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东北大学硕士学位论文 摘要 电机保护器设计 摘要 电动机作为拖动系统中的重要组成部分在国民经济中占有举足轻重的地位， 它的使用几乎渗透到了各行各业是工业、农业和国防建设及人民生活正常进行 的重要保证，因而确保电动机的正常运行就显得十分重要，而电机保护器对电动 机的正常运行无疑具有决定性的意义。 电机保护器的科技发展趋势是实现产品的微型化、数字化、智能化和网络化 并在性能上向高精确度、高可靠性、高环境适应性方向发展。而在这个过程中， d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 结构上的突出特点无疑将会起到巨大的作用。d s p 芯片已经广泛应用于自动控制、图象处理、通信技术、网络设备、仪器仪表和家 电等领域；d s p 为数字信号处理提供了高效而可靠的硬件基础。目前，应用最广 泛的d s p 芯片是t i ( 德州仪器) 公司的产品，占到全球市场的6 0 左右。 本系统设计的基本原理就是监测电机运行时的三相电压和电流参数，通过对 这些参数的分析，获得电机的工作情况，为做到实时保护电机提供准确的参考信 息。本系统包括采集和计算电机参数的底层硬件设备以及进行显示、控制、通信 和保护的a r m 两部分。而本论文的主要工作是底层硬件设备，它包括前端的数据 采集、参数计算以及与a r m 的通信，使用的是t i 公司主要面向工业控制领域研发 的t m s 3 2 l f 2 4 0 7 a 芯片，从而可以确保电机保护器的实时性和精确性，最后对谐波 分析进行了探讨。 本系统目前在现场调试已经完成，取得令人满意的效果。由于电机保护器的 重要性以及对保护功能的精确性、全面性要求，本系统还有进一步完善的必要和 潜力。 关键词电机保护器d s p 谐波分析傅立时变换 查! ! 垄堂堡主兰堡堡查垒堕坠堡 d e s i g no f t h em o t o rp r o t e c t o r a b s t r a c t t h ee l e c t r o m o t o rw h i c hi sn o wa ni m p o r t a n tp a r to fe l e c t r i c a lt o w a g es y s t e m s h o l d st h eb a l a n c ei nn a t i o n a le c o n o m i c i tc a l lb eu s e di ne v e r yw a l ko fl i f ea n di st h e i m p o r t a n tg u a r a n t e eo f i n d u s t r y ，a g r i c u l t u r e ，c o n s t r u c t o f n a t i o n a ld e f e n c ea n dt h e p e o p l e sl i v e l i h o o d s oi ti sv e r yi m p o r t a n tt oa s s u r et h ee l c e t r o m o t o rr u l ln a t u r a l a n d t h em o t o rp r o t e c t o ri sc r u c i a l t h em o t o rp r o t e c t o rw i l lb em i c r o m a t i o n ：n u m e r i c a l ，i n t e l l i g e m i z ea n dn e t w o r k i n g ， a tt h es a m et i m ei tw i l lb eh i g hp r e c i s i o n ，h i g hr e l i a b i l i t ya n db eu s e di na l lc o n d i t i o n s t h ea d v a n t a g ei ns t r u c t u r eo f d s pw i l lp l a ya 1 1i m p o r t a n th o l e d s ph a sb e e nu s e di n a u t o c o n t r o l ，i m a g em a n i p u l a t i o n ，t e l e c o m ，n e t w o r k ，i n s t r u m e n ta n dv i d e oa b r o a da n d i tp l a y sag r e a th o l ef o rs u p p o r tt od i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g a tp r e s e n t ，t h ep r o d u c t so f t i ( t e x a si n s t r u m e n t s ) a r e6 0p e r c e n t so f t h ew o r l d sm a r k e t t h ek e y s t o n eo f t h es y s t e mi st og a