（电工理论与新技术专业论文）智能电机数据采集、保护器的设计.pdf

东北大学硕士学位论文a b s t r a c t t h ed e s i g n eo fa n i n t e l l i g e n t d a t a a c q u i s i t i o n m o d u l ea n dp r o t e e t i o ni n s t r u m e n tf o rm o t o r a b s t r a c t t h em o t o ri sp l a y i n ga ni m p o r t a n tr o l ei nn a t i o n a le c o n o m y i tc a nb e u s e di ne v e r yd e p a r t m e n to fi n d u s t r i a lp r o d u c t i o n t h em a ro fm o t o rw i l l l e a dah u g ei n f l u e n c et oi n d u s t r i a lp r o d u c t i o na n de x p e n s ei sd i f f i c u l tt o e s t i m a t e ，s ot h eq u e s t i o na b o u tm a r sd i a g n o s e sa n dp r o t e c t i o no fm o t o ri s a ne m p h a s i so fr e s e a r c hi na c a d e m ef o ral o n gt i m e t h ea r t i c l ei n t r o d u c eas t u d y sm e t h o da b o u ti n t e l l i g e n td a t a a c q u i s i t i o n m o d u l ea n dp r o t e c t i o ni n s t r u m e n tf o rm o t o r i t sr e s e a r c hi s c o n t r a p o s em a n yt y p em o t o r 。i tc a nm e a s u r es o r t i ep a r a m e t e r so fm o t o rs u c h a sv o l t a g e ，e l e c t r i cc u r r e n t ，a c t i v ep o w e r ，r e a c t i v ep o w e r ，p o w e rf a c t o r p o w e rf r e q u e n c y i ta l s o c a no f f e rp r o t e c t o rt om o t o rw i t he x c e s sv o l t a g e ， e x c e s sc u r r e n ta n ds oo n t h es y s t e mu s et w oc p ut oc o m p l e t ea l lf u n c t i o n s a l ls i m u l a t e dd a t a a r eg a t h e r e dw i t hd s p ( t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ) ，t h e nd s pc o m p u t et h e s ed a t aa n d t r a n s m i tt h e s ed a t at oa n o t h e rc p u ( a t 9 1 m 5 5 8 0 0 ) a n o t h e rc p ue x e c u t e a l lc o n t r o lf u n c t i o n ss u c ha sd i s p l a y k e yo p e r a t i o n t h es y s t e mc a nr e c k o n w i t hh i g hs p e e d t h es y s t e mp o s s e s sah i g hs e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t y i nt h ec o u r s eo fd e s i g n e dn e t ，t h e s y s t e mu s ec r i t e r i o no f r s 一4 8 5t o m a n a g ec o m m u n i c a t i o n i na d d i t i o n ，w ed oal o to fw o r kf o rd e v i c e n e ta n d t a k es o m ea c h i e v e m e n t t h ed e b u g g i n go ft h ed e s i g n e ds y s t e mh a sb e e nf i n i s h