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摘 要： 电动机保护装置设计的原理是：通过监测电动机运行时的电流、电压等参数，进行分析，获取电机的工作状况，以便对电动机进行实时保护。同时，此电动机保护装置利用ARM+MCU的CPU结构，控制核心为微处理器LPC2292，从而实现电动机的保护、测量、通信等功能。软件是基于嵌入式实时操作系统C/OS-II的，介绍C/OS-II在LPC2292上的移植，并详细介绍基于C/OS-II平台的应用程序的任务划分和设计。
关键词： ARM7嵌入式系统；电动机保护装置；研究
中图分类号：TU991.2 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）0820103－02
0 引言
嵌入式产品广泛用于网络通讯、工业控制、消费电子等领域。在物理上嵌入式以太网和传统以太网都是依照IEEE802.3标准的，运用TCP/IP协议族的逻辑。嵌入式以太网与传统以太网的最大区别是：
1）嵌入式以太网主要是以微处理器（或微控制器）的软、硬件环境为中心，实时操作系统之中嵌入了使用的网络协议，这样便于工业控制领域的应用；
2）传统以太网往往是以PC机（或工作站）的软硬件环境为中心，直接与之配合，UNIX、Windows NT等操作系统嵌入了使用的网络协议。
在硬件设计中，ARM嵌入式处理器应用广泛。该处理器是由英国ARM公司设计，低功耗、高性能的RISC芯片。采用ARM芯片作为微机保护装置的核心CPU有如下优点：
1）可利用的软件丰富。
2）价格低廉、功耗低，降低了产品成本。
3）处理速度快。
RTOS是“实时系统中软硬件资源的总指挥中心”[1]，就是通过科学、合理、完整等方式进行管理，同时组织系统中的软、硬件资源也被整合了，这也体现了嵌入式应用软件的开发平台的特点。
利用RTOS的微机保护测控装置如下的优点：
1）可靠性高。
2）可扩展性增强，开发难度降低。
1 电动机的保护方案以及保护算法
本文理论基础是电动机常规保护理论，电动机的电压信号、电流信号通过电流互感器或电压转换成电压模拟信号，经滤波、整形，进行A/D转换，然后经过CPU进行数据处理以及算术运算，最后将运算结果和设定保护判断来设定保护装置的动作时间。执行机构通过输出的开关信号来驱动，让紧接电器进行动作并输出报警信号。
本电动机保护装置提供了九种保护功能：分别是反时限保护、电流速断保护、负序低段保护、负序高段保护、低电压保护、接地保护、堵转保护、启动时间长保护、频繁启动保护。
1.1 电动机保护原理以及保护判据
1）相电流速断保护
相电流速断保护主要是在电动机出现了恶性事故的时候，根据以电动机的最大相电流来判断的。其判据为：
电流速断保护动作定值用 表示；电流速断保护动作时限用 表示；动作延时用 表示。
相电流速断保护是由动作时限加电流速断构成的。
2）反时限保护
当电动机过载时，其本保护的启动定值与最大相电流相等时，装置将按照以下判据计算跳闸延时的时间：
3）负序高段、低段过流保护
负序高段、低段过流保护的动作特性都是以负序电流为判断依据，但是动作时限和保护定值不同。其保护判据如下：
此为定时限判据。
具体是： 为计算负序电流； 为负序高、低段保护启动定值；
为负序高、低段保护的动作时限。
4）接地保护
电动机绕组单项接地存在发生障碍，致使零序电流陡然大幅度增加。此时零序过流保护必须采取措施，从而保证电动机不受损坏。其保护判据如下：
具体是：实测的零序电流用 表示；零序电流定值用 表示；动作延时用 表示；为零序保护动作时限用 表示。
零序电流的定时限特性表现形式。
5）低电压保护
低电压保护动作判据：
具体是：电压实测值最小值用 表示；低压保护设定值用 表示；动作实际延时时间用 表示；低压保护动作时限 表示。
低电压保护就是为了阻止供电系统的电压过于低，防止影响电动机的电流过大而专门设置的，可以对保护引起电动机过热现象。
1.2 部分算法的实现
微机保护的算法就是电流、电压等模拟量信号在微机保护装置中通过离散采样、模数等方式转换成可供于计算机处理的数字量，根据计算的结果和调整的定值，决定装置的动作行为。
完成以上分析计算的方法，称为微机保护的算法[2]。
在微机保护中，还有应用很多的算法，诸如：半波傅氏算法、全波傅氏算法、最小二乘算法等等。在本论文中就采用成熟的全波傅氏算法。这种算法假设被处理的信号是带有周期性的，由基波、稳恒直流和整数倍谐波分量三者构成，从而假设输入信号为i（t），则i（t）的一般表达式为：
