摘   要： 對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的硬件及軟件實(shí)現(xiàn)進(jìn)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(chǎng)總線技術(shù)把專用微處理器置于測(cè)量控制設(shè)備中,，把單個(gè)分散的測(cè)量控制設(shè)備變成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，將其連接成可以相互溝通信息,、共同完成控制任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),。在算法上由于DSP有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，對(duì)瞬時(shí)電壓,、電流和負(fù)序電流的幅值進(jìn)行精確的計(jì)算而不需考慮時(shí)間的問題,，用軟件計(jì)算的方法替代硬件邏輯，減少硬件資源的浪費(fèi),。
關(guān)鍵詞： 數(shù)字信號(hào)處理器,； 微處理器； 電機(jī)控制,； 現(xiàn)場(chǎng)總線

    電動(dòng)機(jī)是各行各業(yè)應(yīng)用最為廣泛的動(dòng)力設(shè)備,，但由于在使用過程中保護(hù)力度不夠，經(jīng)常出現(xiàn)以下問題：裝置功效低下,，保護(hù)裝置經(jīng)常出現(xiàn)拒動(dòng)從而使電動(dòng)機(jī)燒毀,，由于誤動(dòng)而跳閘。近年來,，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制理論以及信號(hào)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(hù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合形成的微機(jī)繼電保護(hù)裝置,。                        
1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)采用雙CPU結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套由數(shù)字信號(hào)處理器56F807加單片機(jī)W78E516構(gòu)成的微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置,。FREESCALE數(shù)字信號(hào)處理器56F807（此后簡稱為56F807）作為主芯片完成信號(hào)采集,、信號(hào)處理、保護(hù)和通訊等功能,。該芯片具有A/D轉(zhuǎn)換,、開入和開出回路以及串行通訊口等功能，信號(hào)輸入電壓為0 V~3 V,，轉(zhuǎn)換速度最快為每次同時(shí)掃描需要5.3 μs,采集的路數(shù),、位數(shù)和速率完全滿足交流采樣的要求。單片機(jī)W78E516完成人機(jī)接口的所有功能,。兩個(gè)模塊之間采用基于MODBUS協(xié)議的RS-485總線進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊,。這種雙CPU結(jié)構(gòu)具有并行工作、分工合作的優(yōu)點(diǎn),，既保證了繼電保護(hù)的速動(dòng)性,、選擇性、靈敏性和可靠性,，又實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)測(cè)量的高精度,。通過CAN總線實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控與調(diào)試。因此,，用戶可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)靈活選用通訊接口方式,。這樣真正實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)的智能保護(hù)、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(hù)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,。

1.1 保護(hù)模塊功能
     保護(hù)模塊的主要功能是完成數(shù)據(jù)的采集、處理,、計(jì)算,、保護(hù)邏輯判斷和出口邏輯判斷及動(dòng)作。硬件電路圖如圖2所示,。

