高壓電機(jī)是指額定電壓在1000V以上電動機(jī)。電機(jī)保護(hù)設(shè)備又是電動機(jī)可靠運行的主要保障，它既能使電動機(jī)充分發(fā)揮過載能力，又能免于損壞，而且還能提高電力拖動系統(tǒng)的可靠性和生產(chǎn)的連續(xù)性。同時選擇保護(hù)裝置時，必須考慮幾個互相矛盾的因素，即可靠性、經(jīng)濟(jì)性、結(jié)構(gòu)簡單、操作、維護(hù)方便等。電動機(jī)保護(hù)設(shè)備為重要的特性指標(biāo)就是可靠性和實時性。本文將設(shè)計一種符合上述要求的基于嵌入式和DSP技術(shù)的高壓電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的方案。

　　DSP芯片，也稱數(shù)字信號處理器， 是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器。DSP芯片的內(nèi)部采用程序和數(shù)據(jù)分開的哈佛結(jié)構(gòu)，具有專門的硬件乘法器，廣泛采用流水線操作，提供特殊的DSP指令，可以用來快速的實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。

　　1TMS320F2812 DSP芯片

　　德州儀器所生產(chǎn)的TMS320F2812 數(shù)字訊號處理器是針對數(shù)字控制所設(shè)計的DSP，整合了DSP 及微控制器的特性，主要使用在嵌入式控制應(yīng)用，如數(shù)字電機(jī)控制（digital motor control, DMC）、資料擷取及I/O 控制（data acquisition and control, DAQ）等領(lǐng)域。針對應(yīng)用化，并有效縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，F(xiàn)28x 支持全新CCS環(huán)境的C compiler，提供C 語言中直接嵌入?yún)R編語言的程序開發(fā)介面，可在C 語言的環(huán)境中搭配匯編語言來撰寫程序。值得一提的是，F(xiàn)28x DSP 支持特殊的IQ-math 函式庫，系統(tǒng)開發(fā)人員可以使用便宜的定點數(shù)DSP 來發(fā)展所需的浮點運算算法。F28x 系列DSP預(yù)計發(fā)展至400MHz，目前已發(fā)展至150MHz 的Flash 型式。

　　TMS320F2812芯片的內(nèi)部存儲器包括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個獨立的、可編程的GPIO口；3個帶有6種模式的通用目的定時器；3個可配置死區(qū)的比較器；3個單端比較單元；4個捕捉單元；同時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)計的方便。

　　TMS320F2812有3個32位元的CPUTimer。CPU-Timer0 可以讓使用者來應(yīng)用，而CPU-Timer1和CPU-Timer2則被保留做為實時（Real-Time）OS（例如：DSP-BIOS）。這些CPU-Timers 不同于事件管理模塊（EVA,EVB）內(nèi)一般用途用（General-Purpose）Timers。CPU-Timer大致上的運作如下：32 位元的計數(shù)緩存器（TIMH：TIM）加載周期緩存器（PRDH：PRD）的值，計數(shù)緩存器是以TMS320F2812的SYSCLKOUT（150MHz）之速率遞減，當(dāng)計數(shù)到0時，Timer會產(chǎn)生一個中斷信號。

　　2基于TMS320F2812的高壓電機(jī)保護(hù)裝置整體設(shè)計

　　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，是實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲和傳輸?shù)裙δ艿闹饕酒?，附帶信號變換和調(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，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模塊來實現(xiàn) ，其采樣速度可達(dá)12.5 MSPS，因此無論在采集通道數(shù)、采樣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，既可配置成兩個獨立的8通道模塊，也可將這兩個獨立的8通道模塊級聯(lián)而形成一個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)場電流信號取自電流互感器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化研究所的WBI513 C0型電流變送器，其輸出的信號為0～25 mA，不能直接輸入到TMS320F2812的ADC模塊，所以必須設(shè)計具有信號轉(zhuǎn)換和濾波等功能的信號調(diào)理電路。裝置中選用了TI公司的自校準(zhǔn)精密雙 運算放大器TLC4502作為信號調(diào)理電路的芯片，TLC4502是利用1 μm／5 V數(shù)字CMOS技術(shù)制造的高性能運算放大器，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

　　在保護(hù)裝置運行過程中有許多參數(shù)需要修改和保存，特別在保護(hù)動作時需要保存當(dāng)時日期時間、當(dāng)時電機(jī)運行參數(shù)和動作信息，而TMS320F2812中沒有集成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使得接口電路簡單，可靠性好，實時性也能得到保證。

　　2.3數(shù)據(jù)通信

　　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)場信息化、網(wǎng)絡(luò)化趨勢的要求相矛盾。基于普通單片機(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，現(xiàn)場級大多采用現(xiàn)場總線的通信方式，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，完美地解決了保護(hù)裝置與其他系統(tǒng)的通信問題。

　　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，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)計概述

　　傳統(tǒng)單片機(jī)的開發(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)用程序通過與PC相接的電纜下傳到仿真器并運行。DSP的開發(fā)和傳 統(tǒng)單片機(jī)的開發(fā)有較大的區(qū)別，現(xiàn)存DSP芯片基本上都設(shè)計了JTAG接口(JTAG接口根據(jù)IEEE11. 49.1標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)計的邊界掃描電路，專門用于完成仿真和測試的一套硬件電路)，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JTAG接口可以實現(xiàn)引腳連通性檢驗、外圍 運行檢驗、訪問片內(nèi)所有資源、在線仿真、程序、廠家測試等。DSP開發(fā)裝置中所說的 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去 取代CPU的方式不同。

