基于DSP的新型电机保护系统硬件设计

王 强， 腾 飞， 张 健

(1.辽宁石油化工大学信息与控制工程学院，辽宁抚顺 113001;

2.沈阳第六人民医院器械科，辽宁沈阳 110006;3.鞍钢集团矿业公司，辽宁沈阳 111008)

0 引言

随着国民经济的发展，生产过程机械化、自动化程度的不断提高，电机在生产中担当了十分重要的角色，对电机的工作状态进行监测可保证电机的安全运行，避免恶性事故的发生，对国民经济有重要的价值，因此尽快开发一种新型智能电机保护监控装置已是当务之急。随着微电子技术的发展，出现了DSP，这些器件的出现使得各种数字信号处理的算法得以实时实现，还从信号处理领域拓宽到系统控制领域。在这种背景下，以DSP器件为核心，对电机过压、欠压、过载、漏电等故障具有综合监测保护功能的智能型保护装置应运而生。

1 微控制器TMS320LF2407A简介

TMS320LF2407A数字信号处理器是TI公司基于电机的控制应用而设计的，它将高性能的DSP内核和丰富的微控制器外设功能集于单片中，从而成为传统的多微处理器(MCU)和昂贵的多片设计的理想替代产品，它将DSP的实时处理能力和控制器的外设功能集于一身，为控制系统应用提供了一个理想的解决方案。每秒4 000万条指令(40 MIPS)的处理速度，使LF2407A DSP控制器可以提供远远超过传统的16位微控制器和微处理器的性能。

2 电机保护系统的总体介绍

三相电机保护装置完成的主要任务是当电机的工作电压或者工作电流等因素超出规定的范围时，判断并显示出故障类型，通知执行机构动作，并进行数据通信。该设计有良好的人机界面，能方便快捷地对电压、电流的标准值进行设定，并对现场的电压、电流等进行显示。此外，还能通过RS-485C标准接口，来实现与上位机双向通信的功能，达到遥测、遥控、遥调的目的。

下位机以TMS320LF2407A为核心，主要完成以下几个任务:电压电流采集、数字滤波、采样数据的处理、故障类型判断、键盘显示、越限报警跳闸、与上位机通信等。

保护装置的上位机监控系统以PC机为人机交互系统，下位机为 LF2407A。PC机利用 RS-232C串行口和下位机进行通信，对下位机的现场工作电压、电流等工作参数实时进行监测。通过设置，还可以通过上位机对下位机的时间、日期、工作参数等进行修改。

3 保护装置的硬件设计

本系统硬件设计的思路是:通过电流电压互感器、电压形成电路、带通滤波器、采样保持电路，将各通道电量转换为对应的电压值，并送至DSP片内的A/D转换电路进行模数转换，根据转换结果与标准值进行比较运算，若判断有故障，则执行跳闸或发出信号，并记录事件信息(发生时间、事故性质、故障量)，以实现对电机的保护。本保护装置主要由DSP主系统、前向输入通道、开关量输入输出、人机交互接口及通信电路等单元组成，整体硬件电路如图1所示。

图1 系统硬件总体图

3.1 电压形成电路设计

由于从电流互感器二次侧出来的电流一般为5 A，为了满足A/D转换器要求的输入电压范围，设计了电压形成电路。

在电流互感器二次侧，利用精密微型电流互感器把大电流信号变为微电流信号再进行处理。选用西安横山微型互感器研究所生产的HCT206，把输入 0～5 A的电流转换为 0～1.5 mA的电流。

采用图2所示电路将电流输出信号变换成电压信号。调整图2中反馈电阻R和r的值可得到所需要的电压输出。电容C1及可调电阻r'是用来补偿相移的。电容C2和C3是400～1 000 pF的小电容，用来去耦和滤波。两个反接的二极管是起保护运算放大器作用的。运算放大器根据精度要求选用OP07，这样很容易达到较高的精度和较好的稳定性。图2中反馈电阻R要求精度优于1%，温度系数优于50 PPM。

