摘   要： 对三相异步电动机保护系统的硬件及软件实现进行了研究，以Freescale DSP 56F807微处理器为控制核心,配以CAN总线、液晶显示以及采样等其他功能模块。而现场总线技术把专用微处理器置于测量控制设备中，把单个分散的测量控制设备变成网络节点，将其连接成可以相互沟通信息、共同完成控制任务的网络系统。在算法上由于DSP有强大的数据处理能力，对瞬时电压、电流和负序电流的幅值进行精确的计算而不需考虑时间的问题，用软件计算的方法替代硬件逻辑，减少硬件资源的浪费。
关键词： 数字信号处理器； 微处理器； 电机控制； 现场总线

    电动机是各行各业应用最为广泛的动力设备，但由于在使用过程中保护力度不够，经常出现以下问题：装置功效低下，保护装置经常出现拒动从而使电动机烧毁，由于误动而跳闸。近年来，随着计算机技术、自动控制理论以及信号处理理论的不断发展，出现了以微处理器为核心、将继电保护与计算机技术相结合形成的微机继电保护装置。                        
1 系统硬件设计
    系统采用双CPU结构，设计并实现了一套由数字信号处理器56F807加单片机W78E516构成的微机保护测控装置。FREESCALE数字信号处理器56F807（此后简称为56F807）作为主芯片完成信号采集、信号处理、保护和通讯等功能。该芯片具有A/D转换、开入和开出回路以及串行通讯口等功能，信号输入电压为0 V~3 V，转换速度最快为每次同时扫描需要5.3 μs,采集的路数、位数和速率完全满足交流采样的要求。单片机W78E516完成人机接口的所有功能。两个模块之间采用基于MODBUS协议的RS-485总线进行实时通讯。这种双CPU结构具有并行工作、分工合作的优点，既保证了继电保护的速动性、选择性、灵敏性和可靠性，又实现了实时测量的高精度。通过CAN总线实现远程的实时监控与调试。因此，用户可以根据现场网络灵活选用通讯接口方式。这样真正实现了电动机的智能保护、集中监控和管理。该系统硬件框图见图1。按其功能分为两大模块：由数据采集模块、开入开出模块、EEPROM模块和DSP 56F807组成的保护模块;由CAN总线和通过RS-485总线连接的显示电路组成的监控模块。

1.1 保护模块功能
     保护模块的主要功能是完成数据的采集、处理、计算、保护逻辑判断和出口逻辑判断及动作。硬件电路图如图2所示。

1.1.1 数据采集模块
    该系统的模拟量采集使用56F807自带的12 bit、16通道的A/D转换器，电压和电流测量中采用定时采样频率为1 600 Hz，采样间隔约为0．625 ms。对于50 Hz的工频交流信号而言，每个周波的采样值为32个点。外部电流及电压输入经隔离互感器，低通滤波器输入至模数变换器，进行A/D转换得到若干序列的离散采样值，然后通过Fourier算法得到Ia、Ib、Ic、I0、Ua、Ub、Uc和U0的幅值。同时计算推导出电动机的有功功率、无功功率、功率因数等参数。
1.1.2 开入开出模块
    开入开出模块根据开发要求,装置设计了12路开入量，12路开出量。开入量用于电机启动、停机和报警状态反馈等信息量的采集。12路开出量，主要用于各种故障的跳合闸和报警使用。本系统采用由8个I/O口发出4个开出量信号以及通过8 bit串行输入，串/并行输出移位寄存器74HC595控制8组输出控制8个开出量。为了防止干扰引起的误动，利用两个关联的I/O口同时输出不同电平时光耦动作，实现对开出信号的开放与闭锁功能。当开出条件满足时，开出量再经过TIL113光电耦离后输出，驱动外部继电器，实现保护出口动作。
1.1.3 数据存储单元模块
    X5043芯片是美国XICOR公司生产的集上电复位、“看门狗”定时器、电压监控和串行E2PROM四项功能于一体的专用集成芯片，用以降低系统成本、节约电路板空间。X5043中上电复位、“看门狗”定时器、电源电压监控功能对系统可以起到保护作用；512×8 bit的E2PROM可用来存储系统内的重要数据。
1.2 监控模块
1.2.1 CAN通信模块
    当前有很多微控制器将CAN控制器嵌入到系统之中，DSP 56F807内部也集成有CAN控制器，它支持标准和扩展信息帧，外围只需连接CAN收发器即可以方便地将CAN控制器连接到CAN总线网络上，网络上任一节点均可在任意时刻主动向网络上其他节点发送信息，实时接收和发送数据。
1.2.2 其他模块
    RS-485通讯:通讯采用485主从网络，使用MAXIM公司生产的差分平衡性收/发器芯片MAX485，MAX485系列芯片采用半双工通讯，可以实现多台器件综合保护的联网功能。每个IC芯片包含一个驱动器和一个接收器，符合RS-485/RS-422通讯标准。
    6N137光耦合器是一款用于单通道的高速光耦合器，具有温度、电流和电压补偿功能，在本次设计中，使用6N137光耦合器将DSP中TXD1和RXD1信号与TX和RX隔离开。
    显示电路:作为电机保护系统的显示模块，本系统使用的LCD是TG160128A1,它已由制造商装配好了液晶显示驱动，并提供了驱动电路的接口,通过DSP56F807的I/O口可以实现对LCD的读写操作。
    电源模块:DSP的工作电压是3.3 V，而开发板的供电电压为5 V，所以必须做一个5 V~3.3 V电压的转换。使用了AS1117M5-33芯片把5 V电压转换为3.3 V电压。数字电源和模拟电源之间用磁珠相连，数字地和模拟地之间也用磁珠相连。模拟地和模拟电源之间连小电容，数字地和数字电源之间也连小电容。
2 系统软件设计
    在电机保护装置中，各检测节点定期采集现场的电压电流信号，然后用傅里叶算法对采集来的数据进行分析处理，计算出电压、电流的有效值和各次谐波分量值，并进行幅值、相位、正负序等实时参数计算，判断得到的实时值是否超过限定值，即判断是否发生故障，并通过CAN总线将数据发送到上位机。
2.1 系统总体软件设计
    本系统软件设计采用的是模块化设计，分为三个部分：初始化模块、系统控制模块和通信模块。初始化模块主要完成DSP系统、外设部件，以及系统管理方式的初始化等。由于电机保护系统是实时性要求严格的系统，因而采用主程序模块和中断子程序模块相结合的方法。中断子程序主要由保护模块和通信模块组成。主程序流程图以及保护模块流程图如图3所示。

