基于CAN总线的电动机保护装置设计

对三相异步电动机保护系统的硬件及软件实现进行了研究， 以Freescale DSP 56F807 微处理器为控制核心，配以CAN 总线、液晶显示以及采样等其他功能模块。而现场总线技术把专用微处理器置于测量控制设备中， 把单个分散的测量控制设备变成网络节点， 将其连接成可以相互沟通信息、共同完成控制任务的网络系统。在算法上由于DSP 有强大的数据处理能力，对瞬时电压、电流和负序电流的幅值进行精确的计算而不需考虑时间的问题， 用软件计算的方法替代硬件逻辑， 减少硬件资源的浪费。

　　电动机是各行各业应用最为广泛的动力设备， 但由于在使用过程中保护力度不够， 经常出现以下问题： 装置功效低下， 保护装置经常出现拒动从而使电动机烧毁， 由于误动而跳闸。近年来， 随着计算机技术、自动控制理论以及信号处理理论的不断发展， 出现了以微处理器为核心、将继电保护与计算机技术相结合形成的微机继电保护装置。

　　1 系统硬件设计

　　系统采用双CPU 结构， 设计并实现了一套由数字信号处理器56F807 加单片机W78E516 构成的微机保护测控装置。FREESCALE 数字信号处理器56F807 （ 此后简称为56F807 ） 作为主芯片完成信号采集、信号处理、保护和通讯等功能。该芯片具有A/D 转换、开入和开出回路以及串行通讯口等功能， 信号输入电压为0 V~3 V， 转换速度最快为每次同时扫描需要5.3 μs, 采集的路数、位数和速率完全满*流采样的要求。单片机W78E516 完成人机接口的所有功能。两个模块之间采用基于MODBUS 协议的RS -485 总线进行实时通讯。这种双CPU 结构具有并行工作、分工合作的优点， 既保证了继电保护的速动性、选择性、灵敏性和可靠性， 又实现了实时测量的高精度。通过CAN 总线实现远程的实时监控与调试。因此， 用户可以根据现场网络灵活选用通讯接口方式。这样真正实现了电动机的智能保护、集中监控和管理。该系统硬件框图见图1。按其功能分为两大模块： 由数据采集模块、开入开出模块、EEPROM 模块和DSP 56F807 组成的保护模块； 由CAN 总线和通过RS-485 总线连接的显示电路组成的监控模块。

 

图1 系统硬件框图

　　1.1 保护模块功能

　　保护模块的主要功能是完成数据的采集、处理、计算、保护逻辑判断和出口逻辑判断及动作。硬件电路图如图2 所示。

 

图2 系统硬件连接图

　　1.1.1 数据采集模块

　　该系统的模拟量采集使用56F807 自带的12 bit 、16通道的A/D 转换器， 电压和电流测量中采用定时采样频率为1 600 Hz ， 采样间隔约为0.625 ms 。对于50 Hz 的工频交流信号而言， 每个周波的采样值为32 个点。外部电流及电压输入经隔离互感器， 低通滤波器输入至模数变换器， 进行A/D 转换得到若干序列的离散采样值， 然后通过Fourier 算法得到Ia、Ib、Ic、I0、Ua、Ub、Uc和U0的幅值。同时计算推导出电动机的有功功率、无功功率、功率因数等参数。

　　1.1.2 开入开出模块

　　开入开出模块根据开发要求， 装置设计了12 路开入量，12 路开出量。开入量用于电机启动、停机和报警状态反馈等信息量的采集。12 路开出量， 主要用于各种故障的跳合闸和报警使用。本系统采用由8 个I/O 口发出4 个开出量信号以及通过8 bit 串行输入， 串/并行输出移位寄存器74HC595 控制8 组输出控制8 个开出量。为了防止干扰引起的误动， 利用两个关联的I/O 口同时输出不同电平时光耦动作， 实现对开出信号的开放与闭锁功能。当开出条件满足时， 开出量再经过TIL113 光电耦离后输出， 驱动外部继电器， 实现保护出口动作。

　　1.1.3 数据存储单元模块

　　X5043 芯片是美国XICOR 公司生产的集上电复位、“ 看门狗” 定时器、电压监控和串行E2PROM 四项功能于一体的专用集成芯片， 用以降低系统成本、节约电路板空间。X5043 中上电复位、“ 看门狗” 定时器、电源电压监控功能对系统可以起到保护作用；512×8 bit 的E2PROM可用来存储系统内的重要数据。