杨磊 黄金霖

(安徽机电职业技术学院 机械工程学院，安徽 芜湖 241002)

1 电机微机保护平台设计思路

电动机因其结构简单、控制方便、环境适应性强、持久耐用等特点，被广泛应用到化工、冶炼、发电厂等重要场所。据统计，电力系统中70%的电能是由电动机消耗的。电动机因短路、过负荷、断湘、堵转等各种运行故障，全国每年约造成30万台次电动机严重烧毁，给企业造成了严重的经济损失。因此，对电动机保护领域的研究具有十分重要的意义[1]。目前，运用在工业领域中的微机综合保护装置具有配置要求多样化、批量小、品种多等的特点，国际一些知名品牌的微机综合保护装置的生产厂家的做法是开发一套统一的硬件平台，配备不同的保护原理以及保护算法软件，来实现不同类型、不同要求的保护。本篇通过对电动机微机保护装置深入分析与研究，设计一种基于DSP为硬件平台的电动机微机保护测控系统。系统以TI公司生产的TMS320F2812为核心处理器，兼有单片机和数字处理器的特点，具有很好的嵌入式控制功能，以及强大的运算处理能力和高性价比的特点。本微机保护平台硬件和软件设计均采用模块化设计思路，以电机保护功能为设计指标，各模块单元均采用了自顶向下，分层设计的方法，系统具有自动化程度高、抗干扰能力强、反应迅速、可靠性高等特点。

2 微机保护平台硬件设计

电机微机保护平台的核心是模块化，把整个硬件平台分成不同的单元模块，对其中某个模块进行修改时，不会影响到另外模块的正常工作。本着模块化的设计思路，电动机微机综合保护平台采用通用硬件平台结构，硬件部分主要包括主控开发板模块、数据采集模块、通信模块、时钟模块、储存模块、开关量输入模块开关量输出模块、电源模块等。

2.1 主控开发板模块设计

主控开发板模块主要负责运算及保护逻辑判断，是系统的核心部分，数据采集模块对电机的诊断信号进行采集；通信模块负责与平台外设备的通信；开关量输入模块主要完成外部开入量的输入功能，开关量输出模块完成外部开入量的输出功能；电源模块为平台提供24 V,12 V, 5 V的稳压的直流电源。图1 电动机微机保护装置通用硬件平台的结构图。

工作原理如下：电流、电压转换成小电压信号，由低通滤波和信号调理后，输入32位DSP处理器的A/D采样部件， 进行A/D转换，开关量经过光隔由DSP的输入输出端口(GPIO)采集，处理器开始逻辑运算，并记录和录波。DSP通过GPIO端口进行人机界面交互处理。

2.2 控制器CPU的选择

为了满足电动机实时性要求，数据处理部分采用的CPU为TI公司生产的32位DSP(TMS320F2812)来完成[2]。具有很好的嵌入式控制功能，以及强大的运算处理能力和高性价比的特点。TMS320F2812内核结构图如图2所示。

图1 电动机微机保护装置通用硬件平台的结构图

图2 TMS320F2812内核结构图

电动机微机保护装置的保护单元设计要求外设接口设计灵活，便于微机保护平台的扩展和升级。做到总线不出芯片，即平台外设接口与保护单元CPU都是通过串行方式实现的，既可以克服布线维护不方便的缺点，又可以克服并行接口抗干扰差的缺点，提高微机保护平台的可靠性。微机保护平台CPU具体外设分配如图3所示。

图3 微机保护平台CPU外设分配图

2.3 RTC时钟电路设计

微机保护平台需随时记录一些重要数据对电动机保护状态分析以及正常工作具有重要的意义，按照系统总线不出芯片原则，微机保护平台采用I2C总线接口的FM33256日历时钟芯片，芯片含带锁定的64位可编程串行数据区快速SPI接口，总线频率16 MHz，可通过SPI接口控制RTC，SPI模式0&3(CPOL,CPHA=0,0&1,1)，工作电压：2.7～3.6 V，待机电流：50 μA ，工作温度：-40～+85 ℃；RTC时钟电路原理图如图4所示。

图4 RTU时钟电路原理图

2.4 存储器电路设计

TMS320F2812内部集成存储器，如果只采用内部存储器，每次更新数据时都需要重新下载新的数据，会带来很大的不便，本微机保护平台采用外部扩展的E2PROM用来存储电动机各种保护定值、电动机基本参数、电动机故障信息等，针对不同的电动机，保护参数值各有不同，而且保护定值随时需要更新，必要时又可方便地改写定值。本微机保护平台的E2PROM存储器选择I2C总线的IS61LV25616AL芯片。存储器的电路原理图如图5所示。

