基于CAN總線的電動機保護裝置的設計

摘 要： 對三相異步電動機保護系統(tǒng)的硬件及軟件實現(xiàn)進行了研究，以Freescale DSP 56F807微處理器為控制核心,配以CAN總線、液晶顯示以及采樣等其他功能模塊。而現(xiàn)場總線技術(shù)把專用微處理器置于測量控制設備中，把單個分散的測量控制設備變成網(wǎng)絡節(jié)點，將其連接成可以相互溝通信息、共同完成控制任務的網(wǎng)絡系統(tǒng)。在算法上由于DSP有強大的數(shù)據(jù)處理能力，對瞬時電壓、電流和負序電流的幅值進行精確的計算而不需考慮時間的問題，用軟件計算的方法替代硬件邏輯，減少硬件資源的浪費。
關(guān)鍵詞： 數(shù)字信號處理器； 微處理器； 電機控制； 現(xiàn)場總線

電動機是各行各業(yè)應用最為廣泛的動力設備，但由于在使用過程中保護力度不夠，經(jīng)常出現(xiàn)以下問題：裝置功效低下，保護裝置經(jīng)常出現(xiàn)拒動從而使電動機燒毀，由于誤動而跳閘。近年來，隨著計算機技術(shù)、自動控制理論以及信號處理理論的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了以微處理器為核心、將繼電保護與計算機技術(shù)相結(jié)合形成的微機繼電保護裝置。

1 系統(tǒng)硬件設計
系統(tǒng)采用雙CPU結(jié)構(gòu)，設計并實現(xiàn)了一套由數(shù)字信號處理器56F807加單片機W78E516構(gòu)成的微機保護測控裝置。FREESCALE數(shù)字信號處理器56F807（此后簡稱為56F807）作為主芯片完成信號采集、信號處理、保護和通訊等功能。該芯片具有A/D轉(zhuǎn)換、開入和開出回路以及串行通訊口等功能，信號輸入電壓為0 V~3 V，轉(zhuǎn)換速度最快為每次同時掃描需要5.3 μs,采集的路數(shù)、位數(shù)和速率完全滿足交流采樣的要求。單片機W78E516完成人機接口的所有功能。兩個模塊之間采用基于MODBUS協(xié)議的RS-485總線進行實時通訊。這種雙CPU結(jié)構(gòu)具有并行工作、分工合作的優(yōu)點，既保證了繼電保護的速動性、選擇性、靈敏性和可靠性，又實現(xiàn)了實時測量的高精度。通過CAN總線實現(xiàn)遠程的實時監(jiān)控與調(diào)試。因此，用戶可以根據(jù)現(xiàn)場網(wǎng)絡靈活選用通訊接口方式。這樣真正實現(xiàn)了電動機的智能保護、集中監(jiān)控和管理。該系統(tǒng)硬件框圖見圖1。按其功能分為兩大模塊：由數(shù)據(jù)采集模塊、開入開出模塊、EEPROM模塊和DSP 56F807組成的保護模塊;由CAN總線和通過RS-485總線連接的顯示電路組成的監(jiān)控模塊。

1.1 保護模塊功能
保護模塊的主要功能是完成數(shù)據(jù)的采集、處理、計算、保護邏輯判斷和出口邏輯判斷及動作。硬件電路圖如圖2所示。

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，電壓和電流測量中采用定時采樣頻率為1 600 Hz，采樣間隔約為0．625 ms。對于50 Hz的工頻交流信號而言，每個周波的采樣值為32個點。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，進行A/D轉(zhuǎn)換得到若干序列的離散采樣值，然后通過Fourier算法得到Ia、Ib、Ic、I0、Ua、Ub、Uc和U0的幅值。同時計算推導出電動機的有功功率、無功功率、功率因數(shù)等參數(shù)。

1.1.2 開入開出模塊
開入開出模塊根據(jù)開發(fā)要求,裝置設計了12路開入量，12路開出量。開入量用于電機啟動、停機和報警狀態(tài)反饋等信息量的采集。12路開出量，主要用于各種故障的跳合閘和報警使用。本系統(tǒng)采用由8個I/O口發(fā)出4個開出量信號以及通過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個開出量。為了防止干擾引起的誤動，利用兩個關(guān)聯(lián)的I/O口同時輸出不同電平時光耦動作，實現(xiàn)對開出信號的開放與閉鎖功能。當開出條件滿足時，開出量再經(jīng)過TIL113光電耦離后輸出，驅(qū)動外部繼電器，實現(xiàn)保護出口動作。

1.1.3 數(shù)據(jù)存儲單元模塊
X5043芯片是美國XICOR公司生產(chǎn)的集上電復位、“看門狗”定時器、電壓監(jiān)控和串行E2PROM四項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中上電復位、“看門狗”定時器、電源電壓監(jiān)控功能對系統(tǒng)可以起到保護作用；512×8 bit的E2PROM可用來存儲系統(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，它支持標準和擴展信息幀，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)絡上，網(wǎng)絡上任一節(jié)點均可在任意時刻主動向網(wǎng)絡上其他節(jié)點發(fā)送信息，實時接收和發(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，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，可以實現(xiàn)多臺器件綜合保護的聯(lián)網(wǎng)功能。每個IC芯片包含一個驅(qū)動器和一個接收器，符合RS-485/RS-422通訊標準。

6N137光耦合器是一款用于單通道的高速光耦合器，具有溫度、電流和電壓補償功能，在本次設計中，使用6N137光耦合器將DSP中TXD1和RXD1信號與TX和RX隔離開。

顯示電路:作為電機保護系統(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，并提供了驅(qū)動電路的接口,通過DSP56F807的I/O口可以實現(xiàn)對LCD的讀寫操作。

電源模塊:DSP的工作電壓是3.3 V，而開發(fā)板的供電電壓為5 V，所以必須做一個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。