智能电动机保护器系统设计

    随着科学技术的发展，电机保护装置中逐渐使用了电子保护装置。在国外，目前电子保护装置已在电力系统和电机保护装置中获得了广泛应用，国内也开始推广[1]。电子保护装置的优点是：基本上由静止元件组成。它动作速度快，不存在机械位移和磨损，精度和寿命一般均比有触点继电器高，耐冲击和振动，可靠性好。另外，电子电路动作功率小，灵敏度高。
    数字信号处理器(DSP)具有流线型操作功能和单周期完成乘法的结构，由其组成的系统能实时
    进行频谱分析。高速14位A/D转换器MAX126带多路开关和采样保持器，非常适用电机信号的采集。为了实现对电机的可靠保护，提出了以TMS320LF2407的为核心，对过载、轻载、不平衡、断相、过压和欠压等常见故障具有综合检测保护功能的智能电机保护器。
    1 系统基本原理和设计思想
    电机运行中常常会出现不正常的运行状态。这些不正常的运行状态包括：过载、堵转、短路、轻载、不平衡、断相、过压、欠压和漏电。电机保护是在检测三相电压UA、UB、UC，三相电流IA、IB、IC和漏电流IL的基础上做出的。具体过程如下：
    (1) 设置各个参数，由PC机发出控制信号;
    (2) 采样三相电压、三相电流和漏电流，得到实时值;
    (3) 利用FFT算法对数据进行处理和计算，得到三相电压、电流的有效值、有功功率、无功功率以及功率因数;
    (4) 判断电机是否处于不正常的运行状态;
    (5) 通过RS-485接口把数据发送到显示部分，显示在LCD上。
    系统的硬件框图如图1所示。CPU选用TI公司的TMS320LF2407，其丰富的硬件资源在系统中得到了充分的应用，加上少量的外围器件，就构成了一个功能完善、简便适用的系统。
    2 系统硬件设计
    2.1 TMS320LF2407
    TMS320LF2407也称为DSP控制器，是TI公司专门针对电机、逆变器、机器人、数控机床等控制而设计的[2-4]。 TMS320LF2407采用高性能静态CMOS技术，使得供电电压降为3.3V，减小了控制器的功耗;30MIPS的执行速度使得指令周期缩短到 33ns(30MHZ)，从而提高了控制器的实时控制能力。它包括了两个事件管理器模块EVA和EVB，能够实现：三相反相器控制;PWM的对称和非对称波形;3个捕获单元;16通道A/D转换器。事件管理器模块适用于控制交流感应电机、无刷直流电机、开关磁阻电机、步进电机、多级电机和逆变器。
    2.2 TMS320LF2407和MAX126的接口电路
    TMS320LF2407芯片内部虽然包含双10位的A/D转换模块，但只能同时采样和转换两个输入通道，不满足电机监控系统同时采样多路的要求。MAX126是MAXIM公司生产的高速14位逐次比较型A/D转换芯片，4路同步采样/保持器可以对4个通道的信号同时采样。
    本系统采样7路信号，所以使用两片MAX126芯片，且都工作于A组多路开关、4路采样，转换时间为12ms。DSP和MAX126的接口电路如图2所示[5]。通过不同的I/O操作就可以控制MAX126正常工作。
    2.3 显示电路
    显示电路以AT89S52为核心，液晶显示模块采用MGLS240128T，接口电路如图3所示。
    液晶显示模块控制器T6963C的数据总线DB0~DB7与AT89S52的P0口相连。T6963C的读写控制信号RD/WD分别由 AT89S52的外部ROM读写控制信号RD/WD控制。CE是片选信号，由AT89S52的P2.7控制，低电平时选通。C/D为寄存器选择信号，输入低电平表示本次读写的是数据;输入高电平表示本次写的是命令，读的是T6963C的状态。
    2.4 通讯电路
    本系统采用总线型分布式网络结构。网络结构如图4所示。各保护器通过MAX485组建RS485通讯总线，PC机和RS485总线之间通过RS232/RS485转换卡连接。
    PC机的功能是提供良好的操作界面，允许管理者修改参数。管理者通过操作界面可以向各保护器发送控制命令。保护器可以接收主机的命令，根据命令驱动电气设备的合闸或跳闸，以及测量各个电气参数，并将电气参数传输到显示模块显示。
    显示部分使用LCD模块显示电气参数。
    各保护器和485总线的接口电路如图5所示。MAX485芯片为RS485芯片，两个控制端由DSP的两个I/O口控制，另外由一个I/O口负责数据的传输方向的选择。
    2.5 保护动作电路
    所有保护电路的执行电路如图6所示，主要是通过继电器的通断来完成。如果电机发生故障，则DSP芯片产生低电平，促使光耦导通，从而使继电器动作，保护了电机。
    3 系统软件设计
    有了硬件运行平台，必须设计相应的软件才能发挥其应用的功效。由于软件的灵活性，可以根据系统的要求随意的更改、增减，所以系统的智能化程度很大部分取决于软件结构是否合理，功能是否全面。
    保护器DSP部分采用C语言编程，控制软件主要由控制程序、显示程序、通讯程序等组成。
    4.1 控制程序
    智能电机 保护器通过检测线路中的电流和电压，经计算、分析来实现各种保护功能，并且实时显示线路的参数和记录故障状态。
    本系统通过TMS320LF2407内部定时器中断启动A/D转换。设定初始采样频率2.56KHz，则采样间隔 390.625ms，即390.635ms触发一次A/D。MAX126的12路A/D转换完成后，发送中断请求信号到DSP的XINT1脚。控制程序的流程图如图7所示。
    4.2 中断程序
    中断程序的功能是采样和存储采样数据。在电机保护系统中，一般存储数据的下一步就是对各相的电压和电流采样值进行FFT分析，因此在存储数据时要注意以下两个问题：
    (1) 尽管电压和电流采样的数据是离散实数序列，但是进行FFT后，变成FFT复数序列，因而一般将A/D转换后的电压和电流实数序列看成虚部为零的复数序列，用连续的内存空间存放复数，实部在前，虚部在后。
    (2) FFT的输入和输出序列存在“正序—逆序”或者“逆序—正序”的关系，所以为了简化后续计算，在存储采样数据时一般采用“逆向进位加变址量”的间接寻址方式，DSP中的指令为*BR0+。
    中断部分的程序流程图如图8所示：
    4.3 显示程序
    显示部分的程序流程图如图9所示。
    4.4 通讯程序
    通讯部分主要是两部分组成的：1、PC和DSP之间的485通讯;2、DSP和AT89S52之间的RS485通讯。
    PC机部分用Labview编程。Labview提供了功能强大的VISA(Virtual Instrument Software Architecture)库，完成计算机与仪器之间的连接，用以实现对仪器的程序控制。