TMS320F240 DSP处理器在电动机微机保护装置设计中的应...

摘  要　本文介绍了DSP芯片在电动机微机保护装置设计中的应用。在对系统的总体设计方案作了分析的基础上，重点介绍了装置的处理器模块的构成和工作原理，以及模拟量采集、键盘显示、通信、出口、电源等模块的设计。此外，论文对装置软件设计的方法作了一定的介绍。在电动机微机保护装置中采用DSP芯片进行开发设计，不仅可以完成电动机综合保护的功能，而且大大提高了处理数据的效率。
    关键词　DSP　电动机　微机保护

1　引言
　　数字信号处理（DigitalSignalProcessing）是利用专门或通用的数字信号芯片，以数字计算的方法对信号进行处理，包括对信号的采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到人们需要的信号形式。 DSP处理器的一个重要特征是采用改进的哈佛结构，具有独立的数据和地址总线，从而使得处理器指令和数据并行，大大提高了处理效率。
　　在微机保护产品中采用DSP处理器取代传统的8位或16位单片机，可以在硬件资源、开发平台等方面取得很多优越性，并通过与CPLD、FLASH等的配合，完成一些复杂的算法，所以基于DSP平台电动机微机保护装置除完成电动机综合保护功能外，还能够完成电动机的转子笼条断条故障诊断等一些比较复杂的功能，从而大大提高保护装置的性能。
2　电动机保护原理
　　电动机常见的故障类型有对称故障和不对称故障两大类。对称故障对电动机的损害主要是由于电流增大引起的热效应，不对称故障多半不出现明显的电流幅值变化，它对电动机的损害主要是不对称引起的负序效应。根据对称分量法分析，当电动机发生不对称故障时，电动机的电流可以分解为正序、负序和零序分量，且负序、零序电流会以较大幅值出现。根据上述分析，可以将高压电动机的保护分解成过流保护、负序电流保护、零序电流保护三个部分。
　　（1）过流保护，分为电流速断、定时限过流、热过载反时限过流保护三段式。
　　1）电流速断保护：速断保护动作电流I_ds整定值按下列两条计算原则中所得的最大值选定。
　　a．要求电流速断保护的动作电流I_ds必须不大于电动机满载启动时的起动电流I_q。
    I_ds＝K_cI_eq＝K_kK_qI_e（1）
式中：I_e——电动机的额定电流归算到机端电流互感器二次侧的值；
      K_q——电动机起动系数，一般取4～7；
      K_k——可靠系数，取1．2～1．3。
　　b．在电动机附近速断保护范围之外短路时，要求I_ds大于次暂态短路电流。

式中：同步电动机＝5．5I_e；同步补偿机＝6I_e；对异步电动机附近外部相间短路式，只需按式（1）计算即可。
　　2）定时限过流保护：延时定值需躲过电机自启动时间。当电机启动时，在T＜T_start时，启动电流小于保护定值，保护不动作；当T≥T_start时，时间元件动作，保护的电流定值自动减小一半，若此时启动电流仍超过保护新定值（为原定值一半），保护动作跳闸。
　　3）热负载反时限过流保护：热过载反时限过流保护的动作方程如下：

式中：I_eq——电动机运行中三相电流中的最大值；
      I_s——可整定的保护动作电流；
      τ——可整定的发热时间常数（一般由制造厂提供）。
    （2）负序保护
　　发生严重的不对称故障时，负序电流I₂很大，这时要求根据I₂设置单独的快速保护。
    一段：高定值I_′2d，短延时t₁：t₁为固定值。

式中，为系统最小运行方式下，电动机机端两相短路时，最小的短路电流负序分量。
　　二段：低定值，长延时t₂：t₂由用户整定，一般可整定为3 s。
    ＝（0．3～0．4）I_e（5）
按式（4）计算后，还必须检验的值大于。（3）零序保护
　　当3I₀大于保护的动作电流I^′_0d时，经短延时t保护出口动作，发出接地信号或跳闸。
　　对3 kV、6 kV、10 kV电网中的大多数变压器中性点不接地或经消弧线圈接地的系统，保护通常只需发接地信号，不跳闸。保护的短延时可整定为0．1～0．5 s。对3 kV、6 kV、10 kV电网中的少数变压器中性点经高阻接地的电网，保护动作于跳闸，其动作电流I^′_0d应躲过启动过程中由于三相电流不完全对称而出现的三倍不平衡零序电流，延时整定为0．5 s。
3　TMS320F240电动机微机保护装置的硬件系统结构
　　电动机微机保护装置的硬件系统结构采用模块化结构，主要由处理器模块、键盘显示模块、模拟量采集模块、出口模块、电源模块和通信模块六个部分组成。其框架结构如图1所示。

4　处理器模块的设计
　　处理器模块是整个装置的核心，负责模拟信号的调理滤波、采样、模拟／数字转换、频率和相位的测量、开关量信号的输入／输出、通信、系统计时、数据计算、逻辑判断等功能。处理器模块采用DSP处理器进行设计，可以充分利用其数据运算处理的能力，其软硬件开发平台不仅可以进行复杂的算法设计如交流采样的FFT算法、自校正功能等，而且可以对电动机早期故障（如转子笼条断条）及一些非正常运行状态作出诊断，从而大大提高电动机保护装置的性能。
　　本装置的处理器模块由TMS320F240微处理系统构成。TMS320F240是TI公司于1997年在TMS320C2xx的基础上推出的一种专用定点可编程芯片，它在单一芯片上集成一个DSP内核和各种外设器件，可以解决各种工程应用方案。为了简化系统设计，可以把系统的一些外围控制电路由 CPLD（Complex Programmable LogIC Device）来实现。在设计中选用XILINX公司生产的CPLD，其中XC9500系列产品采用了系统内5 V可编程FASTFLASH技术，并且含有内部JTAG双向扫描测试逻辑。本系统采用电路原理图方式对CPLD进行逻辑编辑。
　　F240芯片可以工作在微处理器或微控制器两种状态，通过MP／MC引脚上的电平决定，其主要区别在于选用片内或片外的存储空间作为程序存放地址。考虑到系统调试阶段需要外部的存储空间，所以在系统设计时添加了高速静态RAM作为外部程序空间。另外，由于F240使用的是16位数据和地址总线，所以选用两片8位的SDRAM构成外部程序空间。

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