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。

　　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、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相結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 結構， 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*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 結構具有并行工作、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。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

　　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。

圖2 系統(tǒng)硬件連接圖

　　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動， 并提供了驅動電路的接口， 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 電壓的轉換。

　　使用了AS1117M5 -33 芯片把5 V 電壓轉換為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)軟件設計

　　在電機保護裝置中， 各檢測節(jié)點定期采集現(xiàn)場的電壓電流信號， 然后用傅里葉算法對采集來的數(shù)據(jù)進行分析處理， 計算出電壓、電流的有效值和各次諧波分量值，并進行幅值、相位、正負序等實時參數(shù)計算， 判斷得到的實時值是否超過限定值， 即判斷是否發(fā)生故障， 并通過CAN 總線將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機。

　　2.1 系統(tǒng)總體軟件

　　設計本系統(tǒng)軟件設計采用的是模塊化設計， 分為三個部分： 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)、外設部件， 以及系統(tǒng)管理方式的初始化等。由于電機保護系統(tǒng)是實時性要求嚴格的系統(tǒng)，因而采用主程序模塊和中斷子程序模塊相結合的方法。

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

圖3 系統(tǒng)流程圖

　　2.2 各相電流、電壓幅值算法

　　由于56F807 芯片具有以下優(yōu)點： 在一個指令周期內可以完成一次加法和一次乘法， 程序和數(shù)據(jù)空間分開， 可以同時訪問指令和數(shù)據(jù)、支持流水線操作， 使取址、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊進行。另外其主頻極高，可以為在設計中采用復雜、精確的保護算法提供時間保證。故求取電流與電壓的幅值均采用付氏濾波算法。先求出付氏正、余弦系數(shù)， 再用平方、開方公式算出幅值。

　　設輸入電量為：

　　如有離散后一周波內連續(xù)N 點采樣值Y1、Y2，Y3,Yn， 則可求出全周傅氏正、余弦函數(shù)如下：

　　式中：N 為一周波采樣點數(shù)，600 Hz 采樣頻率時，N=12。

　　k=1 時得到基波的正、余弦系數(shù)為：

　　然后依據(jù)（6） 式計算出幅值的精確值， 進行準確、可靠的故障判斷。

　　由（6）式對幅值的計算中有兩次平方和一次開方， 計算量比較大， 所以選用有著強大計算功能的DSP， 可以不用考慮時間問題而保證幅值的精確性， 從而保證了保護的可靠性。

　　2.3 負序電流算法的選擇

　　負序電流作為電機保護中一種判據(jù)， 在判斷是否有不對稱故障和不對稱故障的類型時， 有著非常重要的作用。由于選用的DSP 有著非常強大的處理數(shù)據(jù)的能力，可以考慮用軟件計算的方法替代硬件邏輯的方法， 不僅可能減少硬件的連接， 而且能夠提高整個保護的可靠性和精確性。

　　由于三相電流XA、XB、XC可以根據(jù)對稱分量法分解為正序、負序和零序三個分量， 而對稱分量負序與三相基波相量的關系為：

　　由于采樣率為每周12 點， 三相電流采樣瞬時值為XA（k）、XB （k）、XC （k）， 則通過快速負序算法， 實際中取瞬時負序電流為：

　　由（8） 式可以看出， 負序電流的瞬時值于A 相第k點采樣，B 相第k 和第k-4 點采樣值以及C 相的第k-4點采樣值有關， 利用電流幅值計算公式就可以精確計算出負序電流的幅值。