t h e ra n da n a l y s et h ev o l t a g ea n dt h ec u r r e n to f t h ee l e c t r o m o t o r t h e nt h es t a t u so ft h em o t o rc a nb eg o ta n dt h e ni tc a nh e l pt op r o t e c t e l e c t r o m o t o r t h es y s t e mi n c l u d e st w op a r t s ：b o t t o mh a r d w a r ee q u i p m e n tw h i c hc a n g a t h e ra n da n a l y s et h ep a r a m e t e ro f t h em o t o r ，a r mw h i c hi sr e s p o n s i b i l i t yf o rd i s p l a y ， c o n t r o l ，c o m m u n i c a t ea n dp r o t e c t i n g t h i st h e s i si sm a i n l ya b o u tt h eb o t t o mh a r d w a r e e q u i p m e n tw h i c hi n c l u d e st h eg a t h e r ，a n a l y s eo ft h ed a t aa n dc o m m u n i c a t i o nw i t ha r m t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ai su s e di nt h i ss y s t e mt oi n s u r et h er e a lt i m ea n da c c u r a c y i nt h ee n d h a r m o n i o u sw a v e sa r ea n a l y z e dt h r o u 吐f f t t h ed e b u g g i n go ft h ed e s i g n e d s y s t e mh a sb e e nf i n i s h e d i nl o c a l ea n dg a i n s a t i s f i e dr e s u l t st h em o t o rp r o t e c t o rs h o u l db em o r ea c c u r a c ya n dp e r f e c t ，s ot h e d e s i g n e ds y s t e mn e e dm o r eb e t t e r m e n t s k e yw o r d sm o t o rp r o t e c t o r ，d s p , a n a l y s i so fh a r m o n i o u sw a v e s ，f f t ( f a s tf o u r i e r t r a n s f o r m ) 1 1 1 东北大学硕士学位论文 声明 独刽性声明 本人声明所星交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 德的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他入己经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我- m i 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者繇男祝弘 1 日期：刀r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用 学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者葶导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期：签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一章综述 第一章综述 电动机作为拖动系统中的重要组成部分在国民经济中占有举足轻重的地位， 它的使用几乎渗透到了各行各业，是工业、农业和国防建设及人民生活正常进行 的重要保证，因而确保电动机的正常运行就显得十分重要，而在使用中造成电机 烧毁甚至引发重大安全事故的事件屡见不鲜，据不完全统计全国每年仅因电动机 烧毁所消耗的电量就达数千万度，电动机烧毁的数量达2 0 万台次以上，容量约0 4 亿千瓦，因维修所耗的电磁线约5 0 0 0 万公斤，修理费达2 0 亿元，而因停工停产 所造成的损失更是一个无法估量的巨大数目。因此做好电动机的保护具有节能显 著、提高生产效率和经济效益及保证安全生产的重要意义“h ”“1 。 1 1电机保护器的历史及现状 我国的电动机保护装置大约经历了全面仿苏、自行设计、更新换代、智能化 发展等几个阶段。值得一提的是由于近年来微处理器技术的发展，给电动机保护 器向智能化、多功能化方向发展提供了硬件平台，使得电机保护进入了一个飞速 发展的阶段。 ( 1 ) 热继电器、熔断器和电磁式电流继电器 在建国初期，我们引进了苏联的j r 系列热继电器，从而开始了其在中国电机 保护行业中长达半个世纪的生涯，直到1 9 9 6 年国家八部委联合发文强制将其淘汰。 热继电器在电子业尚不发达的时代曾是电机过载保护的首选产品，它是利用双金 属片热效应工作的，双金属片是由不同膨胀系数的两片金属铆合而成，当电流通 过时它将产生热量，并向膨胀系数小的一边弯曲，电流的大小和弯曲的程度成正 比，当电流超过热继电器整定电流的一定倍数时就会扁动其中的脱扣装置从而切 断主回路达到保护的目的。但热继毫器存在致命的缺陷，包括整定粗糙、受环境 影响大、重复性差、误差大及功能单一等，已无法满足越来越高的要求，因而也 就无法避免被淘汰的命运。 很多人把熔断器作为电机的过载保护，其实这是一种不科学的做法。因为首 东北大学硕士学位论文 第一章综述 先受其规格限制无法按电机额定电流进行准确设定，况且如果熔断器规格选得太 小容易造成断路，使电机单相运行，如果熔断器规格选得太大，则达不到过载保 护的效果。电磁式电流继电器具有过载、堵转保护功能，有的还有缺相保护，其 过载保护具有反时限特性，但其结构复杂，机械制造精度高，价格高且体积庞大， 因而目前已被基本淘汰。 f 2 ) 模拟电子式电机保护器 在上个世纪七八十年代，随着半导体模拟器件的兴起及普及，涌现出了一批 性能比较可靠、功能多样化的电子式电机保护器，为电机的可靠运行提供了较可 靠的保障，其中得到公众认可且具有自己品牌特色的以韩国三和技研株式会社的 产品为代表，在国内市场具有一定影响，他们的产品品种多样，规格齐全，主要 功能包括：缺相，过载，欠流，相失衡，相序，接地，短路，过欠压，电流显示， 声光报警及变送输出等，但这类产品仍存在一些无法克服的缺陷，包括如下几个 方面： 1 整定精度不高，模拟电子式电机保护器均采用电位器进行额定电流的整定， 然而要使电位器滑动臂的旋转角度与其阻值成较好的线形关系比较困难，特别是 在大批量生产中更是难以做到，另外，操作者的整定误差也是难以避免的，特别 是对于那些没有设定值显示的产品。 2 采样精度不高，模拟线路对电流互感器的非线性问题束手无策，即使可以 校正也会使线路变得非常复杂，甚至无法实际使用，因而大部分厂家只好将非线 性问题依赖于提高电流互感器的线性，而实际上要想由矽钢片做成的电流互感器 在很宽的范围内保持线性是非常困难的，行内人士知道用于电机保护器采样的电 流互感器需考虑的最大使用范围至少为被保护电机额定电流的7 倍，因为电机在 堵转情况下会达到5 7 倍的额定电流；另外，采样线路本身也存在非线性问题。基 于这些技术难题，要实现高精度的采样自然就成了一句空话。 3 无法实现具有多种保护功能于一体的全保护，随着社会的发展，人们对电 机保护的要求也越来越高，希望保护器的功能多样化，性能可靠，接线简单，界 面直观且体积要小，这些都是纯粹的模拟线路根本无法实现的。鉴于以上原因， 东北大学硕士学位论文第一章综述 纯棒模拟线路的保护器正逐渐被其它一些更先进的技术产晶所代替。 ( 3 1 数字电子式电机保护器 这类电机保护器主要以单片机作为控制器，可实现电机的智能化综合保护， 有的还具有远程通讯功能，可在p c 机上实现对多达2 5 6 台联网的电机实现在线综 合监视与控制，在采样和整定精度方面有质的飞跃，可对采样信号进行软件非线 性校正，并可实现真有效值计算，从而极大地降低了被测信号波形畸变的影响， 真正实现了高精度采样，在整定方面采用数字设定，通过键盘由用户自行现场设 定，不存在误差，还可为过载保护设置多条更科学的反时限曲线。因为采用了单 片机就使得在相同硬件条件下集多种功能与一体的综合保护器的出现成为可能， 例如，上海万谱最近研制成功的s w j 2 系列保护器就具有远程通讯、声光报警、过 载、堵转、短路、漏电、故障记忆等多种功能，它采用交流采样技术、多点线性 校正技术、量程自动切换技术，使其在1 a 1 0 0 a 或1 0 a 1 0 0 0 a 的测量范围内都能 保持很高的采样糟度，在国内外同类产品中处于领先地位。 同所有的产品一样，电机保护器经历了由低级到高级、由简单到复杂逐渐科 学完善的发展过程，在这个过程中批批技术人员倾注了大量的热情与心血。仪 器仪表的科技发展趋势是实现产品的微型化、数字化、智能化和网络化。并在性 能上向高精确度、高可靠性、高环境适应性方向发展。现在市场上有非常多的电 机保护嚣，而且一般价格也不是很高，象成都普达电器有限公司3 d b l 2 型号的电 机保护器针对不同功率的电机价格一般在2 0 0 , - - 。9 0 0 元左右，但是因为这些产品在 功能上都有很大的提高余地，所以这次课题就是希望能在电机保护器的微型化、 智能化、网络化和完全实时性方面做一点尝试。 1 2 本课题的主要工作 电动机的重要性是不吉而喻的，因而确保电动机的正常运行就显得十分重要。 对电动机的保护一般采用电机保护器。但是现今流行的电枫保护器有一个缺点就 是在保护的反映时间方面，由于硬件上存在的一些问题还无法达到完全的实时性， 这样就无法对电动机起到完全实时、可靠有效的保护。d s p 本身所特有的硬件乘 东北大学硕士学位论文第一章综述 法器使得其在计算速度上有着明显的优势，因此本课题采用了t i 公司专门面向工 控领域设计的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 。 