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TMS320F2812高压电机保护装置设计
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2017-11-02
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0引言
高压电机一般都是用于工业生产中的重要场所，它的可靠运行对于生产安全来说非常关键；而电机保护设备又是电动机可靠运行的主要保障，电动机保护设备最为重要 的特性指标就是可靠性和实时性。目前在市场上应用的电动机保护装置最为先进的是基于普通单片机的微机保护，这类设备为了保证测量、计算和保护的实时性，在设计时往往采用多CPU结构，采用插件的形式，这导致在力图保证实时性的同时，设备结构复杂性大大提高，可靠性降低，很大程度是因为所采用芯片的局限性所致。DSP芯片是专门为快速实现各种数字信号处理而设计的、具有特殊结构的微处理器，文中介绍了TI公司2000系列DSP中最新最先进的TMS320F2812芯片在高压电动机保护中的应用，大大提高了电机保护的可靠性和实时性。
1TMS320F2812 DSP芯片
TMS320F2812是美国TI公司最新研制的2000系列数字信号处理器，是面向电机控制、工业自动化的第一款带片内Flash、工作频率达到150 MHz的32位DSP。它采用经典哈佛总线结构，利用多总线在存储器、外围模块和CPU之间转换数据，这种多总线结构使得 它可以在一个周期内并行完成取指令、读数据和写数据，同时它采用了指令流水线技术，保证信号处理的快速性和实时性。
TMS320F2812芯片的内部存储器包括14 K的RAM和128 K×16 bit的Flash；芯片内集成的外围模块非常丰富：包括16通道12 bits的ADC模块；16通道的PWM输出；多达56个独立的、可编程的GPIO口；3个带有6种模式的通用目的定时器；3个可配置死区的比较器；3个单端比较单元；4个捕捉单元；同时还集成有多种串行接口：完全符合RS232标准的双通道串行接口、CAN总线模块、McBSP接口和SPI接口，这些都充分保证了通信设计的方便。
2基于TMS320F2812的高压电机保护装置整体设计
保护装置包括5大部分：主功能系统、电源、电量输入和开关量处理、通信及人机接口。结构框图如图1所示。
装置充分利用了TMS320F2812芯片高集成度的特点，是实现数据采集、数据处理、数据存储和传输等功能的主要芯片，附带信号变换和调理电路，不需外扩外围功能芯片，这使得装置整体电路规模大大精简，不论是集成度还是可靠性都有质的提高。
2.1数据采集
保护中的首要功能就是数据采集，装置直接利用了TMS320F2812芯片中集成的ADC模块来实现 ，其最高采样速度可达12.5 MSPS，因此无论在采集通道数、采样精度还是采样速度上都满足电机保护的要求。ADC模块内建双采样保持器（S／H），可以根据需要配置，既可配置成两个独立的8通道模块，也可将这两个独立的8通道模块级联而形成一个16通道模块。ADC模块的模拟量输入范围为0～3 V，在电机保护现场电流信号取自电流互感器CT二次侧，并将其作为装置内电流变送器的输入，在装置中选用的是西南自动化研究所的WBI513 C0型电流变送器，其输出的信号为0～25 mA，不能直接输入到TMS320F2812的ADC模块，所以必须设计具有信号转换和滤波等功能的信号调理电路。装置中选用了TI公司的自校准精密双 运算放大器TLC4502作为信号调理电路的核心芯片，TLC4502是利用1 μm／5 V数字CMOS技术制造的高性能运算放大器，它具有非常高的直流增益以及良好的电源抑制比和共模抑制比。
高压电机一般都是用于工业生产中的重要场所，它的可靠运行对于生产安全来说非常关键；而电机保护设备又是电动机可靠运行的主要保障，电动机保护设备最为重要 的特性指标就是可靠性和实时性。目前在市场上应用的电动机保护装置最为先进的是基于普通单片机的微机保护，这类设备为了保证测量、计算和保护的实时性，在设计时往往采用多CPU结构，采用插件的形式，这导致在力图保证实时性的同时，设备结构复杂性大大提高，可靠性降低，很大程度是因为所采用芯片的局限性所致。DSP芯片是专门为快速实现各种数字信号处理而设计的、具有特殊结构的微处理器，文中介绍了TI公司2000系列DSP中最新最先进的TMS320F2812芯片在高压电动机保护中的应用，大大提高了电机保护的可靠性和实时性。
1TMS320F2812 DSP芯片
TMS320F2812是美国TI公司最新研制的2000系列数字信号处理器，是面向电机控制、工业自动化的第一款带片内Flash、工作频率达到150 MHz的32位DSP。它采用经典哈佛总线结构，利用多总线在存储器、外围模块和CPU之间转换数据，这种多总线结构使得 它可以在一个周期内并行完成取指令、读数据和写数据，同时它采用了指令流水线技术，保证信号处理的快速性和实时性。
TMS320F2812芯片的内部存储器包括14 K的RAM和128 K×16 bit的Flash；芯片内集成的外围模块非常丰富：包括16通道12 bits的ADC模块；16通道的PWM输出；多达56个独立的、可编程的GPIO口；3个带有6种模式的通用目的定时器；3个可配置死区的比较器；3个单端比较单元；4个捕捉单元；同时还集成有多种串行接口：完全符合RS232标准的双通道串行接口、CAN总线模块、McBSP接口和SPI接口，这些都充分保证了通信设计的方便。
2基于TMS320F2812的高压电机保护装置整体设计
保护装置包括5大部分：主功能系统、电源、电量输入和开关量处理、通信及人机接口。结构框图如图1所示。
装置充分利用了TMS320F2812芯片高集成度的特点，是实现数据采集、数据处理、数据存储和传输等功能的主要芯片，附带信号变换和调理电路，不需外扩外围功能芯片，这使得装置整体电路规模大大精简，不论是集成度还是可靠性都有质的提高。
2.1数据采集
保护中的首要功能就是数据采集，装置直接利用了TMS320F2812芯片中集成的ADC模块来实现 ，其最高采样速度可达12.5 MSPS，因此无论在采集通道数、采样精度还是采样速度上都满足电机保护的要求。ADC模块内建双采样保持器（S／H），可以根据需要配置，既可配置成两个独立的8通道模块，也可将这两个独立的8通道模块级联而形成一个16通道模块。ADC模块的模拟量输入范围为0～3 V，在电机保护现场电流信号取自电流互感器CT二次侧，并将其作为装置内电流变送器的输入，在装置中选用的是西南自动化研究所的WBI513 C0型电流变送器，其输出的信号为0～25 mA，不能直接输入到TMS320F2812的ADC模块，所以必须设计具有信号转换和滤波等功能的信号调理电路。装置中选用了TI公司的自校准精密双 运算放大器TLC4502作为信号调理电路的核心芯片，TLC4502是利用1 μm／5 V数字CMOS技术制造的高性能运算放大器，它具有非常高的直流增益以及良好的电源抑制比和共模抑制比。
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