e di nl a b o r a t o r y a n dg a i ns a t i s f i e dr e s u l t s b e c a u s eo ft h ec o m p l e x i t ya b o u ti t ，t h ei n t e l l i g e n t d a t aa c q u i s i t i o nm o d u l ea n dp r o t e c t i o ni n s t r u m e n tf o rm o t o rs h o u l db em o r e a c c u r a c ya n dp e r f e c t ，s ot h es y s t e mn e e d sm o r eb e t t e r m e n t s w es h o u l dd o o u r sb e s tt oa d v a n c et h es y s t e mi nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n td a t aa c q u i s i t i o nm o d u l ea n dp r o t e c t i o ni n s t r u m e n t f b rm o t o r ，d s p ，a r m ，d e v i e e n e t 1 1 1 ， 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发 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。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 本人签名： 日 期：2 巫：2 ：竺7 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。 学位论文簋辜蓄螽：耄兰醪墨茎墨茗翥：签字日期：加以可够签字日期： 伽咚2 髫 东北大学硕士学住论文 第一章绪论 第一章绪论弟一早三酉t 匕 1 1 课题的提出依据和意义 众所周知，电机在国民经济中起着十分重要的作用。电气、机械、 冶金、建筑、煤炭、石油、化工、汽车、飞机、造船等现代工业生产部 门以及我们的日常生活几乎都离不开各种各样的电机。因此，电机已是 当今社会生产活动和人们日常生活中最主要的原动力和驱动装置。它们 数量之多，应用范围之广几乎是没有其他设备能够与之比拟的。据不 完全统计，全国使用的中型电机大约有2 0 0 0 万台，每年损坏的电机约占 总数的1 6 ，约3 2 0 万台，平均每台电机的维修费用为1 0 0 0 元左右，总 费用大约为3 2 亿元。另外，电机的损坏所造成的其它事故以及由此导致 的工厂停产所造成的间接经济损失则更为巨大。可见，对生产系统而言， 电机不仅数量众多、应用西广，同时它又是一个辐对容易出闯题的环节。 近年来，电机正朝着功率与体积越来越大的方向发展。大型电动机 的单台价值可高达数百万元，而由于监测、保护技术落后，导致损坏情 况也十分严重。这种状况在国内外各行各业中都普遍存在。而大型电动 机往往又是重要生产过程中的动力设备，若损坏将直接对整个生产过程 以及产品的质量产生很大的负面影响。其间接损失更是难以估计。因此， 大型电动机的故障诊断与保护问题长期以来一直是学术界和工程界的研 究热点。 此外，由于现代工业的生产过程更趋复杂化，电机常频繁运行在起 动、制动、正反转及变负荷等多种情况下，电机的工作条件更加恶化， 也更容易出现问题。因此，研究开发可靠的电机监测、保护设备，使其 能对电机可能出现的各种故障实旄可靠的保护，是减小生产过程中的经 济损失，提高经济效益的重要途径之一。从某种程度上讲，电机的监测、 保护和电机的设计与制造、控制等都是一样重要的。为减小电机出现故 障所带来的影响以及电机的损坏所造成的其它事故以及由此导致的工厂 停产所造成的间接经济损失，开发一种性能稳定、保护种类齐全、动作 速度快、灵敏度高、可靠性好的智能电机数据采集、保护器对提高工厂 的经济效益以及产品的质量都具有十分重要的现实意义。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 电机数据采集、保护器的发展历史、现状及方向 1 2 1 电机数据采集、保护器的发展历史、现状 电机数据采集、保护技术是随着近代工业的发展而发展起来的。早 期的电机数据采集、保护设备主要是采用继电器一类的模拟控制器件来 实现。用定时继电器、行程开关、热继电器等对电机工作过程进行时序 控制、行程控制、逻辑控制、设备保护等。这些模拟控制器件组成的常 规控制系统具有易于维护、操作等优点，并得到了广泛的应用。但随着 工业生产向大型化、复杂化方向的发展，生产过程的自动化程度要求越 来越高，常规控制系统的局限性己经越来越突出，其主要表现为：体积大、 功耗高、工作速度慢、控制精度低、尤其对模拟量难于进行数字处理， 在很多领域里的使用都受到了限制。 5 0 年代以后，随着计算机技术、智能传感器技术、数字信号处理技 术、集成电路技术的迅速发展，工业测控系统的应用研究取得了巨大的 进步。