在实际研发过程中，针对电机保护的具体问题从理论上进行了详细、认真的 研究和推导，对电动机的理论进行了重新认识和深入学习，对电机的参数计算公 式从理论和工程实际两方面进行了分析和比较。结合当今流行的电机保护器的优 缺点，本课题最终采用了d s p 、a r m 的双c p u 结构，由d s p 完成数据采集、参 数计算和传输数据到a r m 三个过程，丽a r m 则实现显示、保护、入机交互等功 能，本论文主要介绍d s p 部分。 基于此，本论文构造了一个电机保护器的数据采集、处理模块，并在这个系 统中实现了与a r m 之间的实时通信。本论文的主要内容： 第二章介绍了三相电路的相关知识以及相应的理论分析和推导。 第三章介绍了d s p 的相关知识及硬件的实现。 第四章介绍了软件设计编程的注意事项及实现过程。 第五章介绍了用f f t 对电能质量进行谐波分析的一些尝试。 第六章介绍了在调试过程中碰到的一些问题以及对以后工作的展望。 东北大学硕士学位论文第= 章理论分析 第二章理论分析 电机保护器是指采集电机工作时的三相电压、电流瞬时值，并对电压、电流 有效值、有功、无功、功率因数以及电量等进行计算显示，同时进行保护( 即通 过采集数据来判断电机是否正常工作，如果出现欠压、过压、断相等情况，立刻 报警同时切断电源保护电机) 的设备。因此在设计中，如何通过a d 采集所得到 的电压、电流瞬时值来计算上述这些参数就成为了本课题的关键。在工程实践中 多采用下面的离散化公式“1 。 线路电流有效值： ( 2 1 ) 式中为每个周波采样点个数，正常采样6 4 点周期，用于谐波分析1 2 8 点， 周期；“为第，个离散采样点。 在本次项目中，为了使采样更精确，采用了1 2 8 点，周波的采样方式。 线路电压有效值： 忙后静 线路有功功率： 尸= 喜u j 。 无功功率： q = ( 吩r u j - i ) 功率因数采用的公式是： p 。8 p 。勃 式中j d 为系统的总功率，v 、为一相的电压和电流值。 对于三帽四线制系统，以上的有功功率、无功功率计算公式为每 对于三相四线制系统，以上的有功功率、无功功率计算公式为每 ( 22 ) ( 23 ) ( 2 4 - ) ( 2 5 ) 相各分量 相各分量 东北大学硕士学位论文第二章理论分析 的计算过程，而三相三线制当三个负侧一点相接时也可以按上述的方法计算，从 而得到a 、b 、c 三相各自的有功功率( 只、乞、最) 和无功功率( q a 、q ( ，) 后，把三者相加，得到线路的总有功功率和总无功功率，如下： 尸= 只+ 最+ 只 ( 2 6 ) q = q a + 绕+ q ( 2 1 公式的推导 周期电流、电压的瞬时值都随时间而变化，为了确切地衡量其作功本领的大 小，在工程实际中，采用了一个能反映芷弦量作功效果的量值，称为有效值。以 周期电流为例，一个周期电流的有效值是这样确定的：如果这个周期电流i 通过电 阻r ，在一个周期的时间内所产生的热能，恰好等于某直流电流，通过同一个电 阻r ，在同样时间内所产生的热能，则把这个直流电流的值，定义为该周期电流i 的 有效值。当一个周期电流i 通过电阻月时，该电阻在一个周期内所吸收的电能量为 = f f r d t ( 27 ) 而产生的热量为 q i = 0 2 3 9 r i 2 r d t = 0 2 3 9 r f i 2 d t ( 2 8 ) 假定一个量值为，的直流也通过同一电阻r ，它在时间t 内产生的热量为 q 2 = 0 2 3 9 1 2 r t( 29 ) 如果周期电流i 与此直流，在一个周期内所产生的热量相等，则有 0 2 3 9 1 2 月，= 0 2 3 9 rfi 2 d t ( 2 10 ) 则有 = 据r 砌 ( 2 1 1 ) 因为采用的都是数字离散量，所以对上面的公式( 2 1 1 ) 进行离散化，假设采样点 数为h 个，则t = n a t ，d t = a t ，则上述公式变为 东北大学硕士学位论文第二章理论分析 i = 阿t = 函t = 睡 这个公式不仅仅只适用于正弦交流电，即使有定的干扰和谐波 的。 同样的道理可以得到 肚- - 专善1 1 ，2 因为平均功率p 是瞬时功率在一个周期内的平均值，即 p = ；lp d t = ；l ”- t d t 同样的道理将其离散化，就可以得到 尸= 吉缸r ， ( 2 1 2 ) 也是完全成立 f 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 ，1 5 ) 但是在这里最需要注意的一个问题是三相三线制和三相四线制之间的区别。上述 的公式是单相的计算公式，对三线制和四线制的输入来说都是适用的，但是对总 功率来说却是不一样的。当线路接法是三相四线制时，三相负载的平均功率为 p = 只+ 最+ 、( 2 1 6 ) 而对三相三线制来说，因为三相负载无论怎么联接，总可以用星形联接来表示， 则三相的瞬时功率为 p = p + p 日+ p c = ? a a o i a + “+ 材( 船t 其中0 是等效星形负载的中点。根据基尔霍夫第一定律 有 代入上式则瞬时功率为 + + f c = 0 j c2 叫一7 b p = i a a o i 。a + “口。