基于TMS320F2812的高壓電機(jī)保護(hù)裝置

0引言
　　高壓電機(jī)一般都是用于工業(yè)生產(chǎn)中的重要場(chǎng)所，它的可靠運(yùn)行對(duì)于生產(chǎn)安全來(lái)說(shuō)非常關(guān)鍵；而電機(jī)保護(hù)設(shè)備又是電動(dòng)機(jī)可靠運(yùn)行的主要保障，電動(dòng)機(jī)保護(hù)設(shè)備最為重要 的特性指標(biāo)就是可靠性和實(shí)時(shí)性。目前在市場(chǎng)上應(yīng)用的電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置最為先進(jìn)的是基于普通單片機(jī)的微機(jī)保護(hù)，這類設(shè)備為了保證測(cè)量、計(jì)算和保護(hù)的實(shí)時(shí)性，在設(shè)計(jì)時(shí)往往采用多CPU結(jié)構(gòu)，采用插件的形式，這導(dǎo)致在力圖保證實(shí)時(shí)性的同時(shí)，設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜性大大提高，可靠性降低，很大程度是因?yàn)樗捎眯酒木窒扌运?。DSP芯片是專門(mén)為快速實(shí)現(xiàn)各種數(shù) 字信號(hào)處理而設(shè)計(jì)的、具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器，文中介紹了TI公司2000系列DSP中最新最先進(jìn)的TMS320F2812芯片在高壓電動(dòng)機(jī)保護(hù)中的應(yīng)用，大大提高了電機(jī)保護(hù)的可靠性和實(shí)時(shí)性。

1TMS320F2812 DSP芯片
　　TMS320F2812是美國(guó)TI公司最新研制的2000系列數(shù)字信號(hào)處理器，是面向電機(jī)控制、工業(yè)自動(dòng)化的第一款帶片內(nèi)Flash、工作頻率達(dá)到150 MHz的32位DSP。它采用經(jīng)典哈佛總線結(jié)構(gòu)，利用多總線在存儲(chǔ)器、外圍模塊和CPU之間轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，這種多總線結(jié)構(gòu)使得 它可以在一個(gè)周期內(nèi)并行完成取指令、讀數(shù)據(jù)和寫(xiě)數(shù)據(jù)，同時(shí)它采用了指令流水線技術(shù)，保證信號(hào)處理的快速性和實(shí)時(shí)性。
　　TMS320F2812芯片的內(nèi)部存儲(chǔ)器包括14 K的RAM和128 K×16 bit的Flash；芯片內(nèi)集成的外圍模塊非常豐富：包括16通道12 bits的ADC模塊；16通道的PWM輸出；多達(dá)56個(gè)獨(dú)立的、可編程的GPIO口；3個(gè)帶有6種模式的通用目的定時(shí)器；3個(gè)可配置死區(qū)的比較器；3個(gè)單端比較單元；4個(gè)捕捉單元；同時(shí)還集成有多種串行接口：完全符合RS232標(biāo)準(zhǔn)的雙通道串行接口、CAN總線模塊、McBSP接口和SPI接口，這些都充分保證了通信設(shè)計(jì)的方便。?

2基于TMS320F2812的高壓電機(jī)保護(hù)裝置整體設(shè)計(jì)
　　保護(hù)裝置包括5大部分：主功能系統(tǒng)、電源、電量輸入和開(kāi)關(guān)量處理、通信及人機(jī)接口。結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