具体是：稳定直流分量用A0表示；k次谐波分量幅值用Ak表示；基波角频率用W1表示；k次谐波分量相位用 表示。
正交样品函数的一种是傅氏算法。这种算法样品函数以任一某一正交函数组为例，并将待分析的时变函数i（t）与样品函数组进行积分变换，以此求出和样品函数频率相同的分量的系数，进一步计算时变函数i（t）中该频率的谐波分量的模值和相位。
具体见此积分方程中
式中：y（t）为选定的正交样品函数；i（t）为待分析的时变函数。
倘若i（t）可分解为一个级数，而级数都跟正交函数一样，那么上面方程式的积分结果就会出现模值，即i（t）中与样品函数是一样。例如，y（t）=cos nwt时，则得n次倍频分量的实部的模值 是
2 电动机保护装置的硬件平台总体构建方案
好的硬件电路设计方案，对整个装置的设计是相当重要的。整个硬件平台选用MCU+ARM结构，ARM选用Phi。ARM主要负责数据的采集、处理、计算、存储、跳闸出口、故障的判断、与上位机的通信等，MCU主要负责人机接口的显示和键盘部分。该装置原理框图如图1所示。
3 保护装置软件设计
3.1 基于 C/OS-II的应用程序设计
将C/OS-II放到LPC2292之后，以此为基础在上面建立相关的应用程序，该程序是整个微机保护装置的中心，RTOS的特点和本装置的实际需要要求，在C/OS-II平台上软件部分设计思路采取层次化、模块化形式，这样就可以提高其可靠性。
总体结构框图如图2所示：
3.2 各任务的设计
1）主函数的设计
主函数设计要主包含了嵌入式实时操作系统C/OS- II的初始化、信号量初始化、其他任务创建、启动多任务调度等等。通过调用OSLnitO实现系统的初始化，实现调用OSStart（）启动多任务调度。
2）定时采样的中断
其次，此程序对实时性的要求高，不能受其它因素干扰，显得特别重要，不然就会导致微机保护装置严重的错误，因此其中断优先级是最高的。
3.3 测试移植代码
用户为自己的处理器做完C/OS-B的移植后，接下来就验证C/OS-II是否正常工作。这就需要编写一个简单的测试程序进行检测，使LED灯闪烁。具体代码如下：
#include "includes.h"
#define TASK STK SIZE 100
OS STK Taskl[TASK STK SIZE]；
#define LED（1+7）/*P0.7为LED*/
void Taskl（void*data）
void mian（void）
{
OSInit（）；
OSTaskCreate（Taskl，（void*）0，&Taskl[TASK-STK SIZE-1]，0）；
OSStart（）；
return 0；
void Taskl（void*pdata）
padata=pdata；
TargetInit（）；/*目标板初始化*/
PINSELI = 0x00000000；/*配置引脚为GPIO*/
IOODIR = LED；/*设置LED为输出*/
for（，，）
{
IOOSET= LED；
OSTimeDly（100）；
IOOCLR=LED；
OSTimeDly（100）；
}
}
4 结论
装置选用Philips公司生产的LPC2292嵌入式微处理器为主控芯片，极大的提高了处理速度，图示也提高了硬件电路的可靠性。装置中采用ARM芯片完成保护测量功能，MCS-51完成人机接口功能；本装置的软件是以RTOS C/OS-II为开发平台，按功能划分任务模块，各个任务独立编程调试，高了各个软件模块的独立性，也增强了软件的可移植性。
参考文献：
[1]张盛旺、林风，电力系统微机保护装置的抗干扰性，电力自动化设备，2005.2.
[2]B.D.Russell，Application of microcomputer to the protection and control of power system substation ，proc.Of 6th IEEE.Conf： in Decision.
[3]M.S.Sachdev， Some Aspects of Digital Computer Protection of Hydro Power Plants ，TEEE. Pub. 76 CH 1075-9REG5.
[4]RTL8019AS Specification Realtek semi-conductor Co. LTD.
[5]周立功等，ARM嵌入式系统软件开发实例，北京：北京航空航天大学出版社，2004.
[6]陈伯时，电力拖动自动控制系统[M].北京：机械工业出版社，1991.