i 8 一u c o ( i a + ) = ( 1 , 1 。一“) + ( 一“) 3 u a c i a + “ 于是，三相总的平均功率为 东北大学硕士学位论文第二章理论分析 p = 等lp d t = u a c i d t + ；l “b c i b d t = u c i c o s ( o , + u s c i b c o s 妒2 = 号+ 最 根据同样的离散道理可知，在连接方式为三相三线铝4 时，整个负载的平均功率 p = 日+ 最 ( 2 1 7 ) 上述的这些公式就是本课题中所最终采用的计算各种参数的公式，后经过实验室 仿真通过，在现场的环境中又通过了各项测试。实践表明，本论文所采用的公式 完全可以满足本课题的工艺要求，在应用于工业现场的各种离散化公式中，本课 题的公式为比较简单、可靠的一个。 视在功率的定义是电压的有效值和电流的有效值的乘积，用大写字母s 表示，单位 称为伏安( v a ) ，或千伏安( k v a ) 。即： s = u ( 2 1 8 ) 无功功率表征的是电源与负载问能量交换的最大速率，单位是无功伏安，简称乏 ( v 神或千乏( k v 呻。考虑到本论文的实际情况，决定利用s 、p 、q 之间的 s = 撕了万关系来求解q a 同时利用c o s 妒= ；可以求出各相的功率因数。 2 2 公式的仿真 在上一节中对于本论文中所使用的主要公式进行了推导，但是在实际使用的 过程中不可能完全和理论一样，现场中一定会存在种种的干扰和误差，为了在整 个课题开始之前能对现场可能出现的情况做一个大体的仿真，本论文考虑了如下 面所列的这几种情况”il s 。 a ) a d 位数相同丽采集点个数分别为1 2 8 、6 4 和3 2 时对计算值有多大的影 响? b ) 采集点个数相同而a d 分别是8 位、l o 位、1 2 位和1 4 位时，计算结果会 有多大的误差? c )起始采样时刻不是电压或者电流的过零点而是滞后一定时间时，计算值 东北大学顾士学位论文 第= 章理论分析 和真实值之间有多大的差别? d )通过上述公式计算的有功功率和无功功率是否可以接受? e ) 相互之间相差1 2 0 度的三相电压或者电流的计算值之间会与什么差别 呢? f ) 实际电压频率为5 0 1 h z 或者4 9 9 h z 时，如果采样频率保持不变计算值会 有多大的误差? 为了尽量模拟实际情况，在本次仿真中采用了y 1 3 2 m 4 型电动机的铭牌数值。 在仿真之前，应该先把公式的应用过程考虑清楚，以图2 1 的电压为例。可以 通过调节r 0 和v r 使得当交流电压为3 8 0 v 时经过转换进入d s p 的电压最大值为 i v a ! + 2 1 0 1 图2 1 电压信号采集模块的设计 f i g 2 1t h ed e s i g no f t h ev o l t a g es i g n a lg a t h e r e dm o d u l e 2 5 v 。瞬时交流电压假设为u i ，波形如下图2 2 所示，经过r 0 进入互感器，在其 副侧产生一个交流电流，经过v r 后在l m 2 4 8 的8 脚处产生一个有效值最大可能 东北大学硕士学位论文 第二章理论分析 为f 2 5 压) v 的交流信号，波形如下图2 1 3 所示，假设其为 t e m p l = u i * 2 ，5 ( 3 8 0 * 2 ) ；t e m p l 与具有相同阻值的r 1 和r 2 以及直流2 5 v 形成 一个回路，从而使得t e m p l 叠加上了一个2 5 v 的直流信号，l m 2 4 8 的1 2 脚处的 电压值假设为t e m p 2 ，其波形如图2 ，4 所示，则它的电压值为t e m p 2 2 ( t e m p l + 2 5 ) 2 2 ( u i * 2 5 ( 3 8 0 * j ) + 2 5 ) 2 。1 3 脚的电压值通过放大器的作用与1 2 脚保持相同， 经过d 0 与d l 的后进入d s p 的a d 转换通道，从而满足了硬件设计要求；进入d s p 图2 2 源侧u i 的电压波形 f i g 2 2t h ev o l t a g ew a v eo f t h eo r i g i n a ls i d eu i 后，信号t e m p 2 的数值是2 5 v 时，a d 转换值即为1 0 2 4 ，是o v 时，转换值为0 ， 所以t e m p 2 在o 2 5 v 之间时所对应的a d 转换数值为r i = ( t e m p 2 2 5 ) 1 0 2 4 = ( u i * 2 5 ( 3 8 0 * 压) + 2 5 ) 1 0 2 4 ( 2 2 5 ) 。 仿真时的思路与上述的过程是相反的。由上述过程可以得出t e m p l 的有效值 和实际值之间是成正比的，应该先求出t e m p l 的有效值，然后通过比例系数来求 实际电压。仿真时，要先仿真从u i 到r i 的整个信号流程，再仿真从r i 到u i 韵 计算过程。由上面r i 的关系式可以很明显得出u i = ( r i 一5 1 2 ) * 3 8 0 * 2 5 1 2 。因 为都有一个公共因子3 8 0 * 2 5 1 2 ，所以仿真时先把( r i 一5 1 2 ) 求平方和、开均方 东北大学硕士学位论文 第= 辛理论分析 根，然后再乘以3 8 0 * 互5 1 2 。 