摘 要：本文介紹了基于高性能嵌入式單片機MB90F543G的電動機微機保護控制器，該控制器集CPU、RAM、ROM、定時器、UART 、CAN網口于一體具有高可靠性，低功耗，實時計算速度快，網絡化，冗余備份，資源共享等特點，同時結構緊湊，抗電磁干擾性能、抗震動性能良好。 關鍵詞：電動機，微機，保護控制器 1 前言 　　各種高低壓型電動機是電力系統中的主要負載之一，因此電動機的保護亦最具重要性。隨著計算機技術的發展，電動機保護器正朝著微機化，智能化，綜合化，高可靠性方向發展[1]。 　　保護裝置最重要和最基本的要求是可靠性。電動機微機保護器的可靠性，在某種程度上取決于CPU本身的可靠性和其抗電磁干擾的能力，而采用總線不出芯片的CPU是國內外公認的最可靠方案。由于CPU的運算速度和位數對可靠性不產生直接影響[2]，因此綜合考慮可靠性與運算速度，本保護器選用富士通的MB90F543G作為保護CPU。MB90F543G作為新一代增強型單片機，具有類DSP的結構、4M外部主頻、內嵌32位計算指令，高速的32 bit 乘除法加減法、最短指令周期達62.5ns，以及128KFLASH 和豐富的外設（雙CAN、雙UART、SPI、豐富的IO口），使其易實現多任務實時操作系統。現對該保護器做以下介紹。 2 保護器的硬件系統 　　該保護器由交流采樣板（AC）、主控板（CPU）、電源邏輯板（LOGIC）、跳閘板（TRIP）、人機接口板（MMI）構成。 　　2.1 AC板 　　AC板包括電壓輸入和電流輸入兩個部分，其原理見圖1所示。電壓輸入元件由電壓互感器構成，電流輸入元件由電流互感器和并聯電阻構成。 [align=center] 圖1 AC板原理圖[/align] 　　2.2 CPU板 　　CPU板由七個部分構成：單片機部分、E2PROM、開關量輸入電路、開關量輸出電路、通信線光電隔離電路、實時時鐘RTC及AD模數轉換部分。其中的單片機部分的核心為高度集成的芯片MB90F543G，因此，在CPU板上沒有了外引總線，大大提高了裝置的抗電磁干擾能力。CPU板上各部分之間的關系見圖2所示。 [align=center] 圖2 CPU板原理圖[/align] 　　2.3 LOGIC板 　　LOGIC板上由微型繼電器構成跳、合閘及告警信號等邏輯，其原理見圖3所示。它具備在電機故障時發出保護跳閘、遠方跳閘、遠方合閘指令;裝置故障時切斷CPU板的24V電源;裝置告警時發告警信號等功能。并具備信號復歸及將電源220V AC變換成24V DC 的功能。 [align=center] 圖3 LOGIC板原理圖[/align] 　　2.4 TRIP板 　　TRIP板具備保護合閘保持、保護跳閘保持、手動合閘、手動跳閘、防跳等功能，同時能夠監視控制回路的完好性。 　　2.5 MMI板 　　MMI板由CPU芯片（另一塊MB90F543G）、CAN網絡驅動器、鍵盤和液晶、信號指示燈、時鐘、復歸按鈕等構成，能夠完成鍵盤響應、菜單操作、液晶顯示、與CPU通訊、信號批示、復歸及確認操作等功能，各部分之間的關系見圖4所示。MMI板選擇了128＊64點陣式液晶屏，其接口與CPU板通過Can網絡連接，速度高、響應快。 [align=center] 圖4 MMI板原理圖[/align] 3 保護器的軟件設計 　　3.1 保護器主程序 　　電動機微機保護器主程序框圖見圖5所示.初始化（一）是對單片微機及其擴展芯片的初始化，使保護輸出的開關量出口初始化，賦以正常值，以保證出口繼電器均不動作。初始化（一）是運行與監控程序都需要用到的初始化程序。初始化（二）包括采樣定時器的初始化、控制采樣間隔時間、對RAM區中所有運行中要使用的軟件計數器及各種標志位清零等程序。