由于生產自動化及各種自動控制、順序控制設備的出現，要求電機經常運行在頻繁的起動、制動、正反傳、間歇以及變負荷等各種方式。電機的運行要求越來越高。同時，由于電機與配套機械連在一起，當電機發(fā)生故障時，經常波及生產系統(tǒng)。因此，對電機實行有效的保護是保證生產系統(tǒng)正常工作的一項重要任務。
隨著科學技術的發(fā)展，電機保護裝置中逐漸使用了電子保護裝置。在國外，目前電子保護裝置已在電力系統(tǒng)和電機保護裝置中獲得了廣泛應用，國內也開始推廣[1]。電子保護裝置的優(yōu)點是：基本上由靜止元件組成。它動作速度快，不存在機械位移和磨損，精度和壽命一般均比有觸點繼電器高，耐沖擊和振動，可靠性好。另外，電子電路動作功率小，靈敏度高。
數字信號處理器(DSP)具有流線型操作功能和單周期完成乘法的結構，由其組成的系統(tǒng)能實時進行頻譜分析。高速14位A/D轉換器MAX126帶多路開關和采樣保持器，非常適用電機信號的采集。為了實現對電機的可靠保護，提出了以TMS320LF2407的為核心，對過載、輕載、不平衡、斷相、過壓和欠壓等常見故障具有綜合檢測保護功能的智能電機保護器。
1 系統(tǒng)基本原理和設計思想
電機運行中常常會出現不正常的運行狀態(tài)。這些不正常的運行狀態(tài)包括：過載、堵轉、短路、輕載、不平衡、斷相、過壓、欠壓和漏電。電機保護是在檢測三相電壓UA、UB、UC，三相電流IA、IB、IC和漏電流IL的基礎上做出的。具體過程如下：
(1) 設置各個參數，由PC機發(fā)出控制信號；
(2) 采樣三相電壓、三相電流和漏電流，得到實時值；
(3) 利用FFT算法對數據進行處理和計算，得到三相電壓、電流的有效值、有功功率、無功功率以及功率因數；
(4) 判斷電機是否處于不正常的運行狀態(tài)；
(5) 通過RS-485接口把數據發(fā)送到顯示部分，顯示在LCD上。
系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示。CPU選用TI公司的TMS320LF2407，其豐富的硬件資源在系統(tǒng)中得到了充分的應用，加上少量的外圍器件，就構成了一個功能完善、簡便適用的系統(tǒng)。
圖1 硬件框圖
2 系統(tǒng)硬件設計
2.1 TMS320LF2407
TMS320LF2407也稱為DSP控制器，是TI公司專門針對電機、逆變器、機器人、數控機床等控制而設計的[2-4]。TMS320LF2407采用高性能靜態(tài)CMOS技術，使得供電電壓降為3.3V，減小了控制器的功耗；30MIPS的執(zhí)行速度使得指令周期縮短到33ns（30MHZ），從而提高了控制器的實時控制能力。它包括了兩個事件管理器模塊EVA和EVB，能夠實現：三相反相器控制；PWM的對稱和非對稱波形；3個捕獲單元；16通道A/D轉換器。事件管理器模塊適用于控制交流感應電機、無刷直流電機、開關磁阻電機、步進電機、多級電機和逆變器。
2.2 TMS320LF2407和MAX126的接口電路
TMS320LF2407芯片內部雖然包含雙10位的A/D轉換模塊，但只能同時采樣和轉換兩個輸入通道，不滿足電機監(jiān)控系統(tǒng)同時采樣多路的要求。MAX126是MAXIM公司生產的高速14位逐次比較型A/D轉換芯片，4路同步采樣/保持器可以對4個通道的信號同時采樣。
本系統(tǒng)采樣7路信號，所以使用兩片MAX126芯片，且都工作于A組多路開關、4路采樣，轉換時間為12ms。DSP和MAX126的接口電路如圖2所示[5]。通過不同的I/O操作就可以控制MAX126正常工作。
圖2 DSP和MAX126的接口
2.3 顯示電路
顯示電路以AT89S52為核心，液晶顯示模塊采用MGLS240128T，接口電路如圖3所示。
液晶顯示模塊控制器T6963C的數據總線DB0~DB7與AT89S52的P0口相連。T6963C的讀寫控制信號RD/WD分別由AT89S52的外部ROM讀寫控制信號RD/WD控制。CE是片選信號，由AT89S52的P2.7控制，低電平時選通。C/D為寄存器選擇信號，輸入低電平表示本次讀寫的是數據；輸入高電平表示本次寫的是命令，讀的是T6963C的狀態(tài)。 
圖3 顯示部分電路圖
2.4 通訊電路
本系統(tǒng)采用總線型分布式網絡結構。網絡結構如圖4所示。各保護器通過MAX485組建RS485通訊總線，PC機和RS485總線之間通過RS232/RS485轉換卡連接。