圈23t e l t i p l 的电压波形 f i g2 3n l ev o l t a g ew a v eo f t e m p i 图24t e 忡2 的电压波形 f i g2 4t h ev o l t a g ew a v eo f t e m p 2 东北大学硕士学位论文第二章理论分析 针对第一种情况，采样点个数不同时的影响，假设a d 位数都是l o 位的情况 下采样点个数分别为1 2 8 、6 4 和3 2 点时，仿真结果如表2 1 。可以看出当采样 点数是1 2 8 时，相对误差在千分之五以内，可以接受。 表2 1 采样点不同时，仿真结果表 t a b l e2 1t h es i m u l a t i o nw h i l es a m p l i n gn u m b e ri sd i f f e r e n t 采样点数 1 2 86 43 2 仿真数值( v ) 3 7 8 5 3 7 23 7 70 3 2 43 7 4 0 4 2 8 相对误差( 9 0 ) 3 8 5 78 11 5 6 针对第二种情况，a d 转换位数不问时的情况。在仿真过程中，由于m a t l a b 本身软件在取整时的问题，对仿真结果也有一定影响，于是考虑到不同的取整方 式，得出了下列的仿真结果，见表2 r 2 。( 假设采样点都是1 2 8 点) 表2 2a d 位数以及取整方式的影响 t a b l e2 2t h ei n f l u e n c eo f t h ea dt r a n s f o r ma m o u n ta n dt h ee v o l u t i o np a t t e r n 、，取整方式 a 。位i 、 r o u n df l o o rf i xc e i l 83 7 8 3 8 2 43 7 8 2 7 8 33 7 63 9 0 43 7 8 2 7 8 3 1 03 7 8 5 3 7 23 7 8 4 8 3 33 7 8 0 1 2 43 7 8 4 8 3 3 1 23 7 8 5 0 6 03 7 8 5 2 1 73 7 8 4 0 4 03 7 85 2 1 7 1 43 7 8 5 0 3 93 7 85 1 5 93 7 8 4 8 6 53 7 8 5 15 9 注：r o u n d ( a ) 将a 中元素按最近的整数取整，亦即四舍五入 t l o n r ( a ) 将a 中元素按一。方向敬整，即取不足整数； f i x ( a ) 将a 中元素按离0 近的方向取整； f l o o r ( a ) 将a 中元素按+ 。方向取整，即取过剩整数； 表中数值为电压值，单位为v 。 由表2 2 中所仿真的结果可以很明显的看出，当a d 转换位数是8 位时对计算 结果有比较显著的影响，但是对1 0 位、1 2 位以及1 4 位a d 来说对最终的结果虽 - 1 2 东北大学须士学位论文第二草理论分析 然有影响，但是它们之间的差别相对来说是比较小的，都可以满足本课题的要求。 通过对a d 转换位数和一个周期采样点个数的仿真可以得毖的结论是针对本 课题的具体情况，使用1 2 位a d 进行转换，一个周期采样1 2 8 点无疑是最理想的， 图25 电压、电流相差疗4 的图象 f i g 2 5t h ew a v eo f t h ev o l t a g ea n dc u r r e n id i f f e r i n g n 4 但是考虑到进行本课题时核心硬件芯片的具体情况以及工艺现场的具体要求，采 莆1 0 位a d 、一个周期采样1 2 8 点在减小干扰的情况下就已经完全可以满足要求 了。 第三种，在仿真时，从5 0 0 m 开始取值，结果仿真出的电压值为3 7 85 4 0 5 v ， 对结果的影响几乎可以忽路。 对于第四种有功功率和无功功率的情况，考虑到采样时间、存储空间等问题， 本课题最终选择的是有功功率按上述公式计算，而无功功率则通过无功功率和有 功功率以及视在功率的平方关系反向求出。具体的仿真结果见下表2 3 。 第五种情况，因为d s p 在a d 转换时要一路一路的转换，而且本课题中没有 设计采样保持器，所以结合现场的经验，在仿寞时，对这种情况考虑了比较多的 可能性。考虑了相位滞后2 ，r 3 和超前2 ，r 3 的两种情况，而滞后时间则：卣5 0 0 r l s 、 10 0 0 n s 、i5 0 0 u s 、2 0 0 0 n s 、2 5 0 0 n s 五种情况。仿真结果如下表2 4 。 东北大学硕士学位论文第二章理论分析 表23 功率的仿真表 t a b l e2 3t h es i m u l a t i o no ft h ep o w e r 相位差物理量理论值仿真值误差( 1 7 有功功率( w ) 4 1 3 7 9 8 4 4 1 0 6 576 0 _ _ 4 无功功率( v a t ) 4 1 3 79 84 1 0 5 8 。 7 ，7 6 丌 无功功率( v a t ) 2 9 2 6 0 0 2 9 0 2 9 78 9 。 