基于TMS320F2812的高壓電機保護裝置

　0引言

　　高壓電機一般都是用于工業生產中的重要場所，它的可靠運行對于生產安全來說非常關鍵；而電機保護設備又是電動機可靠運行的主要保障，電動機保護設備最為重要 的特性指標就是可靠性和實時性。目前在市場上應用的電動機保護裝置最為先進的是基于普通單片機的微機保護，這類設備為了保證測量、計算和保護的實時性，在設計時往往采用多CPU結構，采用插件的形式，這導致在力圖保證實時性的同時，設備結構復雜性大大提高，可靠性降低，很大程度是因為所采用芯片的局限性所致。DSP芯片是專門為快速實現各種數字信號處理而設計的、具有特殊結構的微處理器，文中介紹了TI公司2000系列DSP中最新最先進的TMS320F2812芯片在高壓電動機保護中的應用，大大提高了電機保護的可靠性和實時性。

　　1TMS320F2812 DSP芯片

　　TMS320F2812是美國TI公司最新研制的2000系列數字信號處理器，是面向電機控制、工業自動化的第一款帶片內Flash、工作頻率達到150 MHz的32位DSP。它采用經典哈佛總線結構，利用多總線在存儲器、外圍模塊和CPU之間轉換數據，這種多總線結構使得 它可以在一個周期內并行完成取指令、讀數據和寫數據，同時它采用了指令流水線技術，保證信號處理的快速性和實時性。

　　TMS320F2812芯片的內部存儲器包括14 K的RAM和128 K×16 bit的Flash；芯片內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56個獨立的、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標準的雙通道串行接口、CAN總線模塊、McBSP接口和SPI接口，這些都充分保證了通信設計的方便。?

　　2基于TMS320F2812的高壓電機保護裝置整體設計

　　保護裝置包括5大部分：主功能系統、電源、電量輸入和開關量處理、通信及人機接口。結構框圖如圖1所示。

　　裝置充分利用了TMS320F2812芯片高集成度的特點，是實現數據采集、數據處理、數據存儲和傳輸等功能的主要芯片，附帶信號變換和調理電路，不需外擴外圍功能芯片，這使得裝置整體電路規模大大精簡，不論是集成度還是可靠性都有質的提高。

　　2.1數據采集

　　保護中的首要功能就是數據采集，裝置直接利用了TMS320F2812芯片中集成的ADC模塊來實現 ，其最高采樣速度可達12.5 MSPS，因此無論在采集通道數、采樣精度還是采樣速度上都滿足電機保護的要求。ADC模塊內建雙采樣保持器(S／H)，可以根據需要配置，既可配置成兩個獨立的8通道模塊，也可將這兩個獨立的8通道模塊級聯而形成一個16通道模塊。ADC模塊的模擬量輸入范圍為0～3 V，在電機保護現場電流信號取自電流互感器CT二次側，并將其作為裝置內電流變送器的輸入，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，所以必須設計具有信號轉換和濾波等功能的信號調理電路。裝置中選用了TI公司的自校準精密雙 運算放大器TLC4502作為信號調理電路的核心芯片，TLC4502是利用1 μm／5 V數字CMOS技術制造的高性能運算放大器，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數據存儲

　　在保護裝置運行過程中有許多參數需要修改和保存，特別在保護動作時需要保存當時日期時間、當時電機運行參數和動作信息，而TMS320F2812中沒有集成EEPROM，這就需要外擴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，實時性也能得到保證。

　　2.3數據通信

　　在目前應用的電機保護裝置中，基于熱繼電器的保護和基于晶體管集成電路的保護之所以逐漸被淘汰，主要是它們不具有通信接口，不能和其他系統通訊，形成了“信息孤島”，與目前生產現場信息化、網絡化趨勢的要求相矛盾。基于普通單片機的電機保護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，但目前在應用電機保護裝置比較集中的地方(如火電廠、大型泵站)，現場級大多采用現場總線的通信方式，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的電機保護裝置就很難滿足要求，TMS320F2812不僅集成了完全符合RS232標準的雙通道串行接口，而且集成了CAN總線模塊。文中所述的基于TM S320F2812的高壓電機保護裝置同時提供了RS232通信接口和CAN總線接口，完美地解決了保護裝置與其他系統的通信問題。

　　TMS320F2812中集成的CAN總線模塊是增強型CAN(eCAN)模塊，支持CAN技術規范20B，最高達1 Mbps速率，并帶光電隔離；在基于TMS320F2812的電機保護裝置中，設計提供CAN總線 接口是在集成的eCAN模塊的基礎上，外擴了TI公司的3.3 V CAN總線收發器SN65HVD232，相關電路如圖4所示。