图5 存储器电路原理图

2.5 信号数据采集模块设计

数据的采集是系统正常工作的前提，信号采集是利用芯片中ADC模块来实现的，其数据采集功能强大。电路的工作原理是对电压、电流互感器采集的模拟信号转化为数字信号，并输入系统。信号数据采集电路原理图如图6所示，信号经过了低通滤波电路，滤去高频干扰信号，紧接着通过由LF412CD构成的电压跟随器，来保证电路前后两级的完全隔离。

图6 信号数据采集电路原理图

2.6 通讯单元模块的设计

为适应微机保护平台对网络技术和通讯功能的要求，需要对原有传统的通信技术及时进行创新改进，本微机保护平台的通讯模块单元设计了RS-485总线通信接口和CAN总线通信接口[3]。

2.6.1 RS-485总线通讯模块的设计

RS-485接口是通过差分方式进行传输的，抗共模干扰能力较强，在共模电压小于-7 V和大于+12 V情况下，将大大超过RS-485接收器的极限接收电压，接收器就会出现故障不能正常运行，如果处理不及时，将会导致芯片和仪器设备严重烧毁。基于这种原因，系统通过DC-DC方式，使VDD与VCC485为不共地的电源，将系统电源和RS-485电源隔离；从根本上彻底消除共模电压的对其产生的影响[4]。 RS-485总线通讯电路原理图如7所示。

2.6.2 CAN总线通讯模块的设计

TMS320F2812具有比较完整的CAN2.0B通信协议，为减小CPU通讯成本，增加CAN通讯总线节点，这样就需要在处理器与CAN通讯总线之间增设驱动回路，电平切换得到很好兼容。本系统采用PHILIPS公司的PCA82C250芯片(图8 CAN总线通讯电路原理图中已包含此芯片)，用此驱动芯片来实现CAN总线通讯节点。CAN总线通讯电路原理图如图8所示，满足“ISO 11898”标准，具有总线自动保护、抗电磁干扰、降低射频干扰、热保护、高速、低电流待机模式等特点。

图7 RS-485总线通讯电路原理图

图8 CAN总线通讯电路原理图

2.7 开关量I/O模块设计

开关量I/0模块由输出模块和输入模块构成，是微机保护平台和外部设备的组成。微机保护平台需要开关量输入和输出。如断路器的“合闸”或“分闸”状态，控制信号的“有”或“无”状态等。微机保护平台需要确定开关量的状态才能正确动作。

2.7.1 开关量输入回路设计

输入回路的组成分为隔离开关、断路器和接地开关或分合闸位置的继电器，外部设备闸闭锁开关节，保护装置上连接片投与退回路。开关量输入模块单元原理图如图9示，图表示出了开关量的输入系统。当外部接点闭合时，光电耦合器TLP521-4中的二极管内流过驱动电流，二极管发光驱动三极管导通，输出低电平。外接点断开光电耦合器TLP521-4中的二极管内不流过驱动电流，二极管不发光，三极管截止，从而高电平输出。通过输出电平的高低，CPU经过测量后得出外部开关量的状态。

图9 开关量输入电路原理图

图10 开关量输出电路原理图

2.7.2 开关量输出回路设计

开关量输出相比开关量的输入更加重要，在微机综合保护装置中，开关量输出状态是执行系统保护的重要途径。开关量输出回路的作用是为了能够正确地发出开关量操作命令，并在微机保护装置内外部之间加以电气上的隔离，以保证减少内部电子元件受到外部的干扰。开关量输出模块单元原理图如图10所示，如保护装置驱使输出开关量接点闭合，需在控制端回路中输入一个低电平，使驱动电流流过光电耦合器二极管，光电耦合器二极管发光，驱动三极管导通，继电器闭合，输出开关量[5]。

2.8 电源模块的设计

电源模块采用逆变型开关电源，提供24 V、15 V、5 V三组稳压型电源。24 V为继电器、跳闸、启动及信号提电，15 V为模数变换和运算放大器供电，5 V为CPU等芯片提电。三组均采用浮空式离地方式，输入电压使用双LC滤波措施，抗干扰能力强。三组电源输出端各设有控制开关和指示信号灯[6]。如图11电源模块图所示。

图11 电源模块图

3 保护类型设定

通过对电动机微机保护原理的分析研究，依托数字信号处理器(DSP)的强大的运算能力和控制能力，检测电机运行过程中的出现各种故障类型，系统保护共设定十种类型，能较为全面地对电机运行进行多种保护。