裝置充分利用了TMS320F2812芯片高集成度的特點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸?shù)裙δ艿闹饕酒?，附帶信?hào)變換和調(diào)理電路，不需外擴(kuò)外圍功能芯片，這使得裝置整體電路規(guī)模大大精簡(jiǎn)，不論是集成度還是可靠性都有質(zhì)的提高
2.1數(shù)據(jù)采集
　　保護(hù)中的首要功能就是數(shù)據(jù)采集，裝置直接利用了TMS320F2812芯片中集成的ADC模塊來(lái)實(shí)現(xiàn) ，其最高采樣速度可達(dá)12.5 MSPS，因此無(wú)論在采集通道數(shù)、采樣精度還是采樣速度上都滿足電機(jī)保護(hù)的要求。ADC模塊內(nèi)建雙采樣保持器(S／H)，可以根據(jù)需要配置，既可配置成兩個(gè)獨(dú)立的8通道模塊，也可將這兩個(gè)獨(dú)立的8通道模塊級(jí)聯(lián)而形成一個(gè)16通道模塊。ADC模塊的模擬量輸入范圍為0～3 V，在電機(jī)保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)電流信號(hào)取自電流互感器CT二次側(cè)，并將其作為裝置內(nèi)電流變送器的輸入，在裝置中選用的是西南自動(dòng)化研究所的WBI513 C0型電流變送器，其輸出的信號(hào)為0～25 mA，不能直接輸入到TMS320F2812的ADC模塊，所以必須設(shè)計(jì)具有信號(hào)轉(zhuǎn)換和濾波等功能的信號(hào)調(diào)理電路。裝置中選用了TI公司的自校準(zhǔn)精密雙 運(yùn)算放大器TLC4502作為信號(hào)調(diào)理電路的核心芯片，TLC4502是利用1 μm／5 V數(shù)字CMOS技術(shù)制造的高性能運(yùn)算放大器，它具有非常高的直流增益以及良好的電源抑制比和共模抑制比。
2.2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)
　　在保護(hù)裝置運(yùn)行過(guò)程中有許多參數(shù)需要修改和保存，特別在保護(hù)動(dòng)作時(shí)需要保存當(dāng)時(shí)日期時(shí)間、當(dāng)時(shí)電機(jī)運(yùn)行參數(shù)和動(dòng)作信息，而TMS320F2812中沒(méi)有集成EEPROM，這就需要外擴(kuò)EEP ROM，考慮到TMS320F2812提供了SPI串行接口，筆者選用了Microchip Technology Inc.的25 AA320，它是32 Kbytes SPI總線串行EEPROM，25AA320與TMS320F2812的接口電路如圖3所示 ，從電路圖中可以看出選用25AA320使得接口電路簡(jiǎn)單，可靠性好，實(shí)時(shí)性也能得到保證。
2.3數(shù)據(jù)通信[!--empirenews.page--]
　　在目前應(yīng)用的電機(jī)保護(hù)裝置中，基于熱繼電器的保護(hù)和基于晶體管集成電路的保護(hù)之所以逐漸被淘汰，主要是它們不具有通信接口，不能和其他系統(tǒng)通訊，形成了“信息孤島”，與目前生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)信息化、網(wǎng)絡(luò)化趨勢(shì)的要求相矛盾?；谄胀▎纹瑱C(jī)的電機(jī)保護(hù)裝置一般都具有通信接口，主要是RS232或RS485接口，尤其以RS232接口居多，雖然在一定程度上緩解了以上所述的矛盾，但目前在應(yīng)用電機(jī)保護(hù)裝置比較集中的地方(如火電廠、大型泵站)，現(xiàn)場(chǎng)級(jí)大多采用現(xiàn)場(chǎng)總線的通信方式，特別是CAN總線，在這種情況下，具有RS232或RS485接口的基于普通單片機(jī)的電機(jī)保護(hù)裝置就很難滿足要求，TMS320F2812不僅集成了完全符合RS232標(biāo)準(zhǔn)的雙通道串行接口，而且集成了CAN總線模塊。文中所述的基于TM S320F2812的高壓電機(jī)保護(hù)裝置同時(shí)提供了RS232通信接口和CAN總線接口，完美地解決了保護(hù)裝置與其他系統(tǒng)的通信問(wèn)題。
　　TMS320F2812中集成的CAN總線模塊是增強(qiáng)型CAN(eCAN)模塊，支持CAN技術(shù)規(guī)范20B，最高達(dá)1 Mbps速率，并帶光電隔離；在基于TMS320F2812的電機(jī)保護(hù)裝置中，設(shè)計(jì)提供CAN總線 接口是在集成的eCAN模塊的基礎(chǔ)上，外擴(kuò)了TI公司的3.3 V CAN總線收發(fā)器SN65HVD232，相關(guān)電路如圖4所示。