[7]郭永基，电力系统可靠性原理和应用（上、下），清华大学出版社，1986：23-27.
作者简介：
管其勇（1967-），男，江苏淮安人，工程硕士，讲师，研究方向：控制工程领域。
关键词： ARM7嵌入式系统；电动机保护装置；研究
中图分类号：TU991.2 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）0820103－02
0 引言
嵌入式产品广泛用于网络通讯、工业控制、消费电子等领域。在物理上嵌入式以太网和传统以太网都是依照IEEE802.3标准的，运用TCP/IP协议族的逻辑。嵌入式以太网与传统以太网的最大区别是：
1）嵌入式以太网主要是以微处理器（或微控制器）的软、硬件环境为中心，实时操作系统之中嵌入了使用的网络协议，这样便于工业控制领域的应用；
2）传统以太网往往是以PC机（或工作站）的软硬件环境为中心，直接与之配合，UNIX、Windows NT等操作系统嵌入了使用的网络协议。
在硬件设计中，ARM嵌入式处理器应用广泛。该处理器是由英国ARM公司设计，低功耗、高性能的RISC芯片。采用ARM芯片作为微机保护装置的核心CPU有如下优点：
1）可利用的软件丰富。
2）价格低廉、功耗低，降低了产品成本。
3）处理速度快。
RTOS是“实时系统中软硬件资源的总指挥中心”[1]，就是通过科学、合理、完整等方式进行管理，同时组织系统中的软、硬件资源也被整合了，这也体现了嵌入式应用软件的开发平台的特点。
利用RTOS的微机保护测控装置如下的优点：
1）可靠性高。
2）可扩展性增强，开发难度降低。
1 电动机的保护方案以及保护算法
本文理论基础是电动机常规保护理论，电动机的电压信号、电流信号通过电流互感器或电压转换成电压模拟信号，经滤波、整形，进行A/D转换，然后经过CPU进行数据处理以及算术运算，最后将运算结果和设定保护判断来设定保护装置的动作时间。执行机构通过输出的开关信号来驱动，让紧接电器进行动作并输出报警信号。
本电动机保护装置提供了九种保护功能：分别是反时限保护、电流速断保护、负序低段保护、负序高段保护、低电压保护、接地保护、堵转保护、启动时间长保护、频繁启动保护。
1.1 电动机保护原理以及保护判据
1）相电流速断保护
相电流速断保护主要是在电动机出现了恶性事故的时候，根据以电动机的最大相电流来判断的。其判据为：
电流速断保护动作定值用 表示；电流速断保护动作时限用 表示；动作延时用 表示。
相电流速断保护是由动作时限加电流速断构成的。
2）反时限保护
当电动机过载时，其本保护的启动定值与最大相电流相等时，装置将按照以下判据计算跳闸延时的时间：
3）负序高段、低段过流保护
负序高段、低段过流保护的动作特性都是以负序电流为判断依据，但是动作时限和保护定值不同。其保护判据如下：
此为定时限判据。
具体是： 为计算负序电流； 为负序高、低段保护启动定值；
为负序高、低段保护的动作时限。
4）接地保护
电动机绕组单项接地存在发生障碍，致使零序电流陡然大幅度增加。此时零序过流保护必须采取措施，从而保证电动机不受损坏。其保护判据如下：
具体是：实测的零序电流用 表示；零序电流定值用 表示；动作延时用 表示；为零序保护动作时限用 表示。
零序电流的定时限特性表现形式。
5）低电压保护
低电压保护动作判据：
具体是：电压实测值最小值用 表示；低压保护设定值用 表示；动作实际延时时间用 表示；低压保护动作时限 表示。
低电压保护就是为了阻止供电系统的电压过于低，防止影响电动机的电流过大而专门设置的，可以对保护引起电动机过热现象。
1.2 部分算法的实现
微机保护的算法就是电流、电压等模拟量信号在微机保护装置中通过离散采样、模数等方式转换成可供于计算机处理的数字量，根据计算的结果和调整的定值，决定装置的动作行为。
完成以上分析计算的方法，称为微机保护的算法[2]。
在微机保护中，还有应用很多的算法，诸如：半波傅氏算法、全波傅氏算法、最小二乘算法等等。在本论文中就采用成熟的全波傅氏算法。这种算法假设被处理的信号是带有周期性的，由基波、稳恒直流和整数倍谐波分量三者构成，从而假设输入信号为i（t），则i（t）的一般表达式为：
具体是：稳定直流分量用A0表示；k次谐波分量幅值用Ak表示；基波角频率用W1表示；k次谐波分量相位用 表示。
正交样品函数的一种是傅氏算法。这种算法样品函数以任一某一正交函数组为例，并将待分析的时变函数i（t）与样品函数组进行积分变换，以此求出和样品函数频率相同的分量的系数，进一步计算时变函数i（t）中该频率的谐波分量的模值和相位。
