基于LPC2132的智能電動機保護器設(shè)計

      1 引 言

      隨著電動機控制中心(MCC)技術(shù)的發(fā)展，模塊化的智能電動機保護器得到了越來越廣泛的應用，同時也對電動機保護提出了更高的要求。針對電氣監(jiān)控系統(tǒng)自動化程度越來越高的發(fā)展趨勢，用低壓智能電動機保護控制器作為發(fā)電廠低壓電動機的保護和測控，是提高電氣監(jiān)控系統(tǒng)運行維護水平的重要手段。

      目前傳統(tǒng)的8／16位的單片機仍然廣泛應用于電氣保護中，但是他們僅僅具有基本的測量控制功能，在人機界面、數(shù)據(jù)查詢、監(jiān)控處理能力比較有限，大部分缺少網(wǎng)絡(luò)通信功能。在實現(xiàn)自動在線監(jiān)測領(lǐng)域中，ARM芯片在多目標采集，多層次監(jiān)測和網(wǎng)絡(luò)化等方面具有強大的優(yōu)勢。由于LPC2132屬于ARM7系列處理器，能對多個采樣點進行同時測量，具有強大的數(shù)據(jù)處理功能。同時，保護器包括強大的網(wǎng)絡(luò)功能和動作保護記錄功能，支持開放式的通訊協(xié)議，構(gòu)筑成有效的保護測控網(wǎng)絡(luò)。

      2 系統(tǒng)的功能特點

      智能保護器主要是以LPC2132微處理器為運算核心，含有模擬數(shù)字量采集，繼電保護，界面顯示和按鍵控制等功能模塊。系統(tǒng)外接標準的：RS 485通信接口，實現(xiàn)與監(jiān)控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸和聯(lián)系。LPC2132是一個支持實時仿真和跟蹤的32位ARM7TDMI-S核的微處理器，并帶64 kB的高速FLASH存儲器，4個通信接口，2個32位定時器，1個10位8路ADC，2個硬件鐵電接口47個GPIO以及多達9個邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷。

      除可以完成傳統(tǒng)測量控制保護的功能外，保護器在設(shè)計上主要具有以下特點：

      針對繼電保護中常出現(xiàn)的誤動情況，把采樣量測量突變瞬時啟動和靜穩(wěn)檢測元件相結(jié)合，作為保護裝置的啟動元件模式，從警告信號發(fā)出和保護動作產(chǎn)生設(shè)計兩級閉鎖通道，從而保證啟動元件的靈敏度和靜穩(wěn)狀態(tài)破壞時保護器不會產(chǎn)生誤動；

      通過設(shè)置功能選擇菜單，用戶可以根據(jù)自己的需要去掉不必要的功能任務(wù)，減少計算量，提高系統(tǒng)運算速度和精度；

      利用ARM系列單片機強大的網(wǎng)絡(luò)通信功能，增大數(shù)據(jù)的采樣通道數(shù)量，實時跟蹤顯示采樣量信息，有效解決了在分布式電氣監(jiān)測控制系統(tǒng)(ECS)中的信息傳輸延時問題。

      3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

      3．1 硬件總體結(jié)構(gòu)

      電動機保護器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。保護器主要分為6個部分：主處理器LPC2132、信號采集模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、界面顯示模塊、按鍵控制模塊和繼電保護模塊。    

      在裝置前端，輸入電路將采集的三相電流和電壓經(jīng)過互感器和運算放大器轉(zhuǎn)變成適合A／D轉(zhuǎn)換的直流信號。系統(tǒng)內(nèi)部集成了一個逐次逼近型的10位8路A／D轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器具有高達400 kb／s采樣速度，完全滿足了系統(tǒng)實時監(jiān)控的要求；另外在A／D轉(zhuǎn)換電路中增加了獨立的基準電壓源，防止外壓的波動，提高裝置轉(zhuǎn)換精度。由于微處理器LPC2132具有非常高的控制和處理能力，一般主頻工作速度可達60 MHz，可以同時處理多個開關(guān)量輸入和4路繼電量輸出。通過對采樣信號的邏輯運算，實現(xiàn)系統(tǒng)的通信保護和控制功能。

