基於TMS320F240專用定點可編程晶片實現電動機微機保護裝置的設計

基於TMS320F240專用定點可編程晶片實現電動機微機保護裝置的設計

單亞娟,鄭建勇,曹 發表於 2020-11-25 10:30:06

　　作者：單亞娟,鄭建勇,曹曉華

1 引言

數位訊號處理（DigitalSignalProcessing）是利用專門或通用的數位訊號晶片，以數字計算的方法對信號進行處理，包括對信號的採集、變換、濾波、估值、增強、壓縮、識別等處理，以得到人們需要的信號形式。 DSP處理器的一個重要特徵是採用改進的哈佛結構，具有獨立的數據和地址總線，從而使得處理器指令和數據並行，大大提高了處理效率。

在微機保護產品中採用DSP處理器取代傳統的8位或16位單片機，可以在硬體資源、開發平臺等方面取得很多優越性，並通過與CPLD、FLASH等的配合，完成一些複雜的算法，所以基於DSP平臺電動機微機保護裝置除完成電動機綜合保護功能外，還能夠完成電動機的轉子籠條斷條故障診斷等一些比較複雜的功能，從而大大提高保護裝置的性能。

2 電動機保護原理

電動機常見的故障類型有對稱故障和不對稱故障兩大類。對稱故障對電動機的損害主要是由於電流增大引起的熱效應，不對稱故障多半不出現明顯的電流幅值變化，它對電動機的損害主要是不對稱引起的負序效應。根據對稱分量法分析，當電動機發生不對稱故障時，電動機的電流可以分解為正序、負序和零序分量，且負序、零序電流會以較大幅值出現。根據上述分析，可以將高壓電動機的保護分解成過流保護、負序電流保護、零序電流保護三個部分。

（1）過流保護，分為電流速斷、定時限過流、熱過載反時限過流保護三段式。

1）電流速斷保護：速斷保護動作電流Ids整定值按下列兩條計算原則中所得的最大值選定。

a．要求電流速斷保護的動作電流Ids必須不大於電動機滿載啟動時的起動電流Iq。

Ids＝KcIeq＝KkKqIe（1）

式中：Ie——電動機的額定電流歸算到機端電流互感器二次側的值；

Kq——電動機起動係數，一般取4～7；

Kk——可靠係數，取1．2～1．3。

b．在電動機附近速斷保護範圍之外短路時，要求Ids大於次暫態短路電流。

式中：同步電動機

＝5．5Ie；同步補償機

＝6Ie；對異步電動機附近外部相間短路式，

只需按式（1）計算即可。

2）定時限過流保護：延時定值需躲過電機自啟動時間。當電機啟動時，在T＜Tstart時，啟動電流小於保護定值，保護不動作；當T≥Tstart時，時間元件動作，保護的電流定值自動減小一半，若此時啟動電流仍超過保護新定值（為原定值一半），保護動作跳閘。

3）熱負載反時限過流保護：熱過載反時限過流保護的動作方程如下：

式中：Ieq——電動機運行中三相電流中的最大值；

Is——可整定的保護動作電流；

τ——可整定的發熱時間常數（一般由製造廠提供）。

（2）負序保護

發生嚴重的不對稱故障時，負序電流I2很大，這時要求根據I2設置單獨的快速保護。

一段：高定值I′2d，短延時t1：t1為固定值。

式中，為系統最小運行方式下，電動機機端兩相短路時，最小的短路電流負序分量。

二段：低定值，長延時t2：t2由用戶整定，一般可整定為3 s。

＝（0．3～0．4）Ie（5）

按式（4）計算後，還必須檢驗的值大於。

（3）零序保護

當3I0大於保護的動作電流I′0d時，經短延時t保護出口動作，發出接地信號或跳閘。

對3 kV、6 kV、10 kV電網中的大多數變壓器中性點不接地或經消弧線圈接地的系統，保護通常只需發接地信號，不跳閘。保護的短延時可整定為0．1～0．5 s。對3 kV、6 kV、10 kV電網中的少數變壓器中性點經高阻接地的電網，保護動作於跳閘，其動作電流I′0d應躲過啟動過程中由於三相電流不完全對稱而出現的三倍不平衡零序電流，延時整定為0．5 s。

3 TMS320F240電動機微機保護裝置的硬體系統結構

電動機微機保護裝置的硬體系統結構採用模塊化結構，主要由處理器模塊、鍵盤顯示模塊、模擬量採集模塊、出口模塊、電源模塊和通信模塊六個部分組成。其框架結構如圖1所示。

4 處理器模塊的設計

處理器模塊是整個裝置的核心，負責模擬信號的調理濾波、採樣、模擬／數字轉換、頻率和相位的測量、開關量信號的輸入／輸出、通信、系統計時、數據計算、邏輯判斷等功能。處理器模塊採用DSP處理器進行設計，可以充分利用其數據運算處理的能力，其軟硬體開發平臺不僅可以進行複雜的算法設計如交流採樣的FFT算法、自校正功能等，而且可以對電動機早期故障（如轉子籠條斷條）及一些非正常運行狀態作出診斷，從而大大提高電動機保護裝置的性能。