初始化之后，進入運行之前應開始模數轉換，并進行一系列采樣計算,每隔0.625ms（32點采樣）時間發出一次采樣中斷請求信號。 每當中斷服務程序結束后又回到自檢循環并繼續等待中斷請求信號, 主程序如此反復自檢、中斷進入不斷循環階段，這是保護運行的重要程序部分。 [align=center] 圖5 主程序框圖[/align] 　　3.2 采樣中斷服務程序 　　采樣中斷服務程序主要包括采樣計算，PT斷線檢測和保護起動元件三個部分。進入采樣中斷服務程序，首先進行采樣,采樣后采用FFT算法計算其實時有效值，然后將各有效值存入隨機存儲器RAM的對應地址單元內。在保護判斷起動之前，先檢查PT二次是否斷線。 為了提高保護動作的可靠性，保護裝置的出口均經起動元件閉鎖，只有在保護起動元件起動后，保護裝置出口閉鎖才被解除。在微機保護裝置里，起動元件是由軟件來完成的。保護采用相電流突變量起動方式。采樣中斷服務程序框圖見圖6所示. [align=center] 圖6 采樣中斷服務程序框圖[/align] 　　3.3 故障處理程序 　　故障處理程序包括保護軟壓板的投切檢查、保護定值比較、保護邏輯判斷、跳閘處理程序和后加速部分。保護邏輯函數包括過流保護glbh（）、過負荷保護gffbh（）、電機起動時間過長保護qdbh（）、堵轉保護dubh（）、零序過流保護lxbh（）、負序過流保護fxbh（）、低電壓保護dybh（）、PT斷線檢測chkPT（）、低周減載dzjz（）、失壓保護sybh（）。在各保護邏輯判斷中，如A相的數值型定值未超定值或邏輯判斷程序未判保護動作則進入B相及C相的邏輯判斷和故障處理程序。故障處理程序框圖見圖7所示。 [align=center] 圖7 故障處理程序框圖[/align] 4 基于MB90F543G的電動機微機保護控制器的型式試驗 　　根據上述介紹，電動機微機保護控制器構成見圖8所示。保護裝置作為新一代嵌入式微機保護器，采用高性能低功耗的增強型微控制器，具有類DSP結構和32位計算指令。高可靠性CPU 、 RAM、 ROM、定時器、UART 、CAN網口等集成于一片，實現了低功耗、速度快、網絡化。高精度實時時鐘具備GPS自動對時功能，可實現站內系統的同步采樣，其E2PROM用于存放設備參數和保護定值。大容量的鐵電存儲器可保存故障錄波數據及32個事件報告，所有數據掉電不消失。保護裝置采用標準4U高度機箱，內部采用前MMI板后插件結構，AC板、CPU板、LOGIC板、TRIP板通過一背板插裝連接，裝置前端的MMI板通過CAN驅動器A82C250與CPU板進行數據通訊。內部插件可以拔出，調試檢修極為方便，并與MMI板構成一有機整體，結構緊湊，抗干擾性能、抗震動性能良好。目前，基于MB90F543G的電動機微機保護控制器已進行了型式試驗，試驗結果顯示了其主要性能皆優于國標要求（詳見附表一、附表二），可廣泛應用于2000kW以下不設縱差保護的高壓異步電動機，或2000kW以上的異步機或同步機的后備保護。 [align=center] 圖8 保護裝置構成示意圖[/align] 附表一 附表二 　　本文作者創新點：自主開發的這套裝置選用類DSP結構的高性能嵌入式單片機作為保護CPU，14位的高精度AD芯片作為保護模數轉換，使其測量精度與保護可靠性相比同類產品都有提高。另外，內部采用前MMI板后插件結構，使裝置結構緊湊，抗干擾性能、抗震動性能良好。 參考文獻: 　　[1]王道乾. 嵌入式系統在變電站繼電保護系統中的應用[J] 工業控制技術,2006,6 　　[2]施慧莉 張雪娟. 基于DSP的智能電機保護器設計[J] 微計算機信息,2006,14:179-181 　　[3]劉 強. 微機保護裝置中央處理器的選擇探討[J] 江西電力職業技術學院學報,2006 　　[4]陳德樹. 微機繼電保護[M].北京：中國電力出版社，2000