基于CAN 總線的電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的研究

　　摘要：本文簡(jiǎn)要描述了電動(dòng)機(jī)故障分析中的對(duì)稱分量法和CAN總線的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。在分析算法的基礎(chǔ)上,結(jié)合CAN總線通信的要求,提出基于CAN總線的電動(dòng)機(jī)保護(hù)的方案,并介紹了設(shè)計(jì)方案的硬件結(jié)構(gòu)和程序流程圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及在工廠生產(chǎn)車間的實(shí)際運(yùn)行情況表明,該設(shè)計(jì)功能合理、可靠高效,達(dá)到了預(yù)期的效果。

　　1 引言

　　電動(dòng)機(jī)是現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要?jiǎng)恿?，而異步電?dòng)機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、機(jī)械性能滿足大多數(shù)生產(chǎn)機(jī)械的要求，因此應(yīng)用范圍更加廣泛。但異步電動(dòng)機(jī)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(jì)設(shè)計(jì)性能優(yōu)越的保護(hù)裝置，對(duì)于電動(dòng)機(jī)的安全使用具有很重要的意義。

　　目前，異步電動(dòng)機(jī)保護(hù)主要采取熱繼電器型的過(guò)流保護(hù)，這種保護(hù)靈敏度低，切除故障時(shí)間長(zhǎng)，往往在保護(hù)動(dòng)作后電動(dòng)機(jī)已經(jīng)損壞。隨著單片機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展，以及智能化電動(dòng)機(jī)保護(hù)技術(shù)研究的深入，促使電動(dòng)機(jī)保護(hù)器朝著通信網(wǎng)絡(luò)化、保護(hù)裝置微機(jī)化、保護(hù)功能集成化等方面發(fā)展。

　　2 電動(dòng)機(jī)常見(jiàn)故障分析以及保護(hù)措施

　　電動(dòng)機(jī)故障按對(duì)稱與否分為對(duì)稱故障和不對(duì)稱故障兩種。對(duì)稱故障有過(guò)載、堵轉(zhuǎn)、三相短路等，這類故障對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響主要是電流增大而引起熱效應(yīng)；不對(duì)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(duì)稱分量法是分析電動(dòng)機(jī)不對(duì)稱分量的常用方法。一組不對(duì)稱的三分量可以分解為正序、負(fù)序、和零序三組對(duì)稱的三分量，各序分量各自單獨(dú)存在。電動(dòng)機(jī)發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，將不對(duì)稱三相電壓和不對(duì)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(fù)序和零序三個(gè)等值網(wǎng)絡(luò)，然后進(jìn)行故障分析。假設(shè)己知不對(duì)稱三相電流為IA，IB，IC ，電流的正序、負(fù)序和零序分量各為A1 A2 A0 I ，I ，I (以A 相為例)，根據(jù)對(duì)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(xiě)出A 相）。

　　對(duì)于電動(dòng)機(jī)的不對(duì)稱故障問(wèn)題，如斷相、相間短路、單相接地、兩相接地短路等，借助于對(duì)稱分量法分析比較簡(jiǎn)單，即任意一組不對(duì)稱正弦量分解為三個(gè)平衡分量（正序分量/負(fù)序分量和零序分量），然后把各個(gè)分量對(duì)電動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的影響分別計(jì)算，再把所得的結(jié)果疊加。

　　發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，電動(dòng)機(jī)電流可分解為正序、負(fù)序和零序分量。當(dāng)電動(dòng)機(jī)三相對(duì)稱時(shí)，負(fù)序和零序電流為零，而發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)則會(huì)顯著增加，因此在檢測(cè)電動(dòng)機(jī)過(guò)流程度的同時(shí)，以序分量為基礎(chǔ)，檢測(cè)負(fù)序和零序電流的大小。這樣不但能更好地反應(yīng)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀況，還可以大大提高保護(hù)動(dòng)作的靈敏度和可靠性。

　　3 CAN 總線簡(jiǎn)介以及節(jié)點(diǎn)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(jí)的分布式實(shí)時(shí)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(wèn)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(jià)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(chǎng)自動(dòng)控制的計(jì)算機(jī)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(lái)完成這個(gè)任務(wù)，對(duì)外CAN 控制器提供了與微處理器的物理線路的接口，通過(guò)對(duì)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(jìn)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(dòng)器，提供了CAN控制器與物理總線之間的接口，以及對(duì)CAN 總線的差動(dòng)發(fā)送和接收功能。