图2 电压形成电路

3.2 带通滤波器电路设计

在模拟量输入系统中经常需要设置滤波器，在模拟信号传送到微处理机之前，先进行滤波预处理，这一点是十分重要的。因为电网中交流电的主要成分是工频交流电(50 Hz)，但其中还夹杂着直流和高次谐波，这些成分在采样之前必须加以滤除，输入信号越纯正，采样、A/D转换后误差就越小。同时采样频率必须大于被采样信号中所含最高频率成分fmax的两倍，否则将造成频率混叠，产生频率折叠误差。利用带通滤波器既可以滤除高频分量，又可以滤除直流分量及邻近串联电容器引起的低频分量，仅将50 Hz的交流信号(正常或故障)送到微机中去。

在很多微机保护中，采用低通滤波器进行滤波，其高次谐波分量被大大衰减。但直流分量和邻近串联电容引起的低频分量的影响，低通滤波器是无能为力的。因此，这里使用带通滤波器。

在本设计中，采用由两块OP07运算放大器组成的四阶切比雪夫带通滤波器，如图3所示。

图3 带通滤波器电路

3.3 直流偏置电路设计

LF2407A片内A/D转换器的输入电压范围为0～3.3 V，而电网上的交流信号具有正负极性。因此，需要通过一个加法器电路加上一个直流偏置以抬高电位，使输入电压为单一的正信号;然后通过一个硅稳压管限压，防止电网电压突然升高造成对器件的损害。具体电路见图4。

图4 直流偏置电路

3.4 线性模拟光电隔离器设计

为了提高系统的抗干扰能力，输入信号在进入DSP系统之前必须进行隔离。对于数字信号的传输，可以使用光电耦合器进行彻底隔离。但是，光电耦合器具有较大的非线性，直接用来传输模拟量时，精度较差，而传统的调制解调电路和非线性补偿电路既复杂又庞大，也很不适用。虽然现在已有高性能的隔离放大器，但其价格太贵。因此，设计了一种精度较高、电路简单的隔离传输电路，可以较好地完成模拟信号的不共地传输，如图5所示。

图5 线性模拟光电隔离器电路

电路的核心是两个光电耦合器V1(TIL521-1)和 V2(TIL521-2)，V2和R23组成输出级;Vl和V2的初级串联，公用同一激励电流I1;V1和R21组成负反馈电路。

设V1和V2的电流非线性传输函数分别为g1(I1)和g2(I1)，即根据理想运放的概念，有下列关系:则放大器电压增益为将式(1)和式(2)代入式(3)得

其中:K=R23/R21。

如果V1和V2是同型号光电耦合器或是同一封装的双光电耦合器，那么可以认为它们的传输函数的温度特性和电流非线性是完全一致的，即g1(I1)=g2(I1)，则G=K，常数K即为该隔离放大器的电压传输比，两个光耦一个作输出，一个作反馈，可以巧妙地补偿它们的非线性。

由于光电耦合器初、次级之间存在着传输时延，V1和R21组成的负反馈电路显得迟缓，容易引起自激振荡。电容C26可以消除自激振荡，其容量可根据电路频率特性来选取。实践证明，选用快速非达林顿型光电耦合器可改善电路的整体性能。为了提高该隔离放大器的输出能力，降低输出阻抗，可以在输出级加一个电压跟随器作缓冲。

由于该电路的输入与输出之间仅有光的耦合，而没有电的联系，所以能很好地隔断共模干扰，解决了模块之间模拟信号的不共地传输。

3.5 采样保持电路的设计

由于后续的数据处理需要同步输入信号，所以每一路都要有采样保持电路。LF2407A片内虽然集成了采样保持器，但是只有一个，不能满足系统要求。故选用6片LF398组成同步采样保持电路，由 DSP输出同步触发信号来控制它们的工作。

3.6 键盘显示电路设计

本设计选用了带硬件字库和ST7920A驱动的液晶显示模块TM12864，利用液晶显示器容量大的特点，正常时显示系统的工作状态和工作参数，故障时显示故障类型及参数，并配合键盘实现整定值输入、修改和故障查询记录，给操作工人创造一个简单而全新的交互方式。

