基于DSP的新型電機保護系統硬件設計

王 強， 騰 飛， 張 健

(1.遼寧石油化工大學信息與控制工程學院，遼寧撫順 113001;

2.沈陽第六人民醫院器械科，遼寧沈陽 110006;3.鞍鋼集團礦業公司，遼寧沈陽 111008)

0 引言

隨著國民經濟的發展，生產過程機械化、自動化程度的不斷提高，電機在生產中擔當了十分重要的角色，對電機的工作狀態進行監測可保證電機的安全運行，避免惡性事故的發生，對國民經濟有重要的價值，因此盡快開發一種新型智能電機保護監控裝置已是當務之急。隨著微電子技術的發展，出現了DSP，這些器件的出現使得各種數字信號處理的算法得以實時實現，還從信號處理領域拓寬到系統控制領域。在這種背景下，以DSP器件為核心，對電機過壓、欠壓、過載、漏電等故障具有綜合監測保護功能的智能型保護裝置應運而生。

1 微控制器TMS320LF2407A簡介

TMS320LF2407A數字信號處理器是TI公司基于電機的控制應用而設計的，它將高性能的DSP內核和豐富的微控制器外設功能集于單片中，從而成為傳統的多微處理器(MCU)和昂貴的多片設計的理想替代產品，它將DSP的實時處理能力和控制器的外設功能集于一身，為控制系統應用提供了一個理想的解決方案。每秒4 000萬條指令(40 MIPS)的處理速度，使LF2407A DSP控制器可以提供遠遠超過傳統的16位微控制器和微處理器的性能。

2 電機保護系統的總體介紹

三相電機保護裝置完成的主要任務是當電機的工作電壓或者工作電流等因素超出規定的范圍時，判斷并顯示出故障類型，通知執行機構動作，并進行數據通信。該設計有良好的人機界面，能方便快捷地對電壓、電流的標準值進行設定，并對現場的電壓、電流等進行顯示。此外，還能通過RS-485C標準接口，來實現與上位機雙向通信的功能，達到遙測、遙控、遙調的目的。

下位機以TMS320LF2407A為核心，主要完成以下幾個任務:電壓電流采集、數字濾波、采樣數據的處理、故障類型判斷、鍵盤顯示、越限報警跳閘、與上位機通信等。

保護裝置的上位機監控系統以PC機為人機交互系統，下位機為 LF2407A。PC機利用 RS-232C串行口和下位機進行通信，對下位機的現場工作電壓、電流等工作參數實時進行監測。通過設置，還可以通過上位機對下位機的時間、日期、工作參數等進行修改。

3 保護裝置的硬件設計

本系統硬件設計的思路是:通過電流電壓互感器、電壓形成電路、帶通濾波器、采樣保持電路，將各通道電量轉換為對應的電壓值，并送至DSP片內的A/D轉換電路進行模數轉換，根據轉換結果與標準值進行比較運算，若判斷有故障，則執行跳閘或發出信號，并記錄事件信息(發生時間、事故性質、故障量)，以實現對電機的保護。本保護裝置主要由DSP主系統、前向輸入通道、開關量輸入輸出、人機交互接口及通信電路等單元組成，整體硬件電路如圖1所示。

圖1 系統硬件總體圖

3.1 電壓形成電路設計

由于從電流互感器二次側出來的電流一般為5 A，為了滿足A/D轉換器要求的輸入電壓范圍，設計了電壓形成電路。

在電流互感器二次側，利用精密微型電流互感器把大電流信號變為微電流信號再進行處理。選用西安橫山微型互感器研究所生產的HCT206，把輸入 0～5 A的電流轉換為 0～1.5 mA的電流。

采用圖2所示電路將電流輸出信號變換成電壓信號。調整圖2中反饋電阻R和r的值可得到所需要的電壓輸出。電容C1及可調電阻r'是用來補償相移的。電容C2和C3是400～1 000 pF的小電容，用來去耦和濾波。兩個反接的二極管是起保護運算放大器作用的。運算放大器根據精度要求選用OP07，這樣很容易達到較高的精度和較好的穩定性。圖2中反饋電阻R要求精度優于1%，溫度系數優于50 PPM。