2.2 各相电流、电压幅值算法
    由于56F807芯片具有以下优点：在一个指令周期内可以完成一次加法和一次乘法，程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据、支持流水线操作，使取址、译码和执行等操作可以重叠进行。另外其主频极高，可以为在设计中采用复杂、精确的保护算法提供时间保证。故求取电流与电压的幅值均采用付氏滤波算法。先求出付氏正、余弦系数，再用平方、开方公式算出幅值。设输入电量为：

    由(6)式对幅值的计算中有两次平方和一次开方，计算量比较大，所以选用有着强大计算功能的DSP，可以不用考虑时间问题而保证幅值的精确性，从而保证了保护的可靠性。
2.3 负序电流算法的选择
    负序电流作为电机保护中一种判据，在判断是否有不对称故障和不对称故障的类型时，有着非常重要的作用。由于选用的DSP有着非常强大的处理数据的能力，可以考虑用软件计算的方法替代硬件逻辑的方法，不仅可能减少硬件的连接，而且能够提高整个保护的可靠性和精确性。


    由(8)式可以看出，负序电流的瞬时值于A相第k点采样，B相第k和第k-4点采样值以及C相的第k-4点采样值有关，利用电流幅值计算公式就可以精确计算出负序电流的幅值。
2.4 CAN通讯模块
    在各种现场总线中，CAN总线不仅具有突出的可靠性、实时性和灵活性。而且还具备很多其他总线不具备的特点：
    (1)由报文标识符(11 bit或者29 bit)确定的总线访问优先级；
    (2)采用非破坏性总线仲裁技术,当两个节点同时向总线发送信息时,优先级较低的节点会主动退出发送，优先级较高的节点可以不受影响；
    (3)采用的是短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有良好的检错效果，而且CAN的每帧信息都有CRC校验，保证了极低的数据出错率；
    (4)在CAN节点严重错误的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响；
    (5)CAN只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据。
    每个发送缓冲区都有14 B的寄存器结构。这个寄存器结构包括数据帧的标识符、等待发送的数据、发送数据帧的长度和发送缓冲优先级寄存器。
2.5 CRC校验在56F807中的算法实现
　 为了能够将信息可靠快速的及时的传给对方，考虑传输距离、现场状况、干扰等诸多因素的影响，一般在通信时采用数据校验的方法。循环冗余码校验就是常见的校验方法之一。
    循环冗余校验码CRC(Cyclic Redundancy Check Code)是线性分组码的分支，是一种检错能力很强的循环码。循环冗余校验对传送数据作错误检测(Error Detecting)是利用除法及余数的原理。编码和解码方法简单，容易实现，检错能力强，误判概率几乎为零，而且这种方法取得校验码的方式具有很强的信息覆盖能力，是一种效率极高的错误校验法。校验基本原理如图4所示。

　　CRC生产多项式G(x)由协议规定，目前已有多种生产多项式列入国际标准中，例如：
　　CRC-12 G(x)=x12+x11+x3+x2+x+1
　　CRC-16 G(x)=x16+x15+x2+1等，在本次设计中选用的是CRC-16。
    CRC的编解码用到模2的多项式除法，而多项式除法可以采用带反馈的移位寄存器来实现，因此，用DSP来实现CRC编解码的关键是通过DSP来模拟一个移位寄存器(也就是模拟手写多项式除法)。考虑到56F800系列DSP的累加器A和B均为32 bit，因此，可以用一个32 bit累加器A作为移位寄存器。在CRC的编码和解码中均涉及到码的移位和异或操作,这可以通过56F800系列的LSR、LSL(逻辑移位)和EOR(逻辑异或)两条指令来实现。CRC校验的流程图如图5所示。

    本设计是利用DSP56F807芯片强大的功能，配以外围功能模块，实现对电动机的电流、电压信号的整流、滤波并转换为直流信号，送到DSP的A/D口经过保护算法,判断是否动作、故障处理以及参数设置、液晶显示，并且通过现场总线对网内所有的电动机进行状态实时监测、运行控制、数据处理以及参数调整，其功能是以前的简单数字保护装置无法相比的。通过对设计成的保护装置样机进行调试和分析表明，保护动作正常，其他相关保护测试都满足相关要求，初步验证了系统硬件部分和软件部分设计的正确性。
参考文献
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