基于TMS320F2812的高壓電機(jī)保護(hù)裝置

基于TMS320F2812的高壓電機(jī)保護(hù)裝置

　0引言

　　高壓電機(jī)一般都是用于工業(yè)生產(chǎn)中的重要場所，它的可靠運(yùn)行對于生產(chǎn)安全來說非常關(guān)鍵；而電機(jī)保護(hù)設(shè)備又是電動機(jī)可靠運(yùn)行的主要保障，電動機(jī)保護(hù)設(shè)備最為重要 的特性指標(biāo)就是可靠性和實(shí)時性。目前在市場上應(yīng)用的電動機(jī)保護(hù)裝置最為先進(jìn)的是基于普通單片機(jī)的微機(jī)保護(hù)，這類設(shè)備為了保證測量、計算和保護(hù)的實(shí)時性，在設(shè)計時往往采用多CPU結(jié)構(gòu)，采用插件的形式，這導(dǎo)致在力圖保證實(shí)時性的同時，設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜性大大提高，可靠性降低，很大程度是因?yàn)樗捎?a href="http://ttokpm.com/v/tag/137/" target="_blank">芯片的局限性所致。DSP芯片是專門為快速實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號處理而設(shè)計的、具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器，文中介紹了TI公司2000系列DSP中最新最先進(jìn)的TMS320F2812芯片在高壓電動機(jī)保護(hù)中的應(yīng)用，大大提高了電機(jī)保護(hù)的可靠性和實(shí)時性。

　　1TMS320F2812 DSP芯片

　　TMS320F2812是美國TI公司最新研制的2000系列數(shù)字信號處理器，是面向電機(jī)控制、工業(yè)自動化的第一款帶片內(nèi)Flash、工作頻率達(dá)到150 MHz的32位DSP。它采用經(jīng)典哈佛總線結(jié)構(gòu)，利用多總線在存儲器、外圍模塊和CPU之間轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，這種多總線結(jié)構(gòu)使得 它可以在一個周期內(nèi)并行完成取指令、讀數(shù)據(jù)和寫數(shù)據(jù)，同時它采用了指令流水線技術(shù)，保證信號處理的快速性和實(shí)時性。

　　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(dú)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。?

　　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(diǎn)，是實(shí)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綆盘栕儞Q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(shí)現(xiàn) ，其最高采樣速度可達(dá)12.5 MSPS，因此無論在采集通道數(shù)、采樣精度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(dú)立的8通道模塊，也可將這兩個獨(dú)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(yùn)算放大器TLC4502作為信號調(diào)理電路的核心芯片，TLC4502是利用1 μm／5 V數(shù)字CMOS技術(shù)制造的高性能運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(shí)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?；谄胀▎纹瑱C(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(如火電廠、大型泵站)，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。文中所述的基于TM S320F2812的高壓電機(jī)保護(hù)裝置同時提供了RS232通信接口和CAN總線接口，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，最高達(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(yùn)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(shí)現(xiàn)引腳連通性檢驗(yàn)、外圍 運(yùn)行檢驗(yàn)、訪問片內(nèi)所有資源、在線仿真、程序下載、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(Code Comp oser Studio)，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(shí)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(yùn)用到大量的浮點(diǎn)運(yùn)算和三角運(yùn)算，而TI公司提供的浮點(diǎn)運(yùn)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(diǎn)乘法運(yùn)算，其執(zhí)行周期為20個時鐘周期左右，三角函數(shù)運(yùn)算的執(zhí)行周期用40多個時鐘周期，最為復(fù)雜的開方運(yùn)算執(zhí)行周期也只用60個時鐘周期，運(yùn)算效率相當(dāng)高，當(dāng)系統(tǒng)工作頻率在150 MHz時，這些浮點(diǎn)運(yùn)算耗時相當(dāng)少，有利于提高系統(tǒng)的實(shí)時性。

　　4功能設(shè)計

　　基于TMS320F2812的高壓電機(jī)保護(hù)裝置可實(shí)現(xiàn)啟動保護(hù)、電流速斷保護(hù)、過流保護(hù)、負(fù)序電流保護(hù)、熱過載保護(hù)、零序過流保護(hù)和低電壓保護(hù)等主要保護(hù)功能。

　　(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)到整定的最大啟動電流時則保護(hù)動作，但實(shí)際可能會出現(xiàn)以下兩種情況：一種是最大啟動電流出現(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)到最大啟動電流，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(yùn)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(yùn)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(yùn)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限時，低電壓保護(hù)動作。

　　5結(jié)論

　　基于TMS320F2812的高壓電機(jī)保護(hù)裝置充分利用了TMS320F2812芯片工作 頻率高，集成度高，系統(tǒng)資源豐富的特點(diǎn)，使得整套保護(hù)裝置硬件結(jié)構(gòu)緊湊，保護(hù)功能強(qiáng)， 可靠性高，實(shí)踐證明非常適合重要的高壓電機(jī)保護(hù)。