3 有功功率( w ) 5 0 6 79 8 5 0 2 9 47 ，6 l 表2 4 滞后时间的影晌 t a b l e2 4t h ei n f l u e n c eo f t h el a g g i n gt i m e 、滞后时间( n s ) 相位差、 5 0 01 0 0 01 5 0 02 0 0 02 5 0 0 2 j r 33 8 0 7 0 2 23 8 0 7 3 4 73 8 0 7 2 7 73 8 07 5 2 73 8 0 7 5 0 1 2 7 r 3 3 8 0 7 2 0 5 3 8 0 7 4 1 93 8 0 7 4 3 63 8 0 7 1 8 l3 8 0 7 0 2 6 第六种情况的仿真结果为当电压频率为5 01 h z 而仍然按5 0 h z 计算时，电压 仿真数值为3 7 8 1 4 4 0 v ，当电压频率为4 9 9 h z 而仍然按5 0 h z 计算时，电压仿真数 值为3 7 8 8 4 7 9 v ；5 0 h z 按5 0 h z 计算时，数值为3 7 85 3 7 2 v ，可见影响结果非常小。 因此可以得出结论：即使电压频率不是很稳定时，计算公式对结果的影响仍然是 可以忽略不计的。 上述仿真过程，针对的都是输入波形为标准正弦波的情况，考虑到实际情况， 很可能有谐波和随机干扰，于是再对有3 次谐波和随机干扰的波形进行一下简单 的电压值仿真。现假设输入来的电压波形为3 8 0 v 的标准正弦波叠加上了一个1 0 v 的3 次谐波和5 v 的随机干扰信号。下图2 6 为采样点数分别为1 2 8 点、6 4 、3 2 点 和1 6 点时，多次计算的数值。由图可以清晰的看到，当采样点数为1 2 8 点时，计 算出的数值基本上在3 7 9 8 v 3 8 0 2 v 之间波动，所以误差为0 2 3 8 0 = 0 0 0 0 5 2 6 ， 东北大学硕士学位论文 g - - 章理论分析 在于分之一内。采样点数为6 4 点时，计算值的电压上下偏差为o 4 v ，误差为 0 0 0 1 5 。采样点数为3 2 点和1 6 点时，电压的上下浮动范围为0 5 v 和l v ，误差比 较大。所以从整体性考虑，采用1 2 8 点应该是比较合理的选择。 图2 6 采样点数不同时的电压多次计算值 f i g 2 6t h ec a l c u l a t i o no f t h ev o l t a g ew h i l es a m p l i n gn u m b l ei sd i f f e r e n t 说明：由上而下的采样点数分别为1 2 8 点、6 4 点、3 2 点和1 6 点，可以明显的看出，1 2 8 点时 计算值的上下误差在0 2 v 左右，而当采样点数为1 6 点时，电压计算值的上下误差已经为i v 。 东北大学硕士学位论文 第二章理论分析 圈2 7 d 位数不同时的电压多次计算值 f i g 2 7t h ec a l c u l a t i o no f t h ev o l t a g ew h i l ea dt r a n s f o r ms m o u n ti sd i f f e r e n t 说明：由上而下a d 的转位数换分别为1 4 位、1 2 位、l o 位和8 位，可以很明显的看出，1 4 位、1 2 位以及1 0 位时计算值的上下误差在o 2 v 左右，丽当转换位数为8 位时，电压计算值 的上下误差已经为0 5 v 。 图2 7 为a d 位数分别为1 4 位、1 2 位、1 0 位、8 位时，采样点数同样为1 2 8 位时的电压多次计算数值，因为存在随机误差，为使计算值更加合理，特取1 0 次 计算值的平均。由这个图形可以明显看到，1 4 位和1 2 位a i d 确实有很好的精度， 查些查兰塑主芏竺丝查堑三兰兰堡坌堑 但是来计算一下1 0 位a d 的误差，上下浮动最大也不过0 4 v ，所以就按0 4 v 来 计算，则误差为0 4 3 8 0 = 00 0 1 0 5 ，在于分之一左右，再考虑上其他类型的干扰和 板上的信号互扰，这个误差应该是可以接受的。 通过以上的各种仿真，可以得出的最终结论是：考虑到现场干扰以及器件之 间的高频干扰，使用1 2 位a d 、1 2 8 个采样点周期应该是最理想的，但是要想实 现完全实时性，d s p 的硬件乘法器是必不可少的。而当时应用于工控领域的d s p 中，a d 转换位数最高的也只有1 0 位，1 2 位a d 的2 8 1 2 是后来才研发生产的。而 且通过现场的调试，在采用1 0 位a d ，一个周期采样1 2 8 点的情况下，只要采取 一些措施减小干扰，计算结果也是完全可以满足工艺要求的。 东北大学硕士学位论文 第三章系统硬件设计 第三章系统硬件设计 目前，d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 芯片已经广泛应用于自动控制、图 象处理、通信技术、网络设备、仪器仪表和家电等领域：d s p 为数字信号处 理提供了高效而可靠的硬件基础。目前，应用最广泛的d s p 芯片是t i ( 德州 仪器) 公司的产品，占到全球市场的6 0 左右，并广泛应用于各个领域。本 论文中所涉及的课题就是使用t i 生产的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 来完成电机保护的 功能。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 系列d s p 是t m s 3 2 0 数字信号处理器家族中的一员， l f 2 4 0 x 系列d s p 是为满足大范围的数字电动机控制( d m c ) 应用而设计的。 