　　2.4 CAN 通訊模塊

　　在各種現(xiàn)場總線中，CAN 總線不僅具有突出的可靠性、實時性和靈活性。而且還具備很多其他總線不具備的特點：

　　（1） 由報文標識符（11 bit 或者29 bit） 確定的總線訪問優(yōu)先級；（2） 采用非破壞性總線仲裁技術， 當兩個節(jié)點同時向總線發(fā)送信息時， 優(yōu)先級較低的節(jié)點會主動退出發(fā)送，優(yōu)先級較高的節(jié)點可以不受影響；（3）采用的是短幀結構， 傳輸時間短， 受干擾概率低，具有良好的檢錯效果， 而且CAN 的每幀信息都有CRC校驗， 保證了極低的數(shù)據(jù)出錯率；（4） 在CAN 節(jié)點嚴重錯誤的情況下具有自動關閉輸出功能， 以使總線上其他節(jié)點的操作不受影響；（5）CAN 只需通過報文濾波即可實現(xiàn)點對點、一點對多點及全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)。

　　每個發(fā)送緩沖區(qū)都有14 B 的寄存器結構。這個寄存器結構包括數(shù)據(jù)幀的標識符、等待發(fā)送的數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)幀的長度和發(fā)送緩沖優(yōu)先級寄存器。

　　2.5 CRC 校驗在56F807 中的算法實現(xiàn)

　　為了能夠將信息可靠快速的及時的傳給對方， 考慮傳輸距離、現(xiàn)場狀況、干擾等諸多因素的影響， 一般在通信時采用數(shù)據(jù)校驗的方法。循環(huán)冗余碼校驗就是常見的校驗方法之一。

　　循環(huán)冗余校驗碼CRC（Cyclic Redundancy Check Code）是線性分組碼的分支， 是一種檢錯能力很強的循環(huán)碼。

　　循環(huán)冗余校驗對傳送數(shù)據(jù)作錯誤檢測（Error Detecting） 是利用除法及余數(shù)的原理。編碼和解碼方法簡單， 容易實現(xiàn)， 檢錯能力強， 誤判概率幾乎為零， 而且這種方法取得校驗碼的方式具有很強的信息覆蓋能力， 是一種效率極高的錯誤校驗法。校驗基本原理如圖4 所示。

圖4 CRC 校驗基本原理圖

　　CRC 生產(chǎn)多項式G（x）由協(xié)議規(guī)定， 目前已有多種生產(chǎn)多項式列入國際標準中， 例如：

　　CRC-12 G（x）=x12+x11+x3+x2+x+1.

　　CRC-16 G（x） =x16 +x15 +x2 +1 等， 在本次設計中選用的是CRC-16 。

　　CRC 的編解碼用到模2 的多項式除法， 而多項式除法可以采用帶反饋的移位寄存器來實現(xiàn)， 因此， 用DSP來實現(xiàn)CRC 編解碼的關鍵是通過DSP 來模擬一個移位寄存器（也就是模擬手寫多項式除法）?？紤]到56F800 系列DSP 的累加器A 和B 均為32 bit ， 因此， 可以用一個32 bit 累加器A 作為移位寄存器。在CRC 的編碼和解碼中均涉及到碼的移位和異或操作， 這可以通過56F800 系列的LSR、LSL（ 邏輯移位） 和EOR（ 邏輯異或） 兩條指令來實現(xiàn)。CRC 校驗的流程圖如圖5 所示。

圖5 CRC 校驗流程圖

　　本設計是利用DSP56F807 芯片強大的功能， 配以外圍功能模塊， 實現(xiàn)對電動機的電流、電壓信號的整流、濾波并轉換為直流信號， 送到DSP 的A/D 口經(jīng)過保護算法， 判斷是否動作、故障處理以及參數(shù)設置、液晶顯示，并且通過現(xiàn)場總線對網(wǎng)內所有的電動機進行狀態(tài)實時監(jiān)測、運行控制、數(shù)據(jù)處理以及參數(shù)調整， 其功能是以前的簡單數(shù)字保護裝置無法相比的。通過對設計成的保護裝置樣機進行調試和分析表明， 保護動作正常， 其他相關保護測試都滿足相關要求， 初步驗證了系統(tǒng)硬件部分和軟件部分設計的正確性。

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