PC機的功能是提供良好的操作界面，允許管理者修改參數。管理者通過操作界面可以向各保護器發(fā)送控制命令。保護器可以接收主機的命令，根據命令驅動電氣設備的合閘或跳閘，以及測量各個電氣參數，并將電氣參數傳輸到顯示模塊顯示。
顯示部分使用LCD模塊顯示電氣參數。
圖4 通訊結構圖
各保護器和485總線的接口電路如圖5所示。MAX485芯片為RS485芯片，兩個控制端由DSP的兩個I/O口控制，另外由一個I/O口負責數據的傳輸方向的選擇。
圖5 RS485接口電路
2.5 保護動作電路
所有保護電路的執(zhí)行電路如圖6所示，主要是通過繼電器的通斷來完成。如果電機發(fā)生故障，則DSP芯片產生低電平，促使光耦導通，從而使繼電器動作，保護了電機。
圖6 保護電路
3 系統(tǒng)軟件設計
有了硬件運行平臺，必須設計相應的軟件才能發(fā)揮其應用的功效。由于軟件的靈活性，可以根據系統(tǒng)的要求隨意的更改、增減，所以系統(tǒng)的智能化程度很大部分取決于軟件結構是否合理，功能是否全面。
保護器DSP部分采用C語言編程，控制軟件主要由控制程序、顯示程序、通訊程序等組成。
4.1 控制程序
智能電機保護器通過檢測線路中的電流和電壓，經計算、分析來實現各種保護功能，并且實時顯示線路的參數和記錄故障狀態(tài)。
本系統(tǒng)通過TMS320LF2407內部定時器中斷啟動A/D轉換。設定初始采樣頻率2.56KHz，則采樣間隔 390.625ms，即390.635ms觸發(fā)一次A/D。MAX126的12路A/D轉換完成后，發(fā)送中斷請求信號到DSP的XINT1腳。控制程序的流程圖如圖7所示。
圖7 控制程序流程圖
4.2 中斷程序
中斷程序的功能是采樣和存儲采樣數據。在電機保護系統(tǒng)中，一般存儲數據的下一步就是對各相的電壓和電流采樣值進行FFT分析，因此在存儲數據時要注意以下兩個問題：
(1) 盡管電壓和電流采樣的數據是離散實數序列，但是進行FFT后，變成FFT復數序列，因而一般將A/D轉換后的電壓和電流實數序列看成虛部為零的復數序列，用連續(xù)的內存空間存放復數，實部在前，虛部在后。
(2) FFT的輸入和輸出序列存在“正序—逆序”或者“逆序—正序”的關系，所以為了簡化后續(xù)計算，在存儲采樣數據時一般采用“逆向進位加變址量”的間接尋址方式，DSP中的指令為*BR0+。
中斷部分的程序流程圖如圖8所示：
圖8 中斷程序流程圖
4.3 顯示程序
顯示部分的程序流程圖如圖9所示。
圖9 顯示程序流程圖
4.4 通訊程序
通訊部分主要是兩部分組成的：1、PC和DSP之間的485通訊；2、DSP和AT89S52之間的RS485通訊。
PC機部分用Labview編程。Labview提供了功能強大的VISA（Virtual Instrument Software Architecture）庫，完成計算機與儀器之間的連接，用以實現對儀器的程序控制。
AT89S52從DSP接收數據，然后顯示在LCD上。相互之間通訊的規(guī)約為F0+10datas+0F，即先判斷是否得到起始信號F0，如果是，就接收11個數據，然后判斷最后一個數據是否為0F，如果不是，丟棄這組數據，重新接收。
4 實驗結果
系統(tǒng)測試的部分結果如表1所示。
表1 參數檢測結果
測試時電機電壓和電流的實際值為220V、10A，根據測量結果，A、B、C三相的電壓和電流測量精度都達到了要求。
5 結語
本文提出的基于TMS320LF2407的智能電機保護器充分利用了DSP的資源，用少量的外圍器件構成了一個功能完善、性能優(yōu)良的廉價實用系統(tǒng)，保證了生產系統(tǒng)可靠運行，為實現電機保護裝備低成本開發(fā)和更新換代提供了一條切實可行的途徑。該保護器在電機保護中將有很好的應用前景。
參考文獻
[1] 黃 群，鄧 慧. 基于PIC16單片機的發(fā)電機保護裝置[J]. 計算機與數字工程, 2000, 28(5): 52-54.
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[3] 劉和平，嚴利平，張學鋒等. TMS320LF240x DSP結構、原理及應用[M]. 北京：北京航空航天大學出版社, 2002.
[4] 章 云，謝莉萍，熊紅艷. DSP控制器及其應用[M]. 北京：機械工業(yè)出版社, 2001.
[5] 袁 春，袁國洲，喻壽益. DSP與MAX125/126在電力參數測量中的應用[J].電腦與信息技術, 2001, 1: 41-43.
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