　　TI公司針對DSP軟件開發(fā)和仿真調(diào)試已經(jīng)推出了基于不同內(nèi)核的綜合開發(fā)平臺CCS，針對2000系列內(nèi)核DSP的綜合開發(fā)平臺是CCS2000，它支持標(biāo)準(zhǔn)C語言、匯編語言和算術(shù)助記語言，另外DSP—BIOS的使用和實時數(shù)據(jù)交換提供了方便快捷的開發(fā)環(huán)境?；赥MS320F2812的高壓電機(jī)保護(hù)裝置的軟件開發(fā)和仿真調(diào)試選用的是CCStudio V2.02，采用標(biāo)準(zhǔn)C語言作為程序設(shè)計語言，其編譯效率和直接用匯編語言已經(jīng)沒有太大的差距，并且由于在電機(jī)保護(hù)算法中要運用到大量的浮點運算和三角運算，而TI公司提供的浮點運算庫IQMath可以在標(biāo)準(zhǔn)C程序中直接調(diào)用，對于普通的浮點乘法運算，其執(zhí)行周期為20個時鐘周期左右，三角函數(shù)運算的執(zhí)行周期用40多個時鐘周期，為復(fù)雜的開方運算執(zhí)行周期也只用60個時鐘周期，運算效率相當(dāng)高，當(dāng)系統(tǒng)工作頻率在150 MHz時，這些浮點運算耗時相當(dāng)少，有利于提高系統(tǒng)的實時性。

　　4功能設(shè)計

　　目前電機(jī)保護(hù)器已由過去的機(jī)械式發(fā)展為電子式和智能型，可直接顯示電機(jī)的電流、電壓、溫度等參數(shù)，靈敏度高，可靠性高，功能多，調(diào)試方便，保護(hù)動作后故障種類一目了然，既減少了電機(jī)的損壞，又極大方便了故障的判斷，有利于生產(chǎn)現(xiàn)場的故障處理和縮短恢復(fù)生產(chǎn)時間。另外，利用電機(jī)氣隙磁場進(jìn)行電機(jī)偏心檢測技術(shù)，使電機(jī)磨損狀態(tài)在線監(jiān)測成為可能，通過曲線顯示電機(jī)偏心程度的變化趨勢，可早期發(fā)現(xiàn)軸承磨損和走內(nèi)圓、走外圓等故障，做到早發(fā)現(xiàn)，早處理，避免掃膛事故發(fā)生。合理選用電機(jī)保護(hù)裝置，實現(xiàn)既能充分發(fā)揮電機(jī)的過載能力，又能免于損壞，從而提高電力拖動系統(tǒng)的可靠性和生產(chǎn)的連續(xù)性。具體的功能選擇應(yīng)綜合考慮電機(jī)的本身的價值、負(fù)載類型、使用環(huán)境、電機(jī)主體設(shè)備的重要程度、電機(jī)退出運行是否對生產(chǎn)系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響等因素，力爭做到經(jīng)濟(jì)合理。

　　(1)啟動保護(hù)

　　電機(jī)的啟動特性變化趨勢與電壓合閘角、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)大多都是按照躲過啟動電流來整定，當(dāng)啟動過程中電流達(dá)到整定的啟動電流時則保護(hù)動作，但實際可能會出現(xiàn)以下兩種情況：一種是啟動電流出現(xiàn)在加電后很短的時間內(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，則會出現(xiàn)誤動；另一種情況是電機(jī)在啟動過程中電流沒有達(dá)到啟動電流，但遲遲不能達(dá)到正常狀態(tài)，即啟動時間過長，而根據(jù)以上整定，將不會動作，這時就出現(xiàn)了保護(hù)拒動。針對這種情況，

　　這種啟動保護(hù)算法原理正確，動作可靠，性能良好。

　　(2)電流速斷保護(hù)和過流保護(hù)

　　主要是對電機(jī)的短路和運行過程中的堵轉(zhuǎn)提供不同等級的保護(hù)功能，并對電機(jī)的啟動提供后備保護(hù)。

　　(3)負(fù)序電流保護(hù)

　　當(dāng)電機(jī)三相不對稱時，將出現(xiàn)較大的負(fù)序電流，而負(fù)序電流的熱效應(yīng)會使電機(jī)過熱大增，危及電機(jī)的安全運行，裝置中提供了定時限負(fù)序過流保護(hù)和反時限負(fù)序過流保護(hù)，分別對電機(jī)的反相、斷相、匝間短路等異常運行工況提供保護(hù)。

　　(4)熱過載保護(hù)

　　根據(jù)電機(jī)的發(fā)熱原理設(shè)計了一個發(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，同時也根據(jù)電機(jī)的散熱原理設(shè)計了散熱模型，發(fā)熱和散熱模型中的 時間常數(shù)可以根據(jù)現(xiàn)場情況自由整定。

　　(5)零序過流保護(hù)

　　零序過流保護(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)電源電壓短時降低或短時中斷時，為保證重要電機(jī)自啟動，要斷開次要電機(jī)，就需要 配置低電壓保護(hù)，其原理是當(dāng)3個相間電壓都小于定值并且超過時，低電壓保護(hù)動作。

　　5結(jié)論

　　由于絕緣技術(shù)的不斷發(fā)展，在電動機(jī)的設(shè)計上既要求增加出力，又要求減小體積，使新型電動機(jī)的熱容量越來越小，過負(fù)荷能力越來越弱；再由于生產(chǎn)自動化程度的提高，要求電動機(jī)經(jīng)常運行在頻繁的起動、制動、正反轉(zhuǎn)以及變負(fù)荷等多種方式，對電機(jī)保護(hù)裝置提出了更高的要求。龍人計算機(jī)嵌入式事業(yè)部的電子工程師們設(shè)計的這項基于基于TMS320F2812的高壓電機(jī)保護(hù)裝置很好地解決了以上難題。希望對廣大研究人員有所借鑒。