3軟件設(shè)計(jì)概述
　　傳統(tǒng)單片機(jī)的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)構(gòu)成大致如下：將仿真器和目標(biāo)板相接，仿真器代替 目標(biāo)板上CPU的功能，將應(yīng)用程序通過(guò)與PC相接的電纜下傳到仿真器并運(yùn)行。DSP的開(kāi)發(fā)和傳 統(tǒng)單片機(jī)的開(kāi)發(fā)有較大的區(qū)別，現(xiàn)存DSP芯片基本上都設(shè)計(jì)了JTAG接口(JTAG接口根據(jù)IEEE11. 49.1標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)計(jì)的邊界掃描電路，專門(mén)用于完成仿真和測(cè)試的一套硬件電路)，TI公司在原有IEEE11491標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上又進(jìn)行了擴(kuò)充，通過(guò)JTAG接口可以實(shí)現(xiàn)引腳連通性檢驗(yàn)、外圍 運(yùn)行檢驗(yàn)、訪問(wèn)片內(nèi)所有資源、在線仿真、程序下載、廠家測(cè)試等。DSP開(kāi)發(fā)裝置中所說(shuō)的 仿真器完成的功能是并行口數(shù)據(jù)格式向JTAG接口格式的轉(zhuǎn)換；與傳統(tǒng)意義上用仿真器暫時(shí)去 取代CPU的方式不同。
　　TI公司針對(duì)DSP軟件開(kāi)發(fā)和仿真調(diào)試已經(jīng)推出了基于不同內(nèi)核的綜合開(kāi)發(fā)平臺(tái)CCS(Code Comp oser Studio)，針對(duì)2000系列內(nèi)核DSP的綜合開(kāi)發(fā)平臺(tái)是CCS2000，它支持標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言和算術(shù)助記語(yǔ)言，另外DSP—BIOS的使用和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換提供了方便快捷的開(kāi)發(fā)環(huán)境?；赥MS320F2812的高壓電機(jī)保護(hù)裝置的軟件開(kāi)發(fā)和仿真調(diào)試選用的是CCStudio V2.02，采用標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言作為程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，其編譯效率和直接用匯編語(yǔ)言已經(jīng)沒(méi)有太大的差距，并且由于在電機(jī)保護(hù)算法中要運(yùn)用到大量的浮點(diǎn)運(yùn)算和三角運(yùn)算，而TI公司提供的浮點(diǎn)運(yùn)算庫(kù)IQMath可以在標(biāo)準(zhǔn)C程序中直接調(diào)用，對(duì)于普通的浮點(diǎn)乘法運(yùn)算，其執(zhí)行周期為20個(gè)時(shí)鐘周期左右，三角函數(shù)運(yùn)算的執(zhí)行周期用40多個(gè)時(shí)鐘周期，最為復(fù)雜的開(kāi)方運(yùn)算執(zhí)行周期也只用60個(gè)時(shí)鐘周期，運(yùn)算效率相當(dāng)高，當(dāng)系統(tǒng)工作頻率在150 MHz時(shí)，這些浮點(diǎn)運(yùn)算耗時(shí)相當(dāng)少，有利于提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

