基于TMS320F240專用定點可編程芯片實現(xiàn)電動機微機保護裝置的設計

　　作者：單亞娟,鄭建勇,曹曉華

1 引言

數(shù)字信號處理（DigitalSignalProcessing）是利用專門或通用的數(shù)字信號芯片，以數(shù)字計算的方法對信號進行處理，包括對信號的采集、變換、濾波、估值、增強、壓縮、識別等處理，以得到人們需要的信號形式。 DSP處理器的一個重要特征是采用改進的哈佛結構，具有獨立的數(shù)據(jù)和地址總線，從而使得處理器指令和數(shù)據(jù)并行，大大提高了處理效率。

在微機保護產(chǎn)品中采用DSP處理器取代傳統(tǒng)的8位或16位單片機，可以在硬件資源、開發(fā)平臺等方面取得很多優(yōu)越性，并通過與CPLD、FLASH等的配合，完成一些復雜的算法，所以基于DSP平臺電動機微機保護裝置除完成電動機綜合保護功能外，還能夠完成電動機的轉子籠條斷條故障診斷等一些比較復雜的功能，從而大大提高保護裝置的性能。

2 電動機保護原理

電動機常見的故障類型有對稱故障和不對稱故障兩大類。對稱故障對電動機的損害主要是由于電流增大引起的熱效應，不對稱故障多半不出現(xiàn)明顯的電流幅值變化，它對電動機的損害主要是不對稱引起的負序效應。根據(jù)對稱分量法分析，當電動機發(fā)生不對稱故障時，電動機的電流可以分解為正序、負序和零序分量，且負序、零序電流會以較大幅值出現(xiàn)。根據(jù)上述分析，可以將高壓電動機的保護分解成過流保護、負序電流保護、零序電流保護三個部分。

（1）過流保護，分為電流速斷、定時限過流、熱過載反時限過流保護三段式。

1）電流速斷保護：速斷保護動作電流Ids整定值按下列兩條計算原則中所得的最大值選定。

a．要求電流速斷保護的動作電流Ids必須不大于電動機滿載啟動時的起動電流Iq。

Ids＝KcIeq＝KkKqIe（1）

式中：Ie——電動機的額定電流歸算到機端電流互感器二次側的值；

Kq——電動機起動系數(shù)，一般取4～7；

Kk——可靠系數(shù)，取1．2～1．3。

b．在電動機附近速斷保護范圍之外短路時，要求Ids大于次暫態(tài)短路電流。

式中：同步電動機

＝5．5Ie；同步補償機

＝6Ie；對異步電動機附近外部相間短路式，

只需按式（1）計算即可。

2）定時限過流保護：延時定值需躲過電機自啟動時間。當電機啟動時，在T＜Tstart時，啟動電流小于保護定值，保護不動作；當T≥Tstart時，時間元件動作，保護的電流定值自動減小一半，若此時啟動電流仍超過保護新定值（為原定值一半），保護動作跳閘。

3）熱負載反時限過流保護：熱過載反時限過流保護的動作方程如下：

式中：Ieq——電動機運行中三相電流中的最大值；

Is——可整定的保護動作電流；

τ——可整定的發(fā)熱時間常數(shù)（一般由制造廠提供）。

（2）負序保護

發(fā)生嚴重的不對稱故障時，負序電流I2很大，這時要求根據(jù)I2設置單獨的快速保護。

一段：高定值I′2d，短延時t1：t1為固定值。

式中，為系統(tǒng)最小運行方式下，電動機機端兩相短路時，最小的短路電流負序分量。

二段：低定值，長延時t2：t2由用戶整定，一般可整定為3 s。

＝（0．3～0．4）Ie（5）

按式（4）計算后，還必須檢驗的值大于。

（3）零序保護

當3I0大于保護的動作電流I′0d時，經(jīng)短延時t保護出口動作，發(fā)出接地信號或跳閘。

對3 kV、6 kV、10 kV電網(wǎng)中的大多數(shù)變壓器中性點不接地或經(jīng)消弧線圈接地的系統(tǒng)，保護通常只需發(fā)接地信號，不跳閘。保護的短延時可整定為0．1～0．5 s。對3 kV、6 kV、10 kV電網(wǎng)中的少數(shù)變壓器中性點經(jīng)高阻接地的電網(wǎng)，保護動作于跳閘，其動作電流I′0d應躲過啟動過程中由于三相電流不完全對稱而出現(xiàn)的三倍不平衡零序電流，延時整定為0．5 s。

3 TMS320F240電動機微機保護裝置的硬件系統(tǒng)結構

電動機微機保護裝置的硬件系統(tǒng)結構采用模塊化結構，主要由處理器模塊、鍵盤顯示模塊、模擬量采集模塊、出口模塊、電源模塊和通信模塊六個部分組成。其框架結構如圖1所示。

4 處理器模塊的設計

處理器模塊是整個裝置的核心，負責模擬信號的調理濾波、采樣、模擬／數(shù)字轉換、頻率和相位的測量、開關量信號的輸入／輸出、通信、系統(tǒng)計時、數(shù)據(jù)計算、邏輯判斷等功能。處理器模塊采用DSP處理器進行設計，可以充分利用其數(shù)據(jù)運算處理的能力，其軟硬件開發(fā)平臺不僅可以進行復雜的算法設計如交流采樣的FFT算法、自校正功能等，而且可以對電動機早期故障（如轉子籠條斷條）及一些非正常運行狀態(tài)作出診斷，從而大大提高電動機保護裝置的性能。