用计算机测控系统取代传统的常规控制系统势在必行【i j 。 1 - 2 2 电机数据采集、保护器的发展方向 系统的智能化。单片机的出现，给许多系统的设计带来了一次重大 的变革。由于单片机的功能适中、价格低廉，能适应工业测控现场的环 境要求，同时人们又把它作为设备的控制器件和总线接口的通信器件， 从而可以利用它构成一个智能化的监控系统。系统一方面控制电路，另 一方面与外部信号打交道，使之可以按一定的通讯协议与别的设备进行 数据交换，从而提高了系统的实时性和整体测控性能，达到一个智能化 的效果。 系统的模块化。随着计算机、大规模集成电路和智能传感器技术的 迅猛发展，新型的外围器件层出不穷。这些新型的外围器件具有功耗低、 接口简单、结构紧凑、可靠性好、精度和性能价格比高等优点，越来越 多地成为监控系统设计者们的首选器件。这使得传感器等外围电路的设 计越来越容易。监控系统的设计越来越致力于系统的功能性设计。越来 越多地采用模块化的设计。它具有设计周期短、互换性好、系统整体性 能好等优点，更有利于产品的更新换代。 器件的新型化。目前，某些新型器件以其高可靠性、高精度、简单 外围电路广泛应用于各种监控系统。其发展速度让人惊讶。为了提高测 东北大学硕士学位论文 第一幸绪论 控系统的性价比，并保持技术上的先进性，增强市场竞争能力，采用新 研制出的器件设计或改进测控系统都是十分必要的。 总之，传统的电子数据采集、保护器已经从模拟技术向数字技术发 展；从单台仪器向多功能仪器的组合型发展；从完全硬件实现功能转向 软、硬件结合实现；未来的数据采集、保护系统除了拥有更强大、更完 善的功能外，同时还将具有自我诊断、自我校准的能力【2 ，3 1 。 1 3 本文所作的主要工作 本文主要做了以下几个方面的工作： ( 1 ) 成功开发出一种智能电机数据采集、保护设备( 该设备包括数据 采集、数据计算、液晶显示、输出保护、面板操作、电机参数的保存、 设定及组网功能) 。 ( 2 ) 采用双c p u 的模式：d s p ( t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ) 4 - a r m ( a t 9 1 m 5 5 8 0 0 ) 模式，由d s p ( 2 4 0 7 ) 完成数据采集，数据计算。由3 2 位处理器 a r m ( a t 9 1 m 5 5 8 0 0 ) 完成后续所有功能。 ( 3 ) 利用硬件、软件相结合的方法增强系统的抗干扰性，提高系统 运行的稳定性。 ( 4 ) 在a t 9 1 m 5 5 8 0 0 上成功移植实时操作系统u c o s i i ，并将上述 应用程序编成任务在u c o s i i 上实现。 ( 5 ) 开发了r s 2 3 2 d e v i c e n e t 协议转换器，并取得阶段性成果。 东北大学硕士学位论文 第二章电机参数计算的基本原理 第二章电机参数计算的基本原理 2 1 原理简述 实际应用中，大功率的用电设备大多采用三相制，这是因为三相制 在技术上和经济上具有重大的优越性。智能电机数据采集、保护器的最 基本的工作原理就是通过对电机运行参数的采集、运算再结合电机的设 定参数来判断电机的运行状态。因此对电机运行时的三相电压、电流值 的采集就尤为重要。在本系统中我们采用了以下的办法：在一个周期内 对分别对正弦三相电压、电流进行采样，采样点数目为1 2 8 个，然后将 采来的离散化的数据进行综合计算。最后得出三相电压、电流的有效值、 电机消耗的有功功率、无功功率、功率因数以及总电量。我们首先对三 相电路相关的知识进行介绍 三相电路一般是由三个频率相同、波形相同而相位不同的正弦电压 作为供电电源并且带有三个负载的电路。三相电源的每一部分成为一个 相。三相电路一般分为对称三相电路和不对称三相电路。 对称三相电路是指三相电压不仅频率相同，波形相同而且相位差相 等。在实际的对称三相电路中，若以一相为a 相，则认为比a 相相位滞 后1 2 0 度的为b 相，再涝后1 2 0 度的为c 相。 当三相电路中电源电压不对称或电路参数不对称时，电路中的电流 般也是不对称的。这种电路称为不对称三相电路了，它是一个复杂的 正弦交流电路。 在三相电路中，负载一般也由三个部分电路组成的。每一部分称为 负载的一个相，这样的整体负载叫三相负载【4 。 2 2 三相制的星型接法和三角形接法 三相电源的基本联接方式有两种。一种是星形联接，或称y 联接； 另一种是三角形联接，或称联接。三相负载也分别对应有星形和三角 形两种基本接法。下面分别介绍这两种接法。 ( 1 1 星形联接 图2 1 中三相电源和三相负载均为星型。 东北大学硕士学位论丈第二章电机参数计算的基本原理 图2 1 犀形l l j 接 f i g 2 1t h ec i r c u i to fs t a rc o n n e c t i o n 端线上的电流称为线电流，每两条端线之阳j 的电压称为线电压。 星形联接又分为两种情况。一种是对称情况下的星形联接，在对称 的星形联接中，相电压对称的情况下，线电压也是对称的。线电压与相 电压有效值之间的关系为；线电压的有效值等于相电压有效值的3 倍。 三个相电流有效值相等，三个线电流有效值也相等。而且有相电流等于 线电流。另外一种则是不对称的星形联接。