基于CAN总线的电动机保护装置的设计

摘 要： 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。
关键词： 数字信号处理器； 微处理器； 电机控制； 现场总线

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、位数和速率完全满足交流采样的要求。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。

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。

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。

1.2 监控模块
1.2.1 CAN通信模块
当前有很多微控制器将CAN控制器嵌入到系统之中，DSP 56F807内部也集成有CAN控制器，它支持标准和扩展信息帧，外围只需连接CAN收发器即可以方便地将CAN控制器连接到CAN总线网络上，网络上任一节点均可在任意时刻主动向网络上其他节点发送信息，实时接收和发送数据。

1.2.2 其他模块
RS-485通讯:通讯采用485主从网络，使用MAXIM公司生产的差分平衡性收/发器芯片MAX485，MAX485系列芯片采用半双工通讯，可以实现多台器件综合保护的联网功能。每个IC芯片包含一个驱动器和一个接收器，符合RS-485/RS-422通讯标准。

6N137光耦合器是一款用于单通道的高速光耦合器，具有温度、电流和电压补偿功能，在本次设计中，使用6N137光耦合器将DSP中TXD1和RXD1信号与TX和RX隔离开。

显示电路:作为电机保护系统的显示模块，本系统使用的LCD是TG160128A1,它已由制造商装配好了液晶显示驱动，并提供了驱动电路的接口,通过DSP56F807的I/O口可以实现对LCD的读写操作。

电源模块:DSP的工作电压是3.3 V，而开发板的供电电压为5 V，所以必须做一个5 V~3.3 V电压的转换。使用了AS1117M5-33芯片把5 V电压转换为3.3 V电压。数字电源和模拟电源之间用磁珠相连，数字地和模拟地之间也用磁珠相连。模拟地和模拟电源之间连小电容，数字地和数字电源之间也连小电容。