本裝置的處理器模塊由TMS320F240微處理系統(tǒng)構成。TMS320F240是TI公司于1997年在TMS320C2xx的基礎上推出的一種專用定點可編程芯片，它在單一芯片上集成一個DSP內核和各種外設器件，可以解決各種工程應用方案。為了簡化系統(tǒng)設計，可以把系統(tǒng)的一些外圍控制電路由 CPLD（Complex Programmable Logic Device）來實現(xiàn)。在設計中選用XILINX公司生產(chǎn)的CPLD，其中XC9500系列產(chǎn)品采用了系統(tǒng)內5 V可編程FASTFLASH技術，并且含有內部JTAG雙向掃描測試邏輯。本系統(tǒng)采用電路原理圖方式對CPLD進行邏輯編輯。

F240芯片可以工作在微處理器或微控制器兩種狀態(tài)，通過MP／MC引腳上的電平?jīng)Q定，其主要區(qū)別在于選用片內或片外的存儲空間作為程序存放地址?？紤]到系統(tǒng)調試階段需要外部的存儲空間，所以在系統(tǒng)設計時添加了高速靜態(tài)RAM作為外部程序空間。另外，由于F240使用的是16位數(shù)據(jù)和地址總線，所以選用兩片8位的SDRAM構成外部程序空間。

F240的存儲結構特點是程序、數(shù)據(jù)和I／O地址空間分離，每部分空間為64 K字。由于F240的數(shù)據(jù)地址和I／O地址是分開的，由DS＼信號作為外部數(shù)據(jù)存儲器的片選信號，而IS＼信號表示對外部I／O地址進行訪問，所以只需要對外部設備進行地址譯碼，由CPLD完成。

另外，TMS320F240通過邊沿掃描的方法實現(xiàn)仿真器對目標系統(tǒng)的仿真，由仿真器接出的仿真頭和芯片的JTAG口相連可以進行仿真和調試。

5 其它各單元電路

裝置其它各組成單元電路主要有：模擬量測量電路、開關量輸入／輸出電路、鍵盤顯示電路、通信電路等。

F240片內集成了采樣保持電路和模擬多路轉換器的雙十位AD轉換，鑒于對于電動機測量和保護精度而言，若電流采樣值范圍在0～10 mA，采用10位AD可以達到精確到小數(shù)點后一位，大致可以滿足多數(shù)的電動機保護的要求，為了盡量充分的利用芯片資源，采用了片內AD轉換進行設計。但是考慮到保護尤其是監(jiān)控精度要求的嚴格性，現(xiàn)已在本裝置中外擴了14位A／D轉換芯片AD7863，這樣可以更好的符合精度要求。對外部信號進行調理的電路由精密電位器構成，濾波器則采用二階低通濾波器。此外，模擬量測量電路中還包括過零檢測單元，實現(xiàn)模擬量頻率和相位的測量。

開關量輸入／輸出電路主要完成狀態(tài)信號的輸入和動作信號的輸出。繼電保護裝置CPU的擴展口一般較少，不能滿足輸入輸出的需要，因此在讀入開入量及輸出量時，往往需要進行口的擴展。本裝置中此部分功能集成在CPLD中，并掛在其內部的地址／數(shù)據(jù)總線上。

裝置采用薄膜鍵盤，一共有9個按鍵，只需要通過上、下、左、右、取消、確認六個按鍵結合菜單便可直觀地在線、離線整定定值、修改實際時間、就地操作開關等。采用中斷方式相應鍵盤，以減少其對CPU的占用。F240的中斷信號是低電平有效，所以鍵盤的中斷信號通過一個與門產(chǎn)生。

通信電路主要由CAN通信模塊電路構成，采用Philips的SJA1000作為CAN控制器，驅動器采用CAN控制器接口芯片PCA82C250。 PCA82C50是CAN協(xié)議控制器和物理總線的接口，對總線提供不同的發(fā)送能力和對CAN控制器提供不同的接收能力，完全和ISO11898標準兼容，并具有對電池和地的短路保護功能。

此外，為了裝置的能夠可靠的工作，一般需要加上WATCHDOG電路，本系統(tǒng)采用X5043看門保護功能。

6 軟件設計

在微機保護裝置的軟件設計中，主要考慮的是交流采樣算法、保護算法，通過采樣得到的數(shù)據(jù)按照一定的保護算法來進行判斷保護是否動作。傳統(tǒng)的一點、兩點、三點以及均方根采樣算法都是基于電壓、電流為純正弦變化的情況考慮，而在實際電動機發(fā)生故障時，往往是在基波基礎上疊加有衰減的非周期分量和各種高頻分量，因此要求微機保護裝置對輸入的電流、電壓信號進行預處理，盡可能地濾掉非周期和高頻分量?？紤]到富士算法的很強的濾除高次諧波的功能，但是全波富士算法需要一個周波的N個采樣數(shù)據(jù)，響應速度較慢，為了提高保護的速動性，在比較現(xiàn)有的各種改進半波富氏算法的基礎上，決定采用半波傅氏算法與Mann－Morrison算法相結合的快速算法，用半波富氏算法計算基波實部，而用Mann－Morrison算法計算基波幅值，既可以保留半波富士算法響應速度的優(yōu)點，又可以克服其濾波功能較弱的不足。

電動機保護裝置的軟件采用了模塊化的設計思想，由主程序模塊、中斷服務子程序模塊和各個功能子程序模塊三大部分組成。實際編程采用C語言和匯編混合編寫，提高了數(shù)據(jù)處理的能力，也保證了程序的可靠性。

7 結束語

在模塊化設計的基礎上，開發(fā)的TMS210F240處理器為硬件核心的微機繼電保護裝置，是一個通用的硬件平臺，能夠滿足電動機保護可靠性、選擇性、速動性以及靈敏性的要求。在此平臺上不僅可以實現(xiàn)對高壓電動機的保護，通過對軟件的適當修改還可以實現(xiàn)變壓器保護、電容器保護等其它功能。

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