本裝置的處理器模塊由TMS320F240微處理系統構成。TMS320F240是TI公司於1997年在TMS320C2xx的基礎上推出的一種專用定點可編程晶片，它在單一晶片上集成一個DSP內核和各種外設器件，可以解決各種工程應用方案。為了簡化系統設計，可以把系統的一些外圍控制電路由 CPLD（Complex Programmable Logic Device）來實現。在設計中選用XILINX公司生產的CPLD，其中XC9500系列產品採用了系統內5 V可編程FASTFLASH技術，並且含有內部JTAG雙向掃描測試邏輯。本系統採用電路原理圖方式對CPLD進行邏輯編輯。

F240晶片可以工作在微處理器或微控制器兩種狀態，通過MP／MC引腳上的電平決定，其主要區別在於選用片內或片外的存儲空間作為程序存放地址。考慮到系統調試階段需要外部的存儲空間，所以在系統設計時添加了高速靜態RAM作為外部程序空間。另外，由於F240使用的是16位數據和地址總線，所以選用兩片8位的SDRAM構成外部程序空間。

F240的存儲結構特點是程序、數據和I／O地址空間分離，每部分空間為64 K字。由於F240的數據地址和I／O地址是分開的，由DS＼信號作為外部數據存儲器的片選信號，而IS＼信號表示對外部I／O地址進行訪問，所以只需要對外部設備進行地址解碼，由CPLD完成。

另外，TMS320F240通過邊沿掃描的方法實現仿真器對目標系統的仿真，由仿真器接出的仿真頭和晶片的JTAG口相連可以進行仿真和調試。

5 其它各單元電路

裝置其它各組成單元電路主要有：模擬量測量電路、開關量輸入／輸出電路、鍵盤顯示電路、通信電路等。

F240片內集成了採樣保持電路和模擬多路轉換器的雙十位AD轉換，鑑於對於電動機測量和保護精度而言，若電流採樣值範圍在0～10 mA，採用10位AD可以達到精確到小數點後一位，大致可以滿足多數的電動機保護的要求，為了儘量充分的利用晶片資源，採用了片內AD轉換進行設計。但是考慮到保護尤其是監控精度要求的嚴格性，現已在本裝置中外擴了14位A／D轉換晶片AD7863，這樣可以更好的符合精度要求。對外部信號進行調理的電路由精密電位器構成，濾波器則採用二階低通濾波器。此外，模擬量測量電路中還包括過零檢測單元，實現模擬量頻率和相位的測量。

開關量輸入／輸出電路主要完成狀態信號的輸入和動作信號的輸出。繼電保護裝置CPU的擴展口一般較少，不能滿足輸入輸出的需要，因此在讀入開入量及輸出量時，往往需要進行口的擴展。本裝置中此部分功能集成在CPLD中，並掛在其內部的地址／數據總線上。

裝置採用薄膜鍵盤，一共有9個按鍵，只需要通過上、下、左、右、取消、確認六個按鍵結合菜單便可直觀地在線、離線整定定值、修改實際時間、就地操作開關等。採用中斷方式相應鍵盤，以減少其對CPU的佔用。F240的中斷信號是低電平有效，所以鍵盤的中斷信號通過一個與門產生。

通信電路主要由CAN通信模塊電路構成，採用Philips的SJA1000作為CAN控制器，驅動器採用CAN控制器接口晶片PCA82C250。 PCA82C50是CAN協議控制器和物理總線的接口，對總線提供不同的發送能力和對CAN控制器提供不同的接收能力，完全和ISO11898標準兼容，並具有對電池和地的短路保護功能。

此外，為了裝置的能夠可靠的工作，一般需要加上WATCHDOG電路，本系統採用X5043看門保護功能。

6 軟體設計

在微機保護裝置的軟體設計中，主要考慮的是交流採樣算法、保護算法，通過採樣得到的數據按照一定的保護算法來進行判斷保護是否動作。傳統的一點、兩點、三點以及均方根採樣算法都是基於電壓、電流為純正弦變化的情況考慮，而在實際電動機發生故障時，往往是在基波基礎上疊加有衰減的非周期分量和各種高頻分量，因此要求微機保護裝置對輸入的電流、電壓信號進行預處理，儘可能地濾掉非周期和高頻分量。考慮到富士算法的很強的濾除高次諧波的功能，但是全波富士算法需要一個周波的N個採樣數據，響應速度較慢，為了提高保護的速動性，在比較現有的各種改進半波富氏算法的基礎上，決定採用半波傅氏算法與Mann－Morrison算法相結合的快速算法，用半波富氏算法計算基波實部，而用Mann－Morrison算法計算基波幅值，既可以保留半波富士算法響應速度的優點，又可以克服其濾波功能較弱的不足。

電動機保護裝置的軟體採用了模塊化的設計思想，由主程序模塊、中斷服務子程序模塊和各個功能子程序模塊三大部分組成。實際編程採用C語言和彙編混合編寫，提高了數據處理的能力，也保證了程序的可靠性。

7 結束語

在模塊化設計的基礎上，開發的TMS210F240處理器為硬體核心的微機繼電保護裝置，是一個通用的硬體平臺，能夠滿足電動機保護可靠性、選擇性、速動性以及靈敏性的要求。在此平臺上不僅可以實現對高壓電動機的保護，通過對軟體的適當修改還可以實現變壓器保護、電容器保護等其它功能。

責任編輯：gt

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