当三相电路不对称时，线电 压与相电压的关系只服从：线电压等于相应的两个相电压之羞：线电流 与相电流相等。 ( 2 ) 三角形联接 图2 、2 中三相电源和负载都是接成三角形的。 图2 2 三角形联接 f j g2 2t h ec i f c u i to fd e l t ac o n n e c t i o n b 东北大学硕士学位论文第二章电机参数计算的基本原理 三角形联接又分为两种情况。种是对称情况下的三角形联接， 在对称的i 角形联接中。线电流与相电流有效值之问的关系为：线电流 的有效值等于相电流有效值的3 倍。二个相电压有效值相等，三个线电 压有效值也相等。而且有相电压等于线电压。另外一种则足不对称的二： 角形联接。当_ 三相电路不对称时，线电流与相电流的关系只服从：线电 流等于相应的两个相电流之差；线电压与相电压相等。 2 3 对称三相电路的计算 由对称三相电源与对称三相负载构成的电路是对称三帽电路，i - j 以 用正弦电路的+ 般分析方法求解。然而，对于现场的计算，我们有必要 寻求简便适用的计算方法。 ( 1 ) 星形联接的对称三相电路。对于y y 联接的对称二相电路，经 过分析与计算得到：对称三相正弦电源y y 联接电路中，无论中线阻抗 为何值，负载中性点和电源中性点之问的电压恒为零。根据这一特点， 假想用一无阻抗的的导线将电源和负载的中- l 生点连接起来是不会影响电 路工作的。由丁添上这一假想中线，便可以简化计算过程。由此可以得 出：对丁对称三相萨弦电源y y 联接电路，可以耿卅一相按币卡h 电路计 算。其余两相的电流、电压可根据结果直接写出。只是相位的值不同而 已。 ( 2 ) 三角形联接的对称三相电路。如丽所述：对于比较复杂的三角 形联接的对称三相电路可以将其化为单相电路计算。其步骤如下：首先 把二角彤联接的对称三相电路都化为等效星型连接：然后，画一条假想 的中线把所有的电源和负载的中性点都联接起来，原有巾线上的5 且抗均 被设想为中线短路；之后取出一相计算；再推算其他两相的电压、电流。 2 4 不对称三相电路的计算 当三相电路中电源电压不对称或电路参数不对称时，电路中的电流 一般也是刁i 对称的。这种电路称为不对称三相电路了。不对称二三相电路 巾各相电流一般不存在有效值相等、相位相差12 0 度的关系。所以不能 直接化为单相电路计算，而要作为一般的正弦电路分析。它也一般分为 两种情况。 ( 1 ) 对称三相电源向不对称三相负载供电的情况。可以根据节点浊写 出两个中性点的节点电压。我们可以得到负载中性点与电源中性点的电 东北大学硕士学位论文第二章电机参数计算的基本原理 位不重合的结论。这种现象称为负载中性点的位移。那么，中性点的位 移越大，负载的相电压的不对称情况就越严重。为了减小或消除负载中 性点的位移，应该尽量减小中线阻抗。这样即使负载阻抗不对称也能保 持负载相电压对称。 ( 2 ) 不对称三相电源向对称三相负载供电的情况。但是考虑到电路是 线性的。可以将给定的不对称电压和待求的不对称电流分别分解为零序、 正序、负序三组对称的电压分量和电流分量，然后分析每组对称的电 压分量和电流分量，此时仍然可以化为单相电路来计算。分别算出三个 待求的分量，然后叠加f ”。 2 5 计算公式的推导 所有的正弦量都需要用振幅、初相和角频率这三个要素来表示其特 征。周期正弦电流、电压的瞬时值都随时间而变化，在计算正弦电流、 电压电路时不仅关心各正弦量的振幅还要计算它们之间的相位关系。当 讨论正弦电流做功的问题时，引用振幅来表征会带来许多不便。为了确 切地衡量其做功本领的大小，在工程实际中，采用了一个能反映正弦量 做功效果的量值，称为有效值。使得当交流有效值与直流相等时，二者 做功的平均效果相等。下面根据这个想法来推导周期电流有效值的计算 公式。 设已知周期电流i = f ( t ) 和直流1 分别通过相同的电阻r 。电流在微 分时间西内作的功d w 如下式2 1 所示： d w = iz r d t ( 2 1 ) 在一个周期，内做功如下式2 2 所示： w = f i 2 r d t ( 2 2 ) 量值为i 的直流在时间r 内做功彬如下式2 3 所示： 彤= 1 2 r d t( 2 3 ) 根据上述有效值的概念有肜= ，于是推导出： ，= 冉r f 锄 【2 a ) 东北大学硕士学位论文第二章电机参数计算的基本原理 此式表明：周期电流的有效值乃是瞬时值的平方在一个周期内的平均值 再开平方根。 同样，设已知周期电压“= f ( t ) 和电压u 分别通过相同的电阻r 。 电压在微分时间西内作的功d w 如下式2 5 所示： d w = 02 r ) d t( 2 5 ) 在一个周期r 内做功如下式2 6 所示： w 1 = f ( “2 月渺 ( 2 6 ) 量值为u 的电压在时间r 内做功矿“如下式2 7 所示： w “= ( u 2 r ) t ( 2 7 ) 根据上述有效值概念有w 1 j w “，于是推导出： 阽拧r r ) d r ( 2 8 ) 此式同样表明：周期电压的有效值乃是瞬时值的平方在一个周期内的平 均值开平方根。 