摘 要：本文介紹了基于高性能嵌入式單片機(jī)MB90F543G的電動(dòng)機(jī)微機(jī)保護(hù)控制器，該控制器集CPU、RAM、ROM、定時(shí)器、UART 、CAN網(wǎng)口于一體具有高可靠性，低功耗，實(shí)時(shí)計(jì)算速度快，網(wǎng)絡(luò)化，冗余備份，資源共享等特點(diǎn)，同時(shí)結(jié)構(gòu)緊湊，抗電磁干擾性能、抗震動(dòng)性能良好。 關(guān)鍵詞：電動(dòng)機(jī)，微機(jī)，保護(hù)控制器 1 前言 　　各種高低壓型電動(dòng)機(jī)是電力系統(tǒng)中的主要負(fù)載之一，因此電動(dòng)機(jī)的保護(hù)亦最具重要性。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，電動(dòng)機(jī)保護(hù)器正朝著微機(jī)化，智能化，綜合化，高可靠性方向發(fā)展[1]。 　　保護(hù)裝置最重要和最基本的要求是可靠性。電動(dòng)機(jī)微機(jī)保護(hù)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(xiàn)不出芯片的CPU是國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的最可靠方案。由于CPU的運(yùn)算速度和位數(shù)對(duì)可靠性不產(chǎn)生直接影響[2]，因此綜合考慮可靠性與運(yùn)算速度，本保護(hù)器選用富士通的MB90F543G作為保護(hù)CPU。MB90F543G作為新一代增強(qiáng)型單片機(jī)，具有類(lèi)DSP的結(jié)構(gòu)、4M外部主頻、內(nèi)嵌32位計(jì)算指令，高速的32 bit 乘除法加減法、最短指令周期達(dá)62.5ns，以及128KFLASH 和豐富的外設(shè)（雙CAN、雙UART、SPI、豐富的IO口），使其易實(shí)現(xiàn)多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)?，F(xiàn)對(duì)該保護(hù)器做以下介紹。 2 保護(hù)器的硬件系統(tǒng) 　　該保護(hù)器由交流采樣板（AC）、主控板（CPU）、電源邏輯板（LOGIC）、跳閘板（TRIP）、人機(jī)接口板（MMI）構(gòu)成。 　　2.1 AC板 　　AC板包括電壓輸入和電流輸入兩個(gè)部分，其原理見(jiàn)圖1所示。電壓輸入元件由電壓互感器構(gòu)成，電流輸入元件由電流互感器和并聯(lián)電阻構(gòu)成。 [align=center] 圖1 AC板原理圖[/align] 　　2.2 CPU板 　　CPU板由七個(gè)部分構(gòu)成：?jiǎn)纹瑱C(jī)部分、E2PROM、開(kāi)關(guān)量輸入電路、開(kāi)關(guān)量輸出電路、通信線(xiàn)光電隔離電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC及AD模數(shù)轉(zhuǎn)換部分。其中的單片機(jī)部分的核心為高度集成的芯片MB90F543G，因此，在CPU板上沒(méi)有了外引總線(xiàn)，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(guān)系見(jiàn)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(gòu)成跳、合閘及告警信號(hào)等邏輯，其原理見(jiàn)圖3所示。它具備在電機(jī)故障時(shí)發(fā)出保護(hù)跳閘、遠(yuǎn)方跳閘、遠(yuǎn)方合閘指令;裝置故障時(shí)切斷CPU板的24V電源;裝置告警時(shí)發(fā)告警信號(hào)等功能。并具備信號(hào)復(fù)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(hù)合閘保持、保護(hù)跳閘保持、手動(dòng)合閘、手動(dòng)跳閘、防跳等功能，同時(shí)能夠監(jiān)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(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)器、鍵盤(pán)和液晶、信號(hào)指示燈、時(shí)鐘、復(fù)歸按鈕等構(gòu)成，能夠完成鍵盤(pán)響應(yīng)、菜單操作、液晶顯示、與CPU通訊、信號(hào)批示、復(fù)歸及確認(rèn)操作等功能，各部分之間的關(guān)系見(jiàn)圖4所示。MMI板選擇了128＊64點(diǎn)陣式液晶屏，其接口與CPU板通過(guò)Can網(wǎng)絡(luò)連接，速度高、響應(yīng)快。 [align=center] 圖4 MMI板原理圖[/align] 3 保護(hù)器的軟件設(shè)計(jì) 　　3.1 保護(hù)器主程序 　　電動(dòng)機(jī)微機(jī)保護(hù)器主程序框圖見(jiàn)圖5所示.初始化（一）是對(duì)單片微機(jī)及其擴(kuò)展芯片的初始化，使保護(hù)輸出的開(kāi)關(guān)量出口初始化，賦以正常值，以保證出口繼電器均不動(dòng)作。初始化（一）是運(yùn)行與監(jiān)控程序都需要用到的初始化程序。初始化（二）包括采樣定時(shí)器的初始化、控制采樣間隔時(shí)間、對(duì)RAM區(qū)中所有運(yùn)行中要使用的軟件計(jì)數(shù)器及各種標(biāo)志位清零等程序。初始化之后，進(jìn)入運(yùn)行之前應(yīng)開(kāi)始模數(shù)轉(zhuǎn)換，并進(jìn)行一系列采樣計(jì)算,每隔0.625ms（32點(diǎn)采樣）時(shí)間發(fā)出一次采樣中斷請(qǐng)求信號(hào)。 