4功能設(shè)計(jì)
　　基于TMS320F2812的高壓電機(jī)保護(hù)裝置可實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)保護(hù)、電流速斷保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、負(fù)序電流保護(hù)、熱過(guò)載保護(hù)、零序過(guò)流保護(hù)和低電壓保護(hù)等主要保護(hù)功能。
　　(1)啟動(dòng)保護(hù)[!--empirenews.page--]
　　電機(jī)的啟動(dòng)特性變化趨勢(shì)與電壓合閘角、電機(jī)負(fù)載特性、電機(jī)負(fù)載大小等因素有關(guān)，以往的電機(jī)保護(hù)大多都是按照躲過(guò)啟動(dòng)電流來(lái)整定，當(dāng)啟動(dòng)過(guò)程中電流達(dá)到整定的最大啟動(dòng)電流時(shí)則保護(hù)動(dòng)作，但實(shí)際可能會(huì)出現(xiàn)以下兩種情況：一種是最大啟動(dòng)電流出現(xiàn)在加電后很短的時(shí)間內(nèi)，此后電流急劇下降，很快達(dá)到正常狀態(tài)，這種情況可能是正常的，但根據(jù)以上整定，則會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)；另一種情況是電機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中電流沒(méi)有達(dá)到最大啟動(dòng)電流，但遲遲不能達(dá)到正常狀態(tài)，即啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，而根據(jù)以上整定，將不會(huì)動(dòng)作，這時(shí)就出現(xiàn)了保護(hù)拒動(dòng)。針對(duì)這種情況，

這種啟動(dòng)保護(hù)算法原理正確，動(dòng)作可靠，性能良好。
　　(2)電流速斷保護(hù)和過(guò)流保護(hù)
　　主要是對(duì)電機(jī)的短路和運(yùn)行過(guò)程中的堵轉(zhuǎn)提供不同等級(jí)的保護(hù)功能，并對(duì)電機(jī)的啟動(dòng)提供后備保護(hù)。
　　(3)負(fù)序電流保護(hù)
　　當(dāng)電機(jī)三相不對(duì)稱時(shí)，將出現(xiàn)較大的負(fù)序電流，而負(fù)序電流的熱效應(yīng)會(huì)使電機(jī)過(guò)熱大增，危及電機(jī)的安全運(yùn)行，裝置中提供了定時(shí)限負(fù)序過(guò)流保護(hù)和反時(shí)限負(fù)序過(guò)流保護(hù)，分別對(duì)電機(jī)的反相、斷相、匝間短路等異常運(yùn)行工況提供保護(hù)。
　　(4)熱過(guò)載保護(hù)
　　根據(jù)電機(jī)的發(fā)熱原理設(shè)計(jì)了一個(gè)發(fā)熱模型，該模型以電流為輸入量，考慮到正序和負(fù) 序電流的熱效應(yīng)不同，同時(shí)也根據(jù)電機(jī)的散熱原理設(shè)計(jì)了散熱模型，發(fā)熱和散熱模型中的 時(shí)間常數(shù)可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況自由整定。
　　(5)零序過(guò)流保護(hù)
　　零序過(guò)流保護(hù)主要是為電機(jī)的接地故障提供保護(hù)。
　　(6)低電壓保護(hù)
　　當(dāng)電源電壓短時(shí)降低或短時(shí)中斷時(shí)，為保證重要電機(jī)自啟動(dòng)，要斷開(kāi)次要電機(jī)，就需要 配置低電壓保護(hù)，其原理是當(dāng)3個(gè)相間電壓都小于定值并且超過(guò)時(shí)限時(shí)，低電壓保護(hù)動(dòng)作。

5結(jié)論
　　基于TMS320F2812的高壓電機(jī)保護(hù)裝置充分利用了TMS320F2812芯片工作 頻率高，集成度高，系統(tǒng)資源豐富的特點(diǎn)，使得整套保護(hù)裝置硬件結(jié)構(gòu)緊湊，保護(hù)功能強(qiáng)， 可靠性高，實(shí)踐證明非常適合重要的高壓電機(jī)保護(hù)。?