由于在本系统中我们利用的是a d 采样，采来的都是数字化离散量， 所以必须对上面的公式进行离散化，假设采样点数为n 个，则t = n a t ， 班= 血，则上述公式变为： i = 阿= 阿= 再 ( 2 9 ) 而且这个公式不仅仅只适用于正弦交流电，即使有一定的干扰和谐 波，也是完全成立的。 同样的道理可以得到： u = ( 2 ，1 0 ) 而平均功率p 是瞬时功率在一个周期内的平均值，同样的道理将其离散 化，就可以得到： 尸2 辛，i ， 东北大学硕士学位论文 第二章电机参数计算的基本原理 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。当线路接法是三相三线 制时，三相负载的平均功率为： p = 只+ 只+ 品 ( 2 1 2 ) 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 + 岛+ p c = l f 口+ z l 目。蠢+ “c 0 七 ( 2 1 3 ) 其中o 点是等效星形负载的中点。根据基尔霍夫第定律： + + 电= 0 ( 2 1 4 ) 有： i c = 一一 ( 2 15 ) 代入上式，则瞬时功率为： p = t t a o i + “b o 一“c 0 ( f 。+ ) = ( “o 一”) + ( u 。o 一”) = u a c i a + u b c ( 2 1 6 ) 于是，三相总的平均功率为： p = 1 = ；r u a c i a d t + 专r “。乇出 = u c 1 ac o sc p t + u b c l 8 c o s c p z = 只+ e ( 2 ，1 7 ) 根据同样的离散道理可知，在连接方式为三相三线制时，整个负载的平 均功率： p = 暑+ 最 ( 2 1 8 ) 2 6 电机故障判断的理论依据 根据电机运行状态下的三相电压，三相电流的实时值和电机额定参 数的对比情况去判断电机是否运行在异常情况( 过压，欠压，过流，断相， 电流不平衡1 。由于不同的电机的额定参数的值是不一样的。因此，能够 根据实际情况随时改变电机的额定参数是十分必要的。本系统中可以设 定和改变的电机额定参数有：额定电流、额定电压、保护动作时间、变 比。此外还有针对判断电机各种异常情况的设定参数有：过压比、欠压 东北大学硕士学位论文第二章电机参数计算的基本原理 比、过流比、断相比、电流不平衡比，( 具体额定参数见下表2 1 ) ： 其一般性定义如下： 过压：任意时刻，电机任何一相实时相电压值大于额定电压值与过压比 的乘积则认为此时刻电机处于过压状态。 欠压：任意时刻，电机任何一相实时相电压值小于额定电压值与欠压比 的乘积则认为此时刻电机处于欠压状态。 过流：任意时刻，电机任何一相实时相电流值大于额定电流值与过流比 的乘积则认为此时刻电机处于过流状态。 断相：任意时刻，电机任何一相实时相电流值小于断相比值则认为此时 刻电机处于断相状态。 电流不平衡：任意时刻，电机任何一相实时相电流值减去此时刻三相实 时相电流平均值大于三相实时相电流平均值与电流不平衡比的乘积则认 为此时刻电机处于电流不平衡状态1 6 , 7 1 。 过压异常( 欠压异常、过流异常、断相异常、电流不平衡异常) ：则是指 电机一直运行在过压( 欠压、过流、断相、电流不平衡) 状态下并持续了 一定的时间f 作为参数可以设定、修改) 。 表2 1 电机相关参数 t a b l e2 1p a r a m e t e r so fm o t o r 实对参数符号符号意义额定参鼗符号符号意义 u a a 相相电压 u e额定电压 i a a 相相电流 i e 额定电流 u b b 相相电压 i r 变比 i b b 相相电流g过压比 u c c 相相电压q 犬压比 i c c 相相电流 i m过流比 p 有功功率 d 断相比 q无功功率 i n电流不平衡比 f 交流电频率b 1通讯波特率 e 电机消耗总电量 a d垃各地址 c功率因数t过流保护时问 t l 启动保护时间 当电机出现异常时，系统推动继电器切断电机供电电源。 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 3 1 系统概述 智能电机数据采集、保护器是针对目前各类企业使用的各种低压交 流回路和交流电动机而开发的产品，具有电压、电流、有功功率、无功 功率、功率因数、频率、电量等多种参数检测以及过压、欠压、过流、 断相、电流不平衡等多种保护功能。本系统采取双c p u 方案。电压、电 流、有功功率、无功功率、功率因数、频率、电量计算采用 d s p ( t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ) 完成】，键盘输入、液晶显示、通信采用3 2 位嵌入 式处理器a r m ( a t 9 l m 5 5 8 0 0 ) 实现。具有处理速度快，功能完善等特点。 它集成了计算机技术、电子技术等多项高新技术，具有较大的灵活性、 广泛的适应能力和高度的可靠性。广泛应用于矿山、冶金、电力、石油 化工等各领域的低压供电系统。系统主要完成以下功能： ( 1 ) 由模拟电路完成对三相电压、三相电流以及电源频率的采样。 七路采样信号分别接到前端c p u ( d s p ) 芯片的a d 转换接口中。