基于TMS320F2407芯片和P89C52單片機(jī)實(shí)現(xiàn)中高壓固態(tài)軟起動(dòng)器的設(shè)計(jì)

1、引 言

控制網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，導(dǎo)致了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的深刻變革，信息技術(shù)的飛速發(fā)展，使得控制系統(tǒng)逐步演化成全分布式的網(wǎng)絡(luò)集成式控制系統(tǒng)，即現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）。PROFIBUS-DP總線技術(shù)是FCS中的新技術(shù)，將PROFI-BUS-DP總線技術(shù)運(yùn)用于電力電子技術(shù)產(chǎn)品正是順應(yīng)這一形勢(shì)發(fā)展的新潮流。本文介紹了PROFIBUS-DP總線中中高壓電動(dòng)機(jī)固態(tài)軟起動(dòng)器的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用，將中高壓固態(tài)軟起動(dòng)器開發(fā)成PROFIBUS-DP總線中的一個(gè)智能從站，徹底解決了傳統(tǒng)中高壓固態(tài)軟起動(dòng)器單獨(dú)控制中高壓電動(dòng)機(jī)，其信息不能反饋到上位機(jī)，而構(gòu)成“信息孤島”的現(xiàn)狀。

2、 PROFIBUS-DP技術(shù)簡(jiǎn)介

PROFIBUS-DP是PROFIBUS（FMS，DP，PA）3部分組成中的重要部分，PROFIBUS協(xié)議基礎(chǔ)為ISO/OSI的網(wǎng)絡(luò)參考模型。在PROFIBUS-DP中沒有第3層至第7層，直接數(shù)據(jù)鏈路映像（DDLM）為用戶接口提供第2層功能映像。物理層（第1層）采用EIARS-485雙絞線或光纜，連接器采用按RS 485標(biāo)準(zhǔn)制定的9針D型插座。數(shù)據(jù)鏈路層（第2層）提供了介質(zhì)存取控制功能，數(shù)據(jù)的完整性檢查以及傳輸執(zhí)行的協(xié)議稱為FDL，采用混合介質(zhì)存取協(xié)議，對(duì)應(yīng)于DIN（E）19245，支持單主或多主系統(tǒng)、主或從設(shè)備。PROFIBUS-DP中主站間采用令牌環(huán)方式和從站間的主一從方式。主站的令牌方式使得得到令牌的站點(diǎn)可在一個(gè)事先規(guī)定的時(shí)間段內(nèi)獲得總線控制權(quán)，主站與從站之間的數(shù)據(jù)交換，要求盡可能快并且擁有總線控制權(quán)時(shí)可以與從站通信，每一個(gè)主站均可向從站發(fā)送及索取信息。這種組態(tài)提供了最短的總線周期，系統(tǒng)的開放性好，第三方的系統(tǒng)也能連到PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線，可進(jìn)行模塊化擴(kuò)展，能適合各種生產(chǎn)設(shè)備的規(guī)模和要求，保證了高的靈活性。PROFIBUS-DP的綜合診斷功能能夠?qū)收峡焖俣ㄎ?，總線上從站的故障不影響其他站的數(shù)據(jù)通信量，在操作期間，I/O站和其他現(xiàn)場(chǎng)器件可以被激活或禁活。本文的中高壓固態(tài)軟起動(dòng)器為PROFIBUS-DP總線中的一個(gè)智能從站。

3、 中高壓軟起動(dòng)器簡(jiǎn)介

中高壓電動(dòng)機(jī)固態(tài)軟起動(dòng)裝置［3］中，弱電部分采用DSP作為控制芯片、單片機(jī)作為管理芯片、SPC3作為通信芯片；高壓部分由幾組串/并聯(lián)的可控硅、真空接觸器、電壓互感器和電流互感器構(gòu)成。其中DSP中產(chǎn)生的PWM觸發(fā)脈沖經(jīng)光纖通過儲(chǔ)能管和短路變壓器實(shí)現(xiàn)高壓側(cè)脈沖變壓器對(duì)晶閘管的觸發(fā)；為了確保每相中多組（一對(duì)反并聯(lián)可控硅串聯(lián)）可控硅分壓均衡，每組可控硅并聯(lián)一組動(dòng)、靜態(tài)均壓板。軟起動(dòng)器起動(dòng)時(shí)，控制器DSP控制真空接觸器接通，通過控制可控硅的導(dǎo)通角，使電機(jī)按-定的斜率逐漸增加電壓，平穩(wěn)起動(dòng)；當(dāng)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)加上全電壓，同時(shí)旁路真空接觸器接通，然后關(guān)閉可控硅觸發(fā)信號(hào)停止可控硅供電。電機(jī)起動(dòng)完畢。之后，軟起動(dòng)器繼續(xù)監(jiān)視電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，并提供多種故障保護(hù)。其適用對(duì)象主要是鼠籠式異步中高壓電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、運(yùn)行和停止的控制與保護(hù)。其負(fù)載主要為風(fēng)機(jī)、離心泵、空氣壓縮機(jī)、皮帶輸送機(jī)、破碎機(jī)、攪拌機(jī)等。軟起動(dòng)器的起動(dòng)、運(yùn)行、停止均可通過PROFIBUS-DP總線由上位機(jī)控制和顯示，在PROFIBUS-DP總線中，中高壓固態(tài)軟起動(dòng)器作為一個(gè)智能從站參入系統(tǒng)組態(tài)。