(1)速断保护：速断保护是通过判断流过其自身电流值大小来实现速度保护的[7]。

(2)过流保护：过流保护以起动电流或堵转电流为整定对象，对电动机运行中的堵转和长时间启动不起来提供保护。

(3)正序过流保护：过流保护在电机启动结束后才会投入，有投退定值控制保护的投退。

(4)负序过流保护：负序电流保护主要针对各种非接地性不对称故障进行保护，如电动机断相、反相、电压不对称以及较严重匝间短路等异常现象。

(5)零序过流保护：零序过流保护主要是反应电动机定子的接地情况保护[8]。

(6)过电压保护：过电压保护，是防止因相电压在单相接地时引起过电压保护[9]。

(7)低电压保护：低压保护主要是针对不允许自启动的电动机或者其不能自启动的电动机，一旦电动机供电电源过低(低于电动机正常运行电压)，或者电动机供电电源消失，电动机控制开关柜中的断路器跳闸，将电动机与其供电电源完全断开，从而保证了电动机的安全可靠运行。

(8)过热保护：过热是引起电动机损坏的重要原因，特别是转子因负电流产生的过热，避免电动机转子由于过热而引起转子严重损毁[10]。

(9)控制回路断线告警：控制回路断线告警是可以通过控制回路断线投退定值投退来实现的。

(10)电动机启动超时保护：保护装置在电动机启动失败后起动电动机启动超时保护，电动机启动超时跳闸由控制字投退。

4 微机保护平台软件设计

4.1 软件总体结构设计

微机保护平台的软件以硬件为基础，通过程序设计实现所要求的保护功能。本微机保护平台保护软件包括主程序、中断服务程序和故障处理程序，如图12电动机微机保护程序结构示意图所示。

图12 电动机微机保护程序结构示意图

4.2 电动机微机保护平台主程序设计

主程序功能是当微机保护平台上电或者复位后对其原有的保护系统进行初始化、进行自检、振荡闭锁，打印报告等。

初始化过程包括对串行通讯口、并行通讯口、采样定时器以及堆栈进行初始化处理。程序自检是对平台的软硬件，包含开关量输出通道、程序、保护定值以及ROM、FLASH、RAM进行一次全面的自检工作，确保微机保护装置在正常使用时，处于完好工作状态。通过微机保护装置的初始化工作及其全面自检工作后，微机保护装置进入工作流程阶段，可编程定时器将会不间断地发出采样脉冲信号，只要微机不退出工作，装置无异常状况，就需要不断地发出采样脉冲信号，实时监视和获取系统的采样信号。主程序进入自检循环流程，微机保护平台各部分软硬件将进行自动检测，除此以外，既要对保护定值进行修改及显示，还要执行人机对话及通讯功能、并且还要进行报文发送等工作，如图13 电动机微机保护主程序流程图所示。

4.3 电动机微机保护平台中断服务程序设计

中断服务程序功能是保护系统自检、电压电流求和、实时采样、突变量启动元件的功能。保护的中断服务程序如图14所示。包括：采样计算(向8253读取采样值，并且向RAM中的循环寄存区存入相应的数值)、进行全面自检(同时对电压和电流进行求和运算)、突变量启动(设定一个突变量启动元件DI1，用其来反应相电流差值，并且还要设置另一个突变电量元件DI2，用此变量来监视另外两个完好相是否产生故障的相电流差)。

图13 电动机微机保护主程序流程图

图14 电动机微机保护中断服务程序流程图

4.4 电动机微机保护平台故障处理程序设计

故障处理程序功能是完成识别故障类型及特征，计算故障参数，进而对装置故障进行逻辑比较，最后对故障执行逻辑跳闸，以便更准确、更快速地实现保护功能。保护的故障处理程序流程图如图15所示。执行过程中，在自检、电流求和时检出有错或启动元件DI1启动后，进入该程序。首先判断是否为“1”，若为“1”程序将离开故障处理程序而去告警，而只有在启动元件动作之后(电流求和及自检通过)才能进入故障处理程序并进行故障计算。

图15 电动机微机保护故障处理程序流程图

5 结语

本篇通过对电动机微机保护原理的分析研究，采用TI公司生产的32位DSP( TMS320F2812)作为核心，以电机保护功能为设计指标，依托DSP强大的运算能力和控制能力，检测电机运行过程中的出现各种故障类型，设计开发一种基于DSP的新型电动机综合保护平台，实现了速断保护、过流保护、正序过流保护、负序过流保护、零序过流保护、过电压保护、低电压保护、过热保护、控制回路断线告警、电动机启动超时保护等电机运行保护功能。平台的硬件和软件设计较新颖的采用模块化设计思路，各模块单元均采用了自顶向下，分层设计的方法，平台具有自动化程度高、故障诊断准确、反应迅速抗干扰能力强、性能可靠等特点。