      系統(tǒng)裝置的功能輸出和保護動作主要由芯片的引腳使能控制，但是外接電壓的抖動，常常導致芯片的基準電壓發(fā)生變化。在外部掉壓情況下，為使芯片迅速復位，進入正常工作狀態(tài)，系統(tǒng)內(nèi)部加入了掉電檢測電路。檢測電路分為兩級檢測，前級預警，后級動作。通過快速中斷復位防止FLASH內(nèi)容發(fā)生改變。另外在硬件電路設(shè)計中充分考慮了抗干擾設(shè)計，如在系統(tǒng)所有開入開出以及通訊部分都加入了光電耦合器進行隔離，保證了系統(tǒng)在現(xiàn)場應用中良好的可靠性。

      3．2 部分外圍硬件電路

      3．2．1 液晶顯示電路

      圖2為液晶顯示控制電路，采用顯示器采用驅(qū)動芯片HT1621，所有被測量參數(shù)、保護信息、故障信息通過HT1621傳輸控制在面板液晶顯示器實時顯示。LED指示燈顯示裝置所處狀態(tài)，如運行、故障、通訊等。通過按鍵可以進行面板菜單操作，查閱測量、保護、故障事件信息。    

      3．2．2 通信接口電路設(shè)計
     
      LPC2132具有兩個符合16C550工業(yè)標準的通用異步收發(fā)器(UART)接口，實現(xiàn)下位機和上位機，保護器和計算機監(jiān)控系統(tǒng)之間的實時通信，通訊地址設(shè)置為(1～250)，通訊速率(1 200～115 200 kb／s)可設(shè)，采用國際標準的MODBUS協(xié)議，根據(jù)所測量參數(shù)設(shè)置通信規(guī)約。為防止數(shù)據(jù)在通訊傳輸?shù)氖д娴那闆r，在接口電路中加入了光藕隔離。通信接口電路設(shè)計如圖3所示。    

      4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

      軟件部分的設(shè)計主要采用嵌入式C語言，在ADS 1．2編譯環(huán)境中進行，結(jié)構(gòu)清晰，方便升級和移植。程序框架以主程序為核心，包括初始化程序、自檢、主程序、定時中斷程序和各個功能模塊子程序，各個子程序的功能在主程序中得到實現(xiàn)。    

      (1)初始化和自檢

      初始化主要包括管腳配置初始化，A／D通道初始化，定時器頻率設(shè)定，以及系統(tǒng)參數(shù)初始化等。自檢主要檢查液晶背光顯示是否正常，F(xiàn)LASH參數(shù)是否正確和裝置與監(jiān)控系統(tǒng)的通訊是否正確連接。如果自檢不通過，系統(tǒng)則處于靜止等待狀態(tài)，并將出錯信息發(fā)給上位機和現(xiàn)場監(jiān)控人員。自檢通過則進入主程序。

      (2)主程序

      裝置在進行完有關(guān)系統(tǒng)初始化操作后執(zhí)行主程序。正常運行時，主程序中完成采樣、計算、控制、通訊、保護動作等功能，如有自檢故障發(fā)生將發(fā)出故障信號，并將故障信號傳送管理單元。正常運行時還進行判斷保護是否啟動，保護啟動則程序轉(zhuǎn)到保護處理子程序中去。在保護處理子程序中，完成保護數(shù)據(jù)計算，保護判斷，并根據(jù)判斷結(jié)果執(zhí)行相應的出口操作。沒有故障時則返回主循環(huán)。

      5 結(jié) 語

      本文介紹的低壓智能電動保護器，采用ARM嵌入式微處理器LPC2132為系統(tǒng)主控芯片，充分利用LPC2132的各種內(nèi)置功能，簡化了系統(tǒng)設(shè)計，具有很高的性價比。該裝置功能強大，精度高，便于組網(wǎng)，提高了自動化水平，具有良好的市場應用價值。

參考文獻:

[1]. LPC2132 datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/LPC2132_454526.html.
[2]. ARM7TDMI-S datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/ARM7TDMI-S_1231795.html.
[3]. HT1621 datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/HT1621_387407.html.