具体见此积分方程中
式中：y（t）为选定的正交样品函数；i（t）为待分析的时变函数。
倘若i（t）可分解为一个级数，而级数都跟正交函数一样，那么上面方程式的积分结果就会出现模值，即i（t）中与样品函数是一样。例如，y（t）=cos nwt时，则得n次倍频分量的实部的模值 是
2 电动机保护装置的硬件平台总体构建方案
好的硬件电路设计方案，对整个装置的设计是相当重要的。整个硬件平台选用MCU+ARM结构，ARM选用Phi。ARM主要负责数据的采集、处理、计算、存储、跳闸出口、故障的判断、与上位机的通信等，MCU主要负责人机接口的显示和键盘部分。该装置原理框图如图1所示。
3 保护装置软件设计
3.1 基于 C/OS-II的应用程序设计
将C/OS-II放到LPC2292之后，以此为基础在上面建立相关的应用程序，该程序是整个微机保护装置的中心，RTOS的特点和本装置的实际需要要求，在C/OS-II平台上软件部分设计思路采取层次化、模块化形式，这样就可以提高其可靠性。
总体结构框图如图2所示：
3.2 各任务的设计
1）主函数的设计
主函数设计要主包含了嵌入式实时操作系统C/OS- II的初始化、信号量初始化、其他任务创建、启动多任务调度等等。通过调用OSLnitO实现系统的初始化，实现调用OSStart（）启动多任务调度。
2）定时采样的中断
其次，此程序对实时性的要求高，不能受其它因素干扰，显得特别重要，不然就会导致微机保护装置严重的错误，因此其中断优先级是最高的。
3.3 测试移植代码
用户为自己的处理器做完C/OS-B的移植后，接下来就验证C/OS-II是否正常工作。这就需要编写一个简单的测试程序进行检测，使LED灯闪烁。具体代码如下：
#include "includes.h"
#define TASK STK SIZE 100
OS STK Taskl[TASK STK SIZE]；
#define LED（1+7）/*P0.7为LED*/
void Taskl（void*data）
void mian（void）
{
OSInit（）；
OSTaskCreate（Taskl，（void*）0，&Taskl[TASK-STK SIZE-1]，0）；
OSStart（）；
return 0；
void Taskl（void*pdata）
padata=pdata；
TargetInit（）；/*目标板初始化*/
PINSELI = 0x00000000；/*配置引脚为GPIO*/
IOODIR = LED；/*设置LED为输出*/
for（，，）
{
IOOSET= LED；
OSTimeDly（100）；
IOOCLR=LED；
OSTimeDly（100）；
}
}
4 结论
装置选用Philips公司生产的LPC2292嵌入式微处理器为主控芯片，极大的提高了处理速度，图示也提高了硬件电路的可靠性。装置中采用ARM芯片完成保护测量功能，MCS-51完成人机接口功能；本装置的软件是以RTOS C/OS-II为开发平台，按功能划分任务模块，各个任务独立编程调试，高了各个软件模块的独立性，也增强了软件的可移植性。
参考文献：
[1]张盛旺、林风，电力系统微机保护装置的抗干扰性，电力自动化设备，2005.2.
[2]B.D.Russell，Application of microcomputer to the protection and control of power system substation ，proc.Of 6th IEEE.Conf： in Decision.
[3]M.S.Sachdev， Some Aspects of Digital Computer Protection of Hydro Power Plants ，TEEE. Pub. 76 CH 1075-9REG5.
[4]RTL8019AS Specification Realtek semi-conductor Co. LTD.
[5]周立功等，ARM嵌入式系统软件开发实例，北京：北京航空航天大学出版社，2004.
[6]陈伯时，电力拖动自动控制系统[M].北京：机械工业出版社，1991.
[7]郭永基，电力系统可靠性原理和应用（上、下），清华大学出版社，1986：23-27.
作者简介：
管其勇（1967-），男，江苏淮安人，工程硕士，讲师，研究方向：控制工程领域。