实现人机对话通过键盘来完成。本装置中的键盘，采用独立式键盘，共有三个按键。一个上行键、一个下行键和一个确认键。上行键完成菜单的向上移动及整定时参数增加的功能;下行键完成菜单的向下移动及整定时参数减小的功能;确认键完成菜单的左右移动、整定时参数确认等功能。通过键盘进行参数整定时，屏幕可实时反映参数的变化。另外，可通过键盘进行各种试验，如短路试验、漏电闭锁试验等，并可对装置自身的完好性进行自检。

3.7 开关量输入输出电路设计

3.7.1 开关量输入电路设计

开关量输入回路包括断路器和隔离开关的辅助触点或跳合闸位置继电器接点输入，还包括装置上连接片输入等回路。

3.7.2 开关量输出电路设计

相对而言，开关量输出比开关量输入具有更重要的地位，因为在智能保护装置中，所有的保护功能最终是通过开关量输出单元来控制断路器、隔离开关和继电器动作实现的，因此智能保护装置开关量输出电路的可靠性直接反映了智能保护系统的可靠性。

开关量输出主要包括跳闸出口和中央信号出口等。开关量输出回路一般都采用并行输出端口控制有接点的继电器。开关量输出回路如图6所示，为了提高抗干扰能力，都要经过一级光电隔离。此外，在出口跳闸时，DSP的两个IO口分别输出不同的电平(一个输出“0”，一个输出“1”)，使与非门 Y2输出“0”驱动发光二极管。这样的安排，可防止在拉合直流电源过程中继电器J的短时误动。因为在拉合直流电源时，开通上电复位，两个IO口都是相同的电平输出，不可能驱动发光二极管，从而防止了误动。

当需跳闸时，程序令DSP的两个IO口分别输出“0”和“1”，以反相器Y1和与非门电路驱动发光二极管发出光脉冲，光敏三极管随之导通，出口继电器K励磁。在实际保护装置中应考虑出口的闭锁，以防止保护误动作，因此光敏三极管的集电极必须经起动继电器接点接正电源，形成保护出口的闭锁回路。

图6 开关量输出回路

本装置设置了5个指示灯，分别用于指示工作状态和各种故障。当出现故障后，给出报警信号，以通知用户电机已处于故障状态，如果在相应的允许时间内故障消失，则报警信号取消，否则报警指示灯(发光二极管)闪烁、警笛响，提醒运行人员及时排除故障。

3.8 通信电路设计

本系统采用RS-485总线构成通信网络，工控机一般都无RS-485接口，因此要解决工控机和485总线的接口问题。一种常用的方案是由一块插在工控机扩展槽上的专用网卡，完成串行数据和并行数据的转换，从而实现工控机和485总线的互联。该方案能保证很高的数据传输率，但缺点是专用网卡价格较贵，经济性较差。因此，利用工控机上一般都有的RS-232接口，使用了一个485/232转换器ADAM4520，将工控机的RS-232串口和485总线互连。ADAM4520内置总线监视器，能自动检测数据的传输方向，实现数据的透明传输。该方案实现简单，成本较低，其缺点是由于RS-232串口通信速率的限制，整个系统的通信速率不能超过20 kbps，但该速率已能满足本系统的要求。

4 结语

本设计利用集成电路设计技术和DSP技术，使该装置可实现过压、过流、过载及漏电等多种保护功能，能根据电机的型号和额定参数，自主设定电压电流额定值，实现保护。为了使保护更加及时，达到实时性的要求，本设计采用了高速数字信号处理芯片TMS320LF2407A，作为保护装置的CPU，大大提高了系统的实时性。

［1］孙标，马立波.基于TMS320LF2407直接转矩控制系统的全数字化实现［J］.大电机技术，2004(2):37-39.

［2］何克忠.计算机控制系统分析与设计［M］.北京:清华大学出版社，1998.