　　3軟件設計概述

　　傳統單片機的開發系統構成大致如下：將仿真器和目標板相接，仿真器代替 目標板上CPU的功能，將應用程序通過與PC相接的電纜下傳到仿真器并運行。DSP的開發和傳 統單片機的開發有較大的區別，現存DSP芯片基本上都設計了JTAG接口(JTAG接口根據IEEE11. 49.1標準而設計的邊界掃描電路，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標準的基礎上又進行了擴充，通過JTAG接口可以實現引腳連通性檢驗、外圍 運行檢驗、訪問片內所有資源、在線仿真、程序下載、廠家測試等。DSP開發裝置中所說的 仿真器完成的功能是并行口數據格式向JTAG接口格式的轉換；與傳統意義上用仿真器暫時去 取代CPU的方式不同。

　　TI公司針對DSP軟件開發和仿真調試已經推出了基于不同內核的綜合開發平臺CCS(Code Comp oser Studio)，針對2000系列內核DSP的綜合開發平臺是CCS2000，它支持標準C語言、匯編語言和算術助記語言，另外DSP—BIOS的使用和實時數據交換提供了方便快捷的開發環境。基于TMS320F2812的高壓電機保護裝置的軟件開發和仿真調試選用的是CCStudio V2.02，采用標準C語言作為程序設計語言，其編譯效率和直接用匯編語言已經沒有太大的差距，并且由于在電機保護算法中要運用到大量的浮點運算和三角運算，而TI公司提供的浮點運算庫IQMath可以在標準C程序中直接調用，對于普通的浮點乘法運算，其執行周期為20個時鐘周期左右，三角函數運算的執行周期用40多個時鐘周期，最為復雜的開方運算執行周期也只用60個時鐘周期，運算效率相當高，當系統工作頻率在150 MHz時，這些浮點運算耗時相當少，有利于提高系統的實時性。

　　4功能設計

　　基于TMS320F2812的高壓電機保護裝置可實現啟動保護、電流速斷保護、過流保護、負序電流保護、熱過載保護、零序過流保護和低電壓保護等主要保護功能。

　　(1)啟動保護

　　電機的啟動特性變化趨勢與電壓合閘角、電機負載特性、電機負載大小等因素有關，以往的電機保護大多都是按照躲過啟動電流來整定，當啟動過程中電流達到整定的最大啟動電流時則保護動作，但實際可能會出現以下兩種情況：一種是最大啟動電流出現在加電后很短的時間內，此后電流急劇下降，很快達到正常狀態，這種情況可能是正常的，但根據以上整定，則會出現誤動；另一種情況是電機在啟動過程中電流沒有達到最大啟動電流，但遲遲不能達到正常狀態，即啟動時間過長，而根據以上整定，將不會動作，這時就出現了保護拒動。針對這種情況，

　　這種啟動保護算法原理正確，動作可靠，性能良好。

　　(2)電流速斷保護和過流保護

　　主要是對電機的短路和運行過程中的堵轉提供不同等級的保護功能，并對電機的啟動提供后備保護。

　　(3)負序電流保護

　　當電機三相不對稱時，將出現較大的負序電流，而負序電流的熱效應會使電機過熱大增，危及電機的安全運行，裝置中提供了定時限負序過流保護和反時限負序過流保護，分別對電機的反相、斷相、匝間短路等異常運行工況提供保護。

　　(4)熱過載保護

　　根據電機的發熱原理設計了一個發熱模型，該模型以電流為輸入量，考慮到正序和負 序電流的熱效應不同，同時也根據電機的散熱原理設計了散熱模型，發熱和散熱模型中的 時間常數可以根據現場情況自由整定。

　　(5)零序過流保護

　　零序過流保護主要是為電機的接地故障提供保護。

　　(6)低電壓保護

　　當電源電壓短時降低或短時中斷時，為保證重要電機自啟動，要斷開次要電機，就需要 配置低電壓保護，其原理是當3個相間電壓都小于定值并且超過時限時，低電壓保護動作。

　　5結論

　　基于TMS320F2812的高壓電機保護裝置充分利用了TMS320F2812芯片工作 頻率高，集成度高，系統資源豐富的特點，使得整套保護裝置硬件結構緊湊，保護功能強， 可靠性高，實踐證明非常適合重要的高壓電機保護。