前端 c p uf d s p ) 芯片对数据进行运算，然后再通过一路标准r s + 2 3 2 串口将运 算出来的值送给后端的c p u ( a t 9 1 m 5 5 8 0 0 ) 的一路串口 9 】。 ( 2 ) a t 9 1 m s 5 b o o 通过i 0 扩展将携带液晶屏，可以根据需要显示电 机的所有参数及相关状态的提示信息。在正常工作时将会循环显示电机 的实时参数。 f 3 ) 通过i 0 扩展的键盘和液晶屏的配合操作可以实现：固定显示任 一项实时参数、固定显示任一项设定参数、修改任一项设定参数、对系 统进行复位。 f 4 ) a t 9 1 m 5 5 8 0 0 通过第二路的标准r s 一2 3 2 串口可以实现点对点的 监控，上位机可以监控电机的运行状况：监控电机实时参数、监控电机 设定参数、修改电机设定参数。 ( 5 ) a t 9 1 m 5 5 8 0 0 通过第三路的标准r s 4 8 5 串口可以组网实现一对 多的监控。由于不同电机在网络上地址不同，上位机因此可以监控网络 中任何一台电机的运行状况；监控电机实时参数；监控电机设定参数； 修改电机设定参数。 f 6 1a t 9 1 m 5 5 8 0 0 通过i o 口来控制继电器以实现对电机的供电电源 的切断，达到保护的目的。同时面板上相应的异常指示灯亮起。并且液 东| b 大学硕士学位论文 第三章系统硬件设计 晶屏上显示相应的提示文字。 ( 7 ) 可以通过对a t 9 l m 5 5 8 0 0 扩展的e e p r o m 的读写实现电机的额 定参数的存储和取出。 ( 8 ) 为了方便操作系统的移植，a t 9 l m 5 5 8 0 0 还外扩了r a m 和 f l a s h 。 综合以上各项功能。 系统整体硬件的设计框图如下图( 3 1 ) 所示。 睦篁通道v d a n 0 0 e c a l a 2 0 ，d o d 1 5 ) 陡壅通道a d c i n 0 1 p i o ( b o b l 窿燕通道d c r n 0 2 p i o ( b 11 b 1 5 ) 曝照诵谐 u s a r t 2u s a r t 0 d o 心i 0 3s c i 医塞通道a d a f n 0 4 u s 觚t l 医垒通道a d c i n 0 5p i o ( a 0 a 1 ) 窿量通道c a p l t m i ( j a a 2 0 ，d o d 1 5 ) 图3 1 系统整体硬件设计框图 f i g3 1t h et o t a lf i go fh a r d w a r ed e s i g n e d 3 2 前端数据采集、处理模块的硬件设计 前端数据采集、处理模块是采用d s p ( t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ) 作为c p u 的， 通过采集电路采样将电机的三稆电压，三相电流的瞬时值转换成o 一3 伏 的模拟量送入d s p ( t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ) 的a i d 转换模块。再经过计算、处理 后将三相相电压、电流有效值、电机的有功功率、无功功率、功率因数、 交流电源频率以及电机消耗的总电量送到后端控制模块。其中两个模块 东北大学硕士学位论文第三章系统硬件设计 之间数据的传送是通过串口来实现的。这部分的硬件框图如图3 2 所示 田引刖首 4 d c i n o o 数据传送 匝，焦诵谐 d c i n o ls a u s a r 他 匝产 d c i n 0 2 臣产 a d c i n 0 3 l ! ! 严 d a n 0 4 匹) 燕诵谱 a d c i n 0 5 外扩r a m 阿订巨趱 c a p l 图3 2d s p 的硬件设计框图 f i g3 2t h ef i go fh a r d w a r ed e s i g n e df o r1 ) s p 由图( 3 2 ) 中我们可以看出，这部分硬件设计分为四个部分。电流的 采集电路、电压的采集电路、交流电源频率的采集电路以及串口( 2 3 2 ) 通 讯。下面分别作介绍。 ( 1 ) 电流采集电路的设计和工作原理： 从图3 3 中可以看到( 以a 相为例) ，电流通过电流互感器后在s 1 、p 点之间产生电流i 。同时由于器件u l c 的两个输入端9 和1 0 是虚短的， 它们相对地的电压为0 。所以u 1 c 的输出端8 存在电压，我们设为u 8 ， u 8 的值就等于电流i 与v r l 的乘积。由图中还可以看出u l d 的输入端 1 2 点的电压值就等于u 8 加上2 5 v 。这样就将a 相电流的值转换为u 1 d 的输出端1 4 的电压值u 1 4 。可以得知电压值u 1 4 与a 相电流值呈线性 关系。电压值u 1 4 再经过电阻r 3 的限流保护和二极管d 1 和d 2 保护， 东北大学硕士学位论文第三章系统硬件设计 ( 当u 1 4 大于3 v 或小于0 v 的时候二极管d 1 和d 2 会作用) 将会以一个 电压值( o 一3 v ) 送入d s p 的a d 转换接口 i i , 1 2 。 囝3 3电流采集电路 ( 2 ) 电压采集电路的设计和工作原理： 从图3 4 中可以看到( 以a 相为例) ，电压通过电压互感器在s 4 段产 生电流i 。