiàn)場保護控制單元傳來的電動機狀態(tài)和控制信息，同時根據(jù)需要向現(xiàn)場控制單元發(fā)出指令。它由一塊RS232－CAN 適配器和上位機PC 組成，RS232-CAN 適配器是基于串行通信協(xié)議的適配器，負責(zé)上位機與CAN總線的通信。人機接口單元通過串行接口與保護單元連接，它包括看門狗模塊、定時時鐘模塊、鍵盤輸入模塊、液晶顯示模塊、指示燈與復(fù)位按鈕等。

5 算法介紹及軟件設(shè)計 　　

在算法上，要綜合考慮計算精度和計算速度。根據(jù)研究情況和經(jīng)驗，本文采用周期函數(shù)的傅立葉算法。傅立葉算法用于提取基波分量或者提取某次諧波分量（例如二次諧波、三次諧波）非常方便。當采樣頻率為300hz 時，傅立葉算法的計算也很方便，用匯編語言編程也容易實現(xiàn)。另外，全波傅立葉算法所用的數(shù)據(jù)窗為一個周期；如果要提高微機保護的動作速度，也可以采用半波傅立葉算法。

主程序主要是用來實現(xiàn)通信協(xié)議中的各項功能。微處理器通過外部中斷來響應(yīng)CAN 總線通信。鍵盤顯示掃描的周期為1ms.并在主程序循環(huán)中不斷的查詢各類標志，如查詢到某個標志置位則轉(zhuǎn)入相應(yīng)的程序處理。主程序流程圖如圖2 所示：

將CAN 總線技術(shù)引入到電動機的保護中，就是為了讓其組成網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)主監(jiān)控單元對各個分散的保護單元的在線實時監(jiān)控，因此保護節(jié)點通信設(shè)計就關(guān)系到整個保護系統(tǒng)的可靠性和實用性。通信程序由三部分組成，分別是CAN 節(jié)點初始化程序，報文接收程序，報文發(fā)送程序。

SJA1000 的初始化只有在復(fù)位模式下才能進行，初始化主要包括工作方式的設(shè)置、接受濾波方式的設(shè)置、接受屏蔽寄存器和接受代碼寄存器的設(shè)置、波特率參數(shù)的設(shè)置和中斷允許寄存器的設(shè)置等等。在完成SJA1000 的初始化設(shè)置后，SJA1000 就可以回到工作狀態(tài)，進行通信任務(wù)。初始化流程圖如上圖3 所示。

發(fā)送子程序負責(zé)節(jié)點報文的發(fā)送。發(fā)送時只需要將待發(fā)送的數(shù)據(jù)按待定格式組合成一幀報文，送入SJA1000 發(fā)送緩存區(qū)中，并置位命令寄存器中的發(fā)送請求位標志，然后啟動SJA1000 發(fā)送即可。發(fā)送子程序報文發(fā)送分數(shù)據(jù)幀和遠程幀兩種。遠程幀無數(shù)據(jù)場。報文發(fā)送有兩種模式，即中斷和查詢?？紤]到通信實時性的要求，本文采用中斷模式。發(fā)送子程序流程圖如圖4 所示。

接收子程序負責(zé)節(jié)點報文的接收，并且要對諸如總線關(guān)閉、錯誤報警、接收溢出等情況進行處理。和發(fā)送子程序一樣，也有中斷和查詢兩種方式，本文采用中斷方式。接收子程序流程圖如圖5 所示。

6 創(chuàng)新點及結(jié)束語 　　

本文提出將 CAN 總線技術(shù)應(yīng)用到電動機保護中，使其組成網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了智能保護各節(jié)點之間、節(jié)點與上位機之間的通訊。本設(shè)計對于電動機的各種故障有良好的保護效果，在實驗室環(huán)境下仿真結(jié)果良好，在某鋼鐵廠生產(chǎn)車間的實際應(yīng)用中也取得了令人滿意的效果，達到預(yù)期目標。