基于DSP的智能电机保护器设计

由于生产自动化及各种自动控制、顺序控制设备的出现，要求电机经常运行在频繁的起动、制动、正反传、间歇以及变负荷等各种方式。电机的运行要求越来越高。同时，由于电机与配套机械连在一起，当电机发生故障时，经常波及生产系统。因此，对电机实行有效的保护是保证生产系统正常工作的一项重要任务。

随着科学技术的发展，电机保护装置中逐渐使用了电子保护装置。在国外，目前电子保护装置已在电力系统和电机保护装置中获得了广泛应用，国内也开始推广。电子保护装置的优点是：基本上由静止元件组成。它动作速度快，不存在机械位移和磨损，精度和寿命一般均比有触点继电器高，耐冲击和振动，可靠性好。另外，电子电路动作功率小，灵敏度高。

数字信号处理器(DSP)具有流线型操作功能和单周期完成乘法的结构，由其组成的系统能实时进行频谱分析。高速14位A/D转换器MAX126带多路开关和采样保持器，非常适用电机信号的采集。为了实现对电机的可靠保护，提出了以TMS320LF2407的为核心，对过载、轻载、不平衡、断相、过压和欠压等常见故障具有综合检测保护功能的智能电机保护器。

1 系统基本原理和设计思想

电机运行中常常会出现不正常的运行状态。这些不正常的运行状态包括：过载、堵转、短路、轻载、不平衡、断相、过压、欠压和漏电。电机保护是在检测三相电压UA、UB、UC，三相电流IA、IB、IC和漏电流IL的基础上做出的。具体过程如下：

(1) 设置各个参数，由PC机发出控制信号；

(2) 采样三相电压、三相电流和漏电流，得到实时值；

(3) 利用FFT算法对数据进行处理和计算，得到三相电压、电流的有效值、有功功率、无功功率以及功率因数；

(4) 判断电机是否处于不正常的运行状态；

(5) 通过RS-485接口把数据发送到显示部分，显示在LCD上。

系统的硬件框图如图1所示。CPU选用TI公司的TMS320LF2407，其丰富的硬件资源在系统中得到了充分的应用，加上少量的外围器件，就构成了一个功能完善、简便适用的系统。



　图1 硬件框图

2 系统硬件设计

2.1 TMS320LF2407

TMS320LF2407也称为DSP控制器，是TI公司专门针对电机、逆变器、机器人、数控机床等控制而设计的[2-4]。TMS320LF2407采用高性能静态CMOS技术，使得供电电压降为3.3V，减小了控制器的功耗；30MIPS的执行速度使得指令周期缩短到33ns（30MHZ），从而提高了控制器的实时控制能力。它包括了两个事件管理器模块EVA和EVB，能够实现：三相反相器控制；PWM的对称和非对称波形；3个捕获单元；16通道A/D转换器。事件管理器模块适用于控制交流感应电机、无刷直流电机、开关磁阻电机、步进电机、多级电机和逆变器。

2.2 TMS320LF2407和MAX126的接口电路

TMS320LF2407芯片内部虽然包含双10位的A/D转换模块，但只能同时采样和转换两个输入通道，不满足电机监控系统同时采样多路的要求。MAX126是MAXIM公司生产的高速14位逐次比较型A/D转换芯片，4路同步采样/保持器可以对4个通道的信号同时采样。

本系统采样7路信号，所以使用两片MAX126芯片，且都工作于A组多路开关、4路采样，转换时间为12ms。DSP和MAX126的接口电路如图2所示。通过不同的I/O操作就可以控制MAX126正常工作。



图2 DSP和MAX126的接口

2.3 显示电路

显示电路以AT89S52为核心，液晶显示模块采用MGLS240128T，接口电路如图3所示。

液晶显示模块控制器T6963C的数据总线DB0"DB7与AT89S52的P0口相连。T6963C的读写控制信号RD/WD分别由AT89S52的外部ROM读写控制信号RD/WD控制。CE是片选信号，由AT89S52的P2.7控制，低电平时选通。C/D为寄存器选择信号，输入低电平表示本次读写的是数据；输入高电平表示本次写的是命令，读的是T6963C的状态。



图3 显示部分电路图

2.4 通讯电路

本系统采用总线型分布式网络结构。网络结构如图4所示。各保护器通过MAX485组建RS485通讯总线，PC机和RS485总线之间通过RS232/RS485转换卡连接。

PC机的功能是提供良好的操作界面，允许管理者修改参数。管理者通过操作界面可以向各保护器发送控制命令。保护器可以接收主机的命令，根据命令驱动电气设备的合闸或跳闸，以及测量各个电气参数，并将电气参数传输到显示模块显示。

显示部分使用LCD模块显示电气参数。



图4 通讯结构图

各保护器和485总线的接口电路如图5所示。MAX485芯片为RS485芯片，两个控制端由DSP的两个I/O口控制，另外由一个I/O口负责数据的传输方向的选择。



图5 RS485接口电路

2.5　保护动作电路

所有保护电路的执行电路如图6所示，主要是通过继电器的通断来完成。如果电机发生故障，则DSP芯片产生低电平，促使光耦导通，从而使继电器动作，保护了电机。



图6 保护电路