本论文除标题外，其他地方均使用l f 2 4 0 x d s p 代替t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 系列d s p 。 本章针对系统的具体要求明确了系统的任务和目标，同时提出了系统关键 技术和应解决的主要问题，由此设计了系统的技术方案，并将系统划分为不同 的功能模块，制定了相应模块整合的原则 1 “1 。 3 1 系统简介 本课题采用的是双c p u 结构一d s p 和a r m 。其中的d s p 部分主要是针 对保护对象电动机采集运行数据、分析处理数据，并将结果传输到a r m 中进行 保护、通信与交互。本论文主要介绍d s p 部分。系统要求实现不同功能的硬 件配套，因此本系统的主要功能为：在基于d s p 和2 3 2 总线技术的基础上， 构建一个面向电动机的采集检测系统模块，实现采集、信号处理及传输功能， 并能实现端嗣扩展和功能升级。 本系统有下列的一些特点： a ) 对电动机的运行进行实时性监测，准确、稳定的采集特征信号，提供 a r m 故障诊断的依据。 b ) 采集的特征信号为电动机的电压、电流等信号。 c ) 制定两个c p u 之间的通讯协议，实现与a r m 的数据通讯。 东北大学硕士学位论文 第三章系统硬件设计 d 1 设计高速p c b 板，使系统信号能准确的采集和传输。 本系统的关键技术和拟解决问题为： a 1 基于d s p 的软硬件设计； b ) 数据传输技术； c 1 与a r m 通讯的协议及实现； d ) 高速p c b 板设计及抗干扰技术。 3 2 系统的总体结构 系统的总体要求是用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 这款芯片来采集三相四线制电机 系统的电压和电流，并计算有功、无功、功率因数、频率以及电量等，然后将 处理结果通过r s 2 3 2 送至a r m 进行显示、控制、通信和保护。a r m 同时还 与键盘、显示以及通讯和保护相连接。硬件的总体设计如下图3 1 所示。 前 a d c i n 0 0 端 a d c i n 0 1 a 数 a d c i n 0 2 d 据 r $ 2 3 2 a d c r n 0 3 s r s c i 采 a d c 附0 4 p 集 a d c i n 0 5 m 通 c a p l 道 图3 1 系统的总体设计框图 f i g 3 1t h ed e s i g nf r a m eo f t h es y s t e m 东北大学硕士学位论文第三章系统硬件设计 3 。3 系统的单元电路设计 尽管硬件选型与单元电路设计部分的内容是基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的系统， 但由于d s p 体系结构的一致性和常见外围电路的通用性，只要真正理解本部分的 设计方法，设计出基于其他d s p 微处理器的系统，应该也是比较容易的。需要说 明，以下的应用电路可能不是最佳的，但经现场验证是可以正常工作的。 3 3 1 d s p 介绍 d s p 芯片，也称数字信号处理器，是一种具有特殊结构的微处理器。d s p 芯 片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法嚣，广泛采用流 水线操作，提供特殊的d s p 指令，可以用来快速的实现各种数字信号处理算法。 根据数字信号处理的要求，d s p 芯片一般具有如下的主要特点： ( 1 ) 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法。 ( 2 ) 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据； ( 3 ) 片内具有快速r a m ，通常可通过独立的数据总线在两块芯片中同时访问。 ( 4 ) 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持。 ( 5 ) 快速的中断处理和硬件1 1 0 接口支持。 ( 6 ) 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器： ( 7 ) 可以并行执行多个操作。 ( 8 ) 支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以薰叠执行。 d s p 芯片的基本结构包括： ( 1 ) 哈佛结构哈佛结构的主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间 中，即程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编址， 独立访问；与两个存储器相对应的是系统中设置了程序总线和数据总线，从而使 数据的吞吐率提高了倍。由于程序和数据存储在两个分开的空间中，因此取指 和执行能完全重叠。 ( 2 ) 流水线操作流水线与哈佛结构相关。d s p 芯片广泛采用流水线，以减少 2 0 东北大学硕士学位论文 第三章系统硬件设计 指令执行的时间，从而增强了处理器的