圖2 電壓形成電路

3.2 帶通濾波器電路設計

在模擬量輸入系統中經常需要設置濾波器，在模擬信號傳送到微處理機之前，先進行濾波預處理，這一點是十分重要的。因為電網中交流電的主要成分是工頻交流電(50 Hz)，但其中還夾雜著直流和高次諧波，這些成分在采樣之前必須加以濾除，輸入信號越純正，采樣、A/D轉換后誤差就越小。同時采樣頻率必須大于被采樣信號中所含最高頻率成分fmax的兩倍，否則將造成頻率混疊，產生頻率折疊誤差。利用帶通濾波器既可以濾除高頻分量，又可以濾除直流分量及鄰近串聯電容器引起的低頻分量，僅將50 Hz的交流信號(正常或故障)送到微機中去。

在很多微機保護中，采用低通濾波器進行濾波，其高次諧波分量被大大衰減。但直流分量和鄰近串聯電容引起的低頻分量的影響，低通濾波器是無能為力的。因此，這里使用帶通濾波器。

在本設計中，采用由兩塊OP07運算放大器組成的四階切比雪夫帶通濾波器，如圖3所示。

圖3 帶通濾波器電路

3.3 直流偏置電路設計

LF2407A片內A/D轉換器的輸入電壓范圍為0～3.3 V，而電網上的交流信號具有正負極性。因此，需要通過一個加法器電路加上一個直流偏置以抬高電位，使輸入電壓為單一的正信號;然后通過一個硅穩壓管限壓，防止電網電壓突然升高造成對器件的損害。具體電路見圖4。

圖4 直流偏置電路

3.4 線性模擬光電隔離器設計

為了提高系統的抗干擾能力，輸入信號在進入DSP系統之前必須進行隔離。對于數字信號的傳輸，可以使用光電耦合器進行徹底隔離。但是，光電耦合器具有較大的非線性，直接用來傳輸模擬量時，精度較差，而傳統的調制解調電路和非線性補償電路既復雜又龐大，也很不適用。雖然現在已有高性能的隔離放大器，但其價格太貴。因此，設計了一種精度較高、電路簡單的隔離傳輸電路，可以較好地完成模擬信號的不共地傳輸，如圖5所示。

圖5 線性模擬光電隔離器電路

電路的核心是兩個光電耦合器V1(TIL521-1)和 V2(TIL521-2)，V2和R23組成輸出級;Vl和V2的初級串聯，公用同一激勵電流I1;V1和R21組成負反饋電路。

設V1和V2的電流非線性傳輸函數分別為g1(I1)和g2(I1)，即根據理想運放的概念，有下列關系:則放大器電壓增益為將式(1)和式(2)代入式(3)得

其中:K=R23/R21。

如果V1和V2是同型號光電耦合器或是同一封裝的雙光電耦合器，那么可以認為它們的傳輸函數的溫度特性和電流非線性是完全一致的，即g1(I1)=g2(I1)，則G=K，常數K即為該隔離放大器的電壓傳輸比，兩個光耦一個作輸出，一個作反饋，可以巧妙地補償它們的非線性。

由于光電耦合器初、次級之間存在著傳輸時延，V1和R21組成的負反饋電路顯得遲緩，容易引起自激振蕩。電容C26可以消除自激振蕩，其容量可根據電路頻率特性來選取。實踐證明，選用快速非達林頓型光電耦合器可改善電路的整體性能。為了提高該隔離放大器的輸出能力，降低輸出阻抗，可以在輸出級加一個電壓跟隨器作緩沖。

由于該電路的輸入與輸出之間僅有光的耦合，而沒有電的聯系，所以能很好地隔斷共模干擾，解決了模塊之間模擬信號的不共地傳輸。

3.5 采樣保持電路的設計

由于后續的數據處理需要同步輸入信號，所以每一路都要有采樣保持電路。LF2407A片內雖然集成了采樣保持器，但是只有一個，不能滿足系統要求。故選用6片LF398組成同步采樣保持電路，由 DSP輸出同步觸發信號來控制它們的工作。

3.6 鍵盤顯示電路設計

本設計選用了帶硬件字庫和ST7920A驅動的液晶顯示模塊TM12864，利用液晶顯示器容量大的特點，正常時顯示系統的工作狀態和工作參數，故障時顯示故障類型及參數，并配合鍵盤實現整定值輸入、修改和故障查詢記錄，給操作工人創造一個簡單而全新的交互方式。