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(zhuǎn)換器，電壓和電流測(cè)量中采用定時(shí)采樣頻率為1 600 Hz,，采樣間隔約為0．625 ms,。對(duì)于50 Hz的工頻交流信號(hào)而言，每個(gè)周波的采樣值為32個(gè)點(diǎn)。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(jìn)行A/D轉(zhuǎn)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(shí)計(jì)算推導(dǎo)出電動(dòng)機(jī)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(shè)計(jì)了12路開入量,，12路開出量。開入量用于電機(jī)啟動(dòng),、停機(jī)和報(bào)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(bào)警使用,。本系統(tǒng)采用由8個(gè)I/O口發(fā)出4個(gè)開出量信號(hào)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(gè)開出量。為了防止干擾引起的誤動(dòng),，利用兩個(gè)關(guān)聯(lián)的I/O口同時(shí)輸出不同電平時(shí)光耦動(dòng)作,，實(shí)現(xiàn)對(duì)開出信號(hào)的開放與閉鎖功能。當(dāng)開出條件滿足時(shí),，開出量再經(jīng)過TIL113光電耦離后輸出,，驅(qū)動(dòng)外部繼電器，實(shí)現(xiàn)保護(hù)出口動(dòng)作,。
1.1.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元模塊
    X5043芯片是美國XICOR公司生產(chǎn)的集上電復(fù)位,、“看門狗”定時(shí)器、電壓監(jiān)控和串行E2PROM四項(xiàng)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(fù)位,、“看門狗”定時(shí)器,、電源電壓監(jiān)控功能對(duì)系統(tǒng)可以起到保護(hù)作用；512×8 bit的E2PROM可用來存儲(chǔ)系統(tǒng)內(nèi)的重要數(shù)據(jù),。
1.2 監(jiān)控模塊
1.2.1 CAN通信模塊
    當(dāng)前有很多微控制器將CAN控制器嵌入到系統(tǒng)之中,，DSP 56F807內(nèi)部也集成有CAN控制器,，它支持標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)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(luò)上,，網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息,，實(shí)時(shí)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(luò),，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(shí)現(xiàn)多臺(tái)器件綜合保護(hù)的聯(lián)網(wǎng)功能,。每個(gè)IC芯片包含一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)接收器，符合RS-485/RS-422通訊標(biāo)準(zhǔn),。
    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(bǔ)償功能,，在本次設(shè)計(jì)中,，使用6N137光耦合器將DSP中TXD1和RXD1信號(hào)與TX和RX隔離開。
    顯示電路:作為電機(jī)保護(hù)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(qū)動(dòng),，并提供了驅(qū)動(dòng)電路的接口,通過DSP56F807的I/O口可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(gè)5 V~3.3 V電壓的轉(zhuǎn)換。使用了AS1117M5-33芯片把5 V電壓轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)
    在電機(jī)保護(hù)裝置中，各檢測(cè)節(jié)點(diǎn)定期采集現(xiàn)場(chǎng)的電壓電流信號(hào),，然后用傅里葉算法對(duì)采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,，計(jì)算出電壓、電流的有效值和各次諧波分量值,，并進(jìn)行幅值,、相位、正負(fù)序等實(shí)時(shí)參數(shù)計(jì)算,，判斷得到的實(shí)時(shí)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(jī),。
2.1 系統(tǒng)總體軟件設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用的是模塊化設(shè)計(jì),，分為三個(gè)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(shè)部件,，以及系統(tǒng)管理方式的初始化等。由于電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)是實(shí)時(shí)性要求嚴(yán)格的系統(tǒng),，因而采用主程序模塊和中斷子程序模塊相結(jié)合的方法,。中斷子程序主要由保護(hù)模塊和通信模塊組成。主程序流程圖以及保護(hù)模塊流程圖如圖3所示,。

2.2 各相電流,、電壓幅值算法
    由于56F807芯片具有以下優(yōu)點(diǎn)：在一個(gè)指令周期內(nèi)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(shí)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(jìn)行,。另外其主頻極高，可以為在設(shè)計(jì)中采用復(fù)雜,、精確的保護(hù)算法提供時(shí)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(shè)輸入電量為：

    由(6)式對(duì)幅值的計(jì)算中有兩次平方和一次開方,，計(jì)算量比較大，所以選用有著強(qiáng)大計(jì)算功能的DSP,，可以不用考慮時(shí)間問題而保證幅值的精確性,，從而保證了保護(hù)的可靠性。
2.3 負(fù)序電流算法的選擇
    負(fù)序電流作為電機(jī)保護(hù)中一種判據(jù),，在判斷是否有不對(duì)稱故障和不對(duì)稱故障的類型時(shí),，有著非常重要的作用。由于選用的DSP有著非常強(qiáng)大的處理數(shù)據(jù)的能力,，可以考慮用軟件計(jì)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(gè)保護(hù)的可靠性和精確性,。