4 、系統(tǒng)硬件的配置

QB-H系列中高壓軟起動(dòng)器將晶閘管、DSP、PROFI-BUS-DP總線有機(jī)地聯(lián)系起來。

具體分析：P89C52通過UART口與TMS320F2407芯片進(jìn)行控制、顯示信號(hào)的通信，同時(shí)與SPC3芯片的P0口進(jìn)行通信和讀寫DG-2064顯示模塊。SPC3芯片中使用Intel模式和同步模式，因其內(nèi)部有地址解碼電路，故不要外部地址鎖存器，SPC3的AB0～AB4與P89C52的P2口相連，其中AB4與P2.7相連避免了與P89C52內(nèi)的RAM沖突。P89C52的P1.6，P1.7對(duì)SPC3和DG2064進(jìn)行片選。為防止程序跑飛而采用7705芯片作為看門狗。SPC3通過光耦、RS 485總線驅(qū)動(dòng)構(gòu)成PROFIBUS-DP頭。

5、 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

由于PROFIBUS-DP的通信協(xié)議由SPC3芯片完成，系統(tǒng)程序主要包括SPC3初始化程序、中斷程序、具體狀態(tài)的顯示程序與DSP的通信程序。

SPC3初始化程序主要包括：設(shè)置SPC3允許的中斷、從站地址識(shí)別號(hào)、方式寄存器、診斷緩沖區(qū)、參數(shù)緩沖區(qū)、配置緩沖區(qū)、地址緩沖區(qū)，PRM報(bào)文、CFG報(bào)文、SSA報(bào)文、初始化數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、初始化用戶數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，設(shè)定輸入、輸出緩沖區(qū)指針、診斷緩沖區(qū)指針、CFG緩沖區(qū)指針、PRM緩沖區(qū)指針等。

與SPC3通信的程序全部用中斷實(shí)現(xiàn)，這種方式對(duì)實(shí)時(shí)通信要求較高的系統(tǒng)比較實(shí)用。

6 、應(yīng)用分析

在中高壓軟起動(dòng)器的DP頭的開發(fā)過程中，硬件設(shè)計(jì)上由于控制量多、運(yùn)算速度快、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，故使用TMS320F2407作為控制芯片，P89C52單片機(jī)作為管理芯片，SPC3作為PROFIBUS-DP協(xié)議轉(zhuǎn)化芯片，運(yùn)用雙CPU（DSP、P89C52）將控制與管理分開，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性；在軟件設(shè)計(jì)上，考慮到系統(tǒng)通信的實(shí)時(shí)性要求較高，故與SPC3通信有關(guān)的程序全部用中斷實(shí)現(xiàn)。

在長(zhǎng)沙奧托技術(shù)開發(fā)中心，利用PLC作為主站、PC機(jī)（監(jiān)控軟件為winCC）作為監(jiān)控機(jī)、中高壓電動(dòng)機(jī)固態(tài)軟起動(dòng)器作為從站，電機(jī)型號(hào)為增安型無刷勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)（電壓6 000 V、電流445.5 A、容量4 000 kW、轉(zhuǎn)速300 r/min）），勵(lì)磁機(jī)（電壓181 V、電流192 A、容量60 kVA、轉(zhuǎn)速300 r/min）；通過PROFIBUS-DP總線，在WinCC監(jiān)控界面得到了中高壓電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)（負(fù)載為空載）過程中電動(dòng)機(jī)的電流的波形。

實(shí)際使用表明，該系統(tǒng)運(yùn)行良好，實(shí)時(shí)性控制強(qiáng)，PROFIBUS-DP通信快速、穩(wěn)定、可靠。