每當(dāng)中斷服務(wù)程序結(jié)束后又回到自檢循環(huán)并繼續(xù)等待中斷請(qǐng)求信號(hào), 主程序如此反復(fù)自檢、中斷進(jìn)入不斷循環(huán)階段，這是保護(hù)運(yùn)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(wù)程序 　　采樣中斷服務(wù)程序主要包括采樣計(jì)算，PT斷線(xiàn)檢測(cè)和保護(hù)起動(dòng)元件三個(gè)部分。進(jìn)入采樣中斷服務(wù)程序，首先進(jìn)行采樣,采樣后采用FFT算法計(jì)算其實(shí)時(shí)有效值，然后將各有效值存入隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM的對(duì)應(yīng)地址單元內(nèi)。在保護(hù)判斷起動(dòng)之前，先檢查PT二次是否斷線(xiàn)。 為了提高保護(hù)動(dòng)作的可靠性，保護(hù)裝置的出口均經(jīng)起動(dòng)元件閉鎖，只有在保護(hù)起動(dòng)元件起動(dòng)后，保護(hù)裝置出口閉鎖才被解除。在微機(jī)保護(hù)裝置里，起動(dòng)元件是由軟件來(lái)完成的。保護(hù)采用相電流突變量起動(dòng)方式。采樣中斷服務(wù)程序框圖見(jiàn)圖6所示. [align=center] 圖6 采樣中斷服務(wù)程序框圖[/align] 　　3.3 故障處理程序 　　故障處理程序包括保護(hù)軟壓板的投切檢查、保護(hù)定值比較、保護(hù)邏輯判斷、跳閘處理程序和后加速部分。保護(hù)邏輯函數(shù)包括過(guò)流保護(hù)glbh（）、過(guò)負(fù)荷保護(hù)gffbh（）、電機(jī)起動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)保護(hù)qdbh（）、堵轉(zhuǎn)保護(hù)dubh（）、零序過(guò)流保護(hù)lxbh（）、負(fù)序過(guò)流保護(hù)fxbh（）、低電壓保護(hù)dybh（）、PT斷線(xiàn)檢測(cè)chkPT（）、低周減載dzjz（）、失壓保護(hù)sybh（）。在各保護(hù)邏輯判斷中，如A相的數(shù)值型定值未超定值或邏輯判斷程序未判保護(hù)動(dòng)作則進(jìn)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(jiàn)圖7所示。 [align=center] 圖7 故障處理程序框圖[/align] 4 基于MB90F543G的電動(dòng)機(jī)微機(jī)保護(hù)控制器的型式試驗(yàn) 　　根據(jù)上述介紹，電動(dòng)機(jī)微機(jī)保護(hù)控制器構(gòu)成見(jiàn)圖8所示。保護(hù)裝置作為新一代嵌入式微機(jī)保護(hù)器，采用高性能低功耗的增強(qiáng)型微控制器，具有類(lèi)DSP結(jié)構(gòu)和32位計(jì)算指令。高可靠性CPU 、 RAM、 ROM、定時(shí)器、UART 、CAN網(wǎng)口等集成于一片，實(shí)現(xiàn)了低功耗、速度快、網(wǎng)絡(luò)化。高精度實(shí)時(shí)時(shí)鐘具備GPS自動(dòng)對(duì)時(shí)功能，可實(shí)現(xiàn)站內(nèi)系統(tǒng)的同步采樣，其E2PROM用于存放設(shè)備參數(shù)和保護(hù)定值。大容量的鐵電存儲(chǔ)器可保存故障錄波數(shù)據(jù)及32個(gè)事件報(bào)告，所有數(shù)據(jù)掉電不消失。保護(hù)裝置采用標(biāo)準(zhǔn)4U高度機(jī)箱，內(nèi)部采用前MMI板后插件結(jié)構(gòu)，AC板、CPU板、LOGIC板、TRIP板通過(guò)一背板插裝連接，裝置前端的MMI板通過(guò)CAN驅(qū)動(dòng)器A82C250與CPU板進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。內(nèi)部插件可以拔出，調(diào)試檢修極為方便，并與MMI板構(gòu)成一有機(jī)整體，結(jié)構(gòu)緊湊，抗干擾性能、抗震動(dòng)性能良好。目前，基于MB90F543G的電動(dòng)機(jī)微機(jī)保護(hù)控制器已進(jìn)行了型式試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示了其主要性能皆?xún)?yōu)于國(guó)標(biāo)要求（詳見(jiàn)附表一、附表二），可廣泛應(yīng)用于2000kW以下不設(shè)縱差保護(hù)的高壓異步電動(dòng)機(jī)，或2000kW以上的異步機(jī)或同步機(jī)的后備保護(hù)。 [align=center] 圖8 保護(hù)裝置構(gòu)成示意圖[/align] 附表一 附表二 　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：自主開(kāi)發(fā)的這套裝置選用類(lèi)DSP結(jié)構(gòu)的高性能嵌入式單片機(jī)作為保護(hù)CPU，14位的高精度AD芯片作為保護(hù)模數(shù)轉(zhuǎn)換，使其測(cè)量精度與保護(hù)可靠性相比同類(lèi)產(chǎn)品都有提高。另外，內(nèi)部采用前MMI板后插件結(jié)構(gòu)，使裝置結(jié)構(gòu)緊湊，抗干擾性能、抗震動(dòng)性能良好。 參考文獻(xiàn): 　　[1]王道乾. 嵌入式系統(tǒng)在變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J] 工業(yè)控制技術(shù),2006,6 　　[2]施慧莉 張雪娟. 基于DSP的智能電機(jī)保護(hù)器設(shè)計(jì)[J] 微計(jì)算機(jī)信息,2006,14:179-181 　　[3]劉 強(qiáng). 微機(jī)保護(hù)裝置中央處理器的選擇探討[J] 江西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2006 　　[4]陳德樹(shù). 微機(jī)繼電保護(hù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2000