    由(8)式可以看出,，負(fù)序電流的瞬時(shí)值于A相第k點(diǎn)采樣，B相第k和第k-4點(diǎn)采樣值以及C相的第k-4點(diǎn)采樣值有關(guān),，利用電流幅值計(jì)算公式就可以精確計(jì)算出負(fù)序電流的幅值,。
2.4 CAN通訊模塊
    在各種現(xiàn)場(chǎng)總線中,，CAN總線不僅具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性,。而且還具備很多其他總線不具備的特點(diǎn)：
    (1)由報(bào)文標(biāo)識(shí)符(11 bit或者29 bit)確定的總線訪問優(yōu)先級(jí),；
    (2)采用非破壞性總線仲裁技術(shù),當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送信息時(shí),優(yōu)先級(jí)較低的節(jié)點(diǎn)會(huì)主動(dòng)退出發(fā)送，優(yōu)先級(jí)較高的節(jié)點(diǎn)可以不受影響,；
    (3)采用的是短幀結(jié)構(gòu),，傳輸時(shí)間短，受干擾概率低,，具有良好的檢錯(cuò)效果,，而且CAN的每幀信息都有CRC校驗(yàn)，保證了極低的數(shù)據(jù)出錯(cuò)率,；
    (4)在CAN節(jié)點(diǎn)嚴(yán)重錯(cuò)誤的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點(diǎn)的操作不受影響,；
    (5)CAN只需通過報(bào)文濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn),、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)。
    每個(gè)發(fā)送緩沖區(qū)都有14 B的寄存器結(jié)構(gòu),。這個(gè)寄存器結(jié)構(gòu)包括數(shù)據(jù)幀的標(biāo)識(shí)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(jí)寄存器,。
2.5 CRC校驗(yàn)在56F807中的算法實(shí)現(xiàn)
　 為了能夠?qū)⑿畔⒖煽靠焖俚募皶r(shí)的傳給對(duì)方,，考慮傳輸距離、現(xiàn)場(chǎng)狀況,、干擾等諸多因素的影響,，一般在通信時(shí)采用數(shù)據(jù)校驗(yàn)的方法。循環(huán)冗余碼校驗(yàn)就是常見的校驗(yàn)方法之一,。
    循環(huán)冗余校驗(yàn)碼CRC(Cyclic Redundancy Check Code)是線性分組碼的分支,，是一種檢錯(cuò)能力很強(qiáng)的循環(huán)碼。循環(huán)冗余校驗(yàn)對(duì)傳送數(shù)據(jù)作錯(cuò)誤檢測(cè)(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(shí)現(xiàn)，檢錯(cuò)能力強(qiáng),，誤判概率幾乎為零,，而且這種方法取得校驗(yàn)碼的方式具有很強(qiáng)的信息覆蓋能力，是一種效率極高的錯(cuò)誤校驗(yàn)法,。校驗(yàn)基本原理如圖4所示,。

　　CRC生產(chǎn)多項(xiàng)式G(x)由協(xié)議規(guī)定，目前已有多種生產(chǎn)多項(xiàng)式列入國際標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)中選用的是CRC-16,。
    CRC的編解碼用到模2的多項(xiàng)式除法，而多項(xiàng)式除法可以采用帶反饋的移位寄存器來實(shí)現(xiàn),，因此,，用DSP來實(shí)現(xiàn)CRC編解碼的關(guān)鍵是通過DSP來模擬一個(gè)移位寄存器(也就是模擬手寫多項(xiàng)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(gè)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(shí)現(xiàn)。CRC校驗(yàn)的流程圖如圖5所示,。

    本設(shè)計(jì)是利用DSP56F807芯片強(qiáng)大的功能,，配以外圍功能模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的電流,、電壓信號(hào)的整流,、濾波并轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)，送到DSP的A/D口經(jīng)過保護(hù)算法,判斷是否動(dòng)作,、故障處理以及參數(shù)設(shè)置,、液晶顯示，并且通過現(xiàn)場(chǎng)總線對(duì)網(wǎng)內(nèi)所有的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),、運(yùn)行控制,、數(shù)據(jù)處理以及參數(shù)調(diào)整，其功能是以前的簡單數(shù)字保護(hù)裝置無法相比的,。通過對(duì)設(shè)計(jì)成的保護(hù)裝置樣機(jī)進(jìn)行調(diào)試和分析表明,，保護(hù)動(dòng)作正常，其他相關(guān)保護(hù)測(cè)試都滿足相關(guān)要求,，初步驗(yàn)證了系統(tǒng)硬件部分和軟件部分設(shè)計(jì)的正確性,。
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