實現人機對話通過鍵盤來完成。本裝置中的鍵盤，采用獨立式鍵盤，共有三個按鍵。一個上行鍵、一個下行鍵和一個確認鍵。上行鍵完成菜單的向上移動及整定時參數增加的功能;下行鍵完成菜單的向下移動及整定時參數減小的功能;確認鍵完成菜單的左右移動、整定時參數確認等功能。通過鍵盤進行參數整定時，屏幕可實時反映參數的變化。另外，可通過鍵盤進行各種試驗，如短路試驗、漏電閉鎖試驗等，并可對裝置自身的完好性進行自檢。

3.7 開關量輸入輸出電路設計

3.7.1 開關量輸入電路設計

開關量輸入回路包括斷路器和隔離開關的輔助觸點或跳合閘位置繼電器接點輸入，還包括裝置上連接片輸入等回路。

3.7.2 開關量輸出電路設計

相對而言，開關量輸出比開關量輸入具有更重要的地位，因為在智能保護裝置中，所有的保護功能最終是通過開關量輸出單元來控制斷路器、隔離開關和繼電器動作實現的，因此智能保護裝置開關量輸出電路的可靠性直接反映了智能保護系統的可靠性。

開關量輸出主要包括跳閘出口和中央信號出口等。開關量輸出回路一般都采用并行輸出端口控制有接點的繼電器。開關量輸出回路如圖6所示，為了提高抗干擾能力，都要經過一級光電隔離。此外，在出口跳閘時，DSP的兩個IO口分別輸出不同的電平(一個輸出“0”，一個輸出“1”)，使與非門 Y2輸出“0”驅動發光二極管。這樣的安排，可防止在拉合直流電源過程中繼電器J的短時誤動。因為在拉合直流電源時，開通上電復位，兩個IO口都是相同的電平輸出，不可能驅動發光二極管，從而防止了誤動。

當需跳閘時，程序令DSP的兩個IO口分別輸出“0”和“1”，以反相器Y1和與非門電路驅動發光二極管發出光脈沖，光敏三極管隨之導通，出口繼電器K勵磁。在實際保護裝置中應考慮出口的閉鎖，以防止保護誤動作，因此光敏三極管的集電極必須經起動繼電器接點接正電源，形成保護出口的閉鎖回路。

圖6 開關量輸出回路

本裝置設置了5個指示燈，分別用于指示工作狀態和各種故障。當出現故障后，給出報警信號，以通知用戶電機已處于故障狀態，如果在相應的允許時間內故障消失，則報警信號取消，否則報警指示燈(發光二極管)閃爍、警笛響，提醒運行人員及時排除故障。

3.8 通信電路設計

本系統采用RS-485總線構成通信網絡，工控機一般都無RS-485接口，因此要解決工控機和485總線的接口問題。一種常用的方案是由一塊插在工控機擴展槽上的專用網卡，完成串行數據和并行數據的轉換，從而實現工控機和485總線的互聯。該方案能保證很高的數據傳輸率，但缺點是專用網卡價格較貴，經濟性較差。因此，利用工控機上一般都有的RS-232接口，使用了一個485/232轉換器ADAM4520，將工控機的RS-232串口和485總線互連。ADAM4520內置總線監視器，能自動檢測數據的傳輸方向，實現數據的透明傳輸。該方案實現簡單，成本較低，其缺點是由于RS-232串口通信速率的限制，整個系統的通信速率不能超過20 kbps，但該速率已能滿足本系統的要求。

4 結語

本設計利用集成電路設計技術和DSP技術，使該裝置可實現過壓、過流、過載及漏電等多種保護功能，能根據電機的型號和額定參數，自主設定電壓電流額定值，實現保護。為了使保護更加及時，達到實時性的要求，本設計采用了高速數字信號處理芯片TMS320LF2407A，作為保護裝置的CPU，大大提高了系統的實時性。

［1］孫標，馬立波.基于TMS320LF2407直接轉矩控制系統的全數字化實現［J］.大電機技術，2004(2):37-39.

［2］何克忠.計算機控制系統分析與設計［M］.北京:清華大學出版社，1998.