同时由于器件u 1 a 的两个输入端2 和3 是虚短的，它们相对 地的电压为0 。所以u 1 a 的输出端1 存在电压，我们设为u 1 。u 1 的值 就等于电流i 与v r l 的乘积。由图中还可以看出u 1 b 的输入端5 点的电 压值就等于u 1 加上2 5 v 。这样就将a 相电压的值转换为u 1 b 的输出端 7 的电压值u 7 。可以得知电压值u 7 与a 相电压值呈线性关系。电压值 u 7 再经过电阻r 3 的限流保护和二极管d 1 和d 2 保护，( 当u 7 大于3 v 或小于0 v 的时候二极管d 1 和d 2 会作用) 将会以一个电压值( o 一3 v ) 送 入d s p 的a ，d 转换接口l l3 1 。 东北大学硕士学位论文 第三章系统硬件设计 图3 4电压采集电路 ( 3 ) 电源频率采集电路的设计和工作原理： 从图3 5 中可以看到( 由于a 相电压的频率与电源致，所以从a 相 电压捕获) ，电压通过电压互感器在s 4 段存在电流。基于电压采集电路 的分析，我们在u 2 a 的输入端2 上得到和a 相电压周期相同的波形，在 此基础上加上波形转换，使电源正弦波信号变成方波信号送入d s p 的捕 获引脚进行过零点捕获，从而获得输入电压的频率。在此次系统设计过 程中，认为三相电压以及三相电流的周期是一致的。 圈3 5 电源频率捕获电路 东北大学硕士学位论文 第三章系统硬件设计 ( 4 ) d s p 与a t 9 1 m 5 5 8 0 0 之间数据传送电路的设计和工作原理： 如下图( 3 6 ) 所示。由于d s p 要将计算完的数据传送给a t 9 l m 5 5 8 0 0 以便于后端各项功能的实现。这些数据可以说是后端各项功能实现的基 础。因此两模块之间数据的传送是十分重要的。据此，在d s p 和 a t 9 l m 5 5 8 0 0 的串口上都扩展了2 3 2 的芯片，d s p 使用的是一路串口， a t 9 1 m 5 5 8 0 0 使用的是一路串1 2 12 。从图( 3 6 ) 中可以看到，d s p 将数据通 过引脚s c i t x d 发送，经过2 3 2 芯片( u 1 ) 的转化后由u 1 的1 7 脚发出( 2 3 2 芯片可将1 7 脚上的电平值转变到1 2 v 左右，这样便于数据在线上的传 输) ，然后由2 3 2 芯片( u 2 ) 的8 脚接收，经过2 3 2 芯片的转化( 将电平值转 变回3 v 左右) ，再由u 2 的1 0 脚传给a t 9 l m 5 5 8 0 0 一路串口2 。这样就 完成了由d s p 将数据传到a t 9 1 m 5 5 8 0 0 的工作过程。 一卜篓、j 意卜删卜可侍墨、o i 鬟，l 却h 一卜 ，“。t ，。1 ： i 盼 c 旷” ；黼，爨 三一咖卜 誉礴嚣壤：牛广_ l 牛 b l f i 豳。 1 3s c r r x d d s 州 t x d 2 r m 批j m ) 【r 。蠢滋! 番巅 篓磐! 晒豳 1 5 也一l 且 卧霸商氡南面 k 一 疆珊c m 上的_ 【”1 i 一 吐d 蜥豇舡雕。 嚣： 图3 6d s p 、a t 9 1 m 5 5 8 0 0 问的数据传送电路 f i g3 5t h ec i r c u i to ft r a n s f e r i n gd a t ab e t w e e nd s p a n da t 9 i m 5 5 8 0 0 ( 5 ) d s p ( t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ) 简介： t m s 2 3 0 l f 2 4 0 7 系列d s p 专为实时信号处理而设计，它将实时处理能 力和控制器外设功能集于一身，为控制系统应用提供了一个理想的解决 方案。它具有如下特点： 1 ) 灵活的指令集。 2 ) 高速的运算能力。 3 ) 有效的成本。 4 ) 改进的并行结构。 5 ) 供电电压降为3 3 伏，减小了控制器的功耗。 6 ) 片内有高达3 2 k 字的f l a s h 程序存储器，5 4 4 字的双口r a m 和 2 k 字的单口r a m 。 东北大学硕士学位论文 第三章系统硬件设计 7 ) 可扩展的外部存储器。 8 ) 看门狗定时器模块。 9 ) 两个8 通道的l o 位a d 转换器。 10 ) 串行通信接口。 1 1 ) 高达4 0 个可编程或复用的通用i o 脚。 1 2 ) 5 个外部中断。 在本系统设计过程中，我们使用了d s p ( t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ) 1 0 。 3 3 后端处理模块的硬件设计 后端处理模块是采用a t 9 t m 5 5 8 0 0 微控制器来实现的，结合它所要 实现的功能( 液晶显示、键盘操作、e e p r o m 数据存储、点对点监控、4 8 5 组网、继电器保护) 可以画出如下图3 7 所示的硬件设计的简体框图。 