　　4 硬件設(shè)計(jì)

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

　　保護(hù)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(gè)電流信號(hào)）、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(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換、報(bào)警、顯示以及設(shè)置等功能。

　　通信單元是由一塊雙RAM 芯片負(fù)責(zé)保護(hù)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(hù)單元的數(shù)據(jù)通訊，另一方面負(fù)責(zé)處理與CAN 總線的通信。CAN 控制器采用SJA1000,CAN 驅(qū)動(dòng)器采用TJA1050，這兩個(gè)器件負(fù)責(zé)完成保護(hù)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(dòng)機(jī)智能保護(hù)系統(tǒng)的核心，它接收來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)控制單元傳來(lái)的電動(dòng)機(jī)狀態(tài)和控制信息，同時(shí)根據(jù)需要向現(xiàn)場(chǎng)控制單元發(fā)出指令。它由一塊RS232－CAN 適配器和上位機(jī)PC 組成，RS232-CAN 適配器是基于串行通信協(xié)議的適配器，負(fù)責(zé)上位機(jī)與CAN總線的通信。人機(jī)接口單元通過(guò)串行接口與保護(hù)單元連接，它包括看門(mén)狗模塊、定時(shí)時(shí)鐘模塊、鍵盤(pán)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(jì)

　　在算法上，要綜合考慮計(jì)算精度和計(jì)算速度。根據(jù)研究情況和經(jīng)驗(yàn)，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(dāng)采樣頻率為300hz 時(shí)，傅立葉算法的計(jì)算也很方便，用匯編語(yǔ)言編程也容易實(shí)現(xiàn)。另外，全波傅立葉算法所用的數(shù)據(jù)窗為一個(gè)周期；如果要提高微機(jī)保護(hù)的動(dòng)作速度，也可以采用半波傅立葉算法。

　　主程序主要是用來(lái)實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議中的各項(xiàng)功能。微處理器通過(guò)外部中斷來(lái)響應(yīng)CAN 總線通信。鍵盤(pán)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(biāo)志，如查詢到某個(gè)標(biāo)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(dòng)機(jī)的保護(hù)中，就是為了讓其組成網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)主監(jiān)控單元對(duì)各個(gè)分散的保護(hù)單元的在線實(shí)時(shí)監(jiān)控，因此保護(hù)節(jié)點(diǎn)通信設(shè)計(jì)就關(guān)系到整個(gè)保護(hù)系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性。通信程序由三部分組成，分別是CAN 節(jié)點(diǎn)初始化程序，報(bào)文接收程序，報(bào)文發(fā)送程序。

　　SJA1000 的初始化只有在復(fù)位模式下才能進(jìn)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(jìn)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(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)報(bào)文的發(fā)送。發(fā)送時(shí)只需要將待發(fā)送的數(shù)據(jù)按待定格式組合成一幀報(bào)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(qǐng)求位標(biāo)志，然后啟動(dòng)SJA1000 發(fā)送即可。發(fā)送子程序報(bào)文發(fā)送分?jǐn)?shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀兩種。遠(yuǎn)程幀無(wú)數(shù)據(jù)場(chǎng)。報(bào)文發(fā)送有兩種模式，即中斷和查詢?？紤]到通信實(shí)時(shí)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(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)報(bào)文的接收，并且要對(duì)諸如總線關(guān)閉、錯(cuò)誤報(bào)警、接收溢出等情況進(jìn)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(diǎn)及結(jié)束語(yǔ)

　　本文提出將 CAN 總線技術(shù)應(yīng)用到電動(dòng)機(jī)保護(hù)中，使其組成網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了智能保護(hù)各節(jié)點(diǎn)之間、節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)之間的通訊。本設(shè)計(jì)對(duì)于電動(dòng)機(jī)的各種故障有良好的保護(hù)效果，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下仿真結(jié)果良好，在某鋼鐵廠生產(chǎn)車間的實(shí)際應(yīng)用中也取得了令人滿意的效果，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

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