e b i ( a 1 a 2 0 ，d o d 1 5 ) d c i n 0 0 p i o ( b 0 b 1 0 ) d c i n 0 1 p i o ( mi b 1 5 ) a ，d c i n 0 2 数据传送 a d c i n 0 3s c i u s a r t 2 u s a r ，r 0 a d c 玎v 0 4 u s a r t l p i o ( a 0 ，a 1 ) d c i n 0 5 c a p l e b i ( a 1 一a 2 0 ，d o d 1 5 ) 圈3 7a t 9 i m 5 5 8 0 0 韵硬件设计框图 f i g3 7 t h ef i go fh a r d w a r ed e s i g n e df o ra t 9 1 m 5 5 8 0 0 由图( 3 7 ) 中我们可以看出，这部分硬件设计分为七个部分。标准 r s 2 3 2 串口2 ( d s p 传数据) 电路、标准r s 一2 3 2 串口o ( 点对点监控) 电路 东北大学硕士学位论文 第三章系统硬件设计 1 4 a5 、标准r s 4 8 5 串口l 组网电路、e e p r o m 存储数据电路、键盘操 作电路、液晶显示电路、继电器保护电路以及外扩r a m 的电路。下面 将会分别作介绍 1 6 , 17 。 3 3 1c p u 的选择与介绍 a t 9 1 m 5 5 8 0 0 为a t m e l 公司基于a r m 7 核的1 6 3 2 位的微控制器 家族成员。其处理器核为高性能的3 2 位r i s c 体系结构，并具有高密度 的1 6 位指令集和极低的功耗。此外，微控制器内部的大量分组寄存器可 以得到非常快速的异常处理，以满足实时控制应用的要求。而且功耗很 低。 a r m 嵌入式处理器是一种高性能、小体积、低功耗的r i s c 芯片( 精 简指令集，r i s c 指令集和相关的译码机制比复杂指令集计算机的设计更 简单。r i s c 指令集可得到：高的指令吞吐量，出色的实时中断响应，体 积小、性价比高的处理器宏单元) 。耳前它广泛用于智能仪表网络。消费电 子产品。 a r m 系列芯片已成为许多嵌入式解决方案的标准。a r m 嵌入式处 理器本身是3 2 位设计，但也配备1 6 位t h u m b 指令集，以允许软件编码 为更短的1 6 位指令。它与等价的3 2 位代码相比所占用的空间节省了很 多，然而却保留了3 2 位系统的所有优势。t h u m b 状态与正常的a r m 状 态之间的转换是不需要开销的。这就允许设计者完全控制其软件的优化。 a r m 7 t d m i 处理器是a r m 7 处理器系列成员之一，是目前应用很广的 3 2 位高性能嵌入式r i s c 处理器。a r m 7 t d m i 核使用流水线以提高处理 器指令的流动速度。流水线允许几个操作同时进行，并允许处理和存储 系统连续操作。因此，指令的执行分3 个阶段：取指、译码和执行。当 正常操作时，在执行一条指令时，其后续的一个指令译码，且第3 条指 令从存储器中取指令。 a t 9 1 m 5 5 8 0 0 通过完全可编程的外部总线接口( e b i ) 直接连接到片外 存储器，使读或写操作最快可以达到一个时钟周期。同时，8 优先级向 量中断控制器和片内外围数据控制器显著地提高了器件的实时性能。 a t 9 1 m 5 5 8 0 0 将带有片内s r a m 的a r m 7 t d m i 处理器核、各种外围功 能模块、模拟接口和低功耗振荡器集成在一起 1 8 , 19 , 2 0 。 a t 9 l m 5 5 8 0 0 的特点如下： ( 1 ) 集成了a r m 7 t d m ia r mt h u m b 处理器核。高性能的3 2 位r i s c 体 东北大学硕士学位论文 第三章系统硬件设计 系结构、高密度的1 6 位指令集、嵌入式i c e 。 ( 2 ) 8 k b 片内s r a m 、3 2 位数据总线宽度、单时钟周期访问。 ( 3 ) 完全可编程的外部总线接口( e b i ) 、最大可寻址空间为6 4 m b 、8 个外 部片选线、软件可编程的8 位或1 6 位外部数据总线。 ( 4 ) 8 优先级、可单独屏蔽的向量中断控制器、7 个外部中断，包括一个 高优先级、低延迟的中断请求。 ( 5 ) 5 8 个可编程i o 口线。 ( 6 ) 6 通道1 6 位定时器计数器、6 个外部时钟输入、每通道有两个多功 能u o 引脚。 ( 7 ) 3 个u s a r t ( 串口) 。 ( 8 ) 主从式s p i 接口、8 - 1 6 位可编程数据长度、4 个外部从芯片选择。 ( 9 ) 可编程的看门狗定时器。 f 1 0 ) 8 通道1 0 位的a d 。 n 1 ) 2 通道1 0 位的d a 。 ( 1 2 ) 采用片内主振荡器和p l l 倍频的时钟产生器。 ( 13 ) 先进电源管理控制器。 3 3 2 后端模块硬件的分别介绍 ( 1 ) 外围r a m 和f l a s h 的扩展： 考虑到系统将来的扩展以及进行操作系统的移植，本系统外扩了1 6 位的r a m 和f l a s h 。如下图3 8 所示。其中的u 4 为1 6 位的1 m 字节 空间的r a m ，而u 5 为低8 位的5 1 2 k 字节的f l a s h 。由图可以看