基于单片机的煤矿用防爆电机应用设计

谭晓林

摘要：当前电机防爆防护装置的安全性还不能满足煤炭工业发展的需要，其问题主要表现在电机电流大，容易受到地下干扰的影响，导致电火花爆炸。基于此，从本质安全电路设计的基本原理出发，提出了一种利用相关功能消除干扰的本质安全的电机防爆解决方案。该方案以某公司生产的16位MSP430F149单片机为核心装置，可对电流、电压信号进行分析和处理，具有自动检测泄漏、过载、短路、过欠电压、相等电网故障和跳闸报警等功能，可满足煤矿用防爆电机的工作需要。

关键词：隔爆电机;单片机;本质安全;消除干扰;数字处理芯片DSP;

我国矿山高压电网继电器保护技术，从设备的使用出发，经历了机电、半导体型和微机型发展的三个阶段。随着电子技术和计算机技术的发展，智能高压开关集成保护器在煤矿的应用越来越广泛。这种智能保护器具有过电压、过电流、漏电保护等综合功能，可作为运行状态和显示参数的实时监控系统，实现智能控制的保护。利用微机控制技术，对矿井电网继电保护技术发生了定性变化，大大改进了保护作用，更加完善了保护功能。对于一般的高压继电器保护装置，其基本要求为可靠性、选择性、快速性和灵敏度。但是井下条件更恶劣，安全条件更严格，现有国内高压继电器保护设备的研发中，缺少对矿用防爆电机的高压继电器保护的研究。现有的矿用电机以可编程控制器PLC为核心控制电路，抗干扰能力强、可靠性高，但这些方案从初始设计就不能满足本质安全的要求，作为一种采矿装置，存在一些隐患。为进一步扩展矿用防爆电机的高压继电器保护应用，使煤矿开发更加安全高效，本文研究了某公司的数字处理芯片DSP作为核心控制电路，开发其继电保护算法，实现继电保护功能。其特点是利用DSP强大的操作能力，实现小波变换等更复杂的数字滤波算法，实现快速和可靠的继电保护功能。

1 本质安全电路设计的基本原理

本质安全电路是指设备在正常条件和故障条件下，其中任何放电或热效应都不能引起爆炸性混合物爆炸的电路系统。其中，正常状态是指正常工作条件下的电气设备，包括短路、断路试验装置测试等，故障状态是指保护元件损坏、短路、断路、接地、电源故障等情况下的测试电路。该电路系统的防爆原理是通过降低电路火花能量和元件温度，使其不能点燃矿井混合爆炸，达到防爆目标。主要方法是降低电源电压，降低电路电流，利用适当的电气元件和参数等。由于本质安全的电气系统和设备不能点燃爆炸性混合物，且具有体积小、质量轻、携带方便、安全度高等优点，可广泛用于煤矿电气系统的控制、通信、信号、测量和监控方面。

对于单片机电路板，其负载特性应等同于电阻器和电容电路的混合物。微机继电器保护装置以3.3 V微控制器为核心，采用TTL电平芯片电路板，CPU电源为3.3 V，外围芯片电源为5 V，简化的电源原理。考虑到极端击穿，根据标准GB 3836.4—2000,A3、Ⅱ类电容的击穿电压为1.5倍，本电路中电容器C1、C2的滤波电容器值不超过30μF，外围电路和CPU功耗不超过16.5 VA，即可将本电路评估为安全。

2 硬件设计

2.1 控制系统的结构

矿山防爆微机集成保护装置由单片机控制装置、电流互感器、电压信号采集处理电路、模数转换电路、报警电路、电源电路组成。其中，核心控制电路由MSP430F149单片机组成，可以通过特殊的功能寄存器选择使用不同的功能电路，该功能寄存器依赖于软件的外围来选择不同的功能模块。不使用的模块可以停止工作，从而大大降低功耗。当使用低频时钟时，系统功耗可达到微安水平，非常适合作为煤矿安全产品的控制核心。

2.2 信号分析和处理

该设计涉及频域分析算法，数值计算量大，因此如何实现频域分析是系统的难点之一。这里选择MSP430F149芯片作为处理器，MSP430处理器操作能力强，可以实现FFT分析计算算法。采用FFT算法进行MSP430编程，实现时域信号向频域信号的转换，然后对频域信号进行分析，再将信号输入内部的芯片ADC12MSP430。在采样波形振幅量化后，数字信号处理DSP确定是否进行输出等跳闸动作。数据和相关信息显示在字符液晶上，同时与定时器脉冲宽度调制（PWM）驱动B扬声器语音实现语音报警。

3 软件设计

系统软件包括主程序、外部中断服务程序、数字滤波器和语音报警等子程序。软件使用汇编语言编写，使用模块化设计，使程序结构清晰，便于今后进一步扩展系统的功能。首先，系统初始化，然后设置MSP430F149的中断控制，使CPU中断打开，中断间隔采样后打开系统，当采样数据由FFT处理时，采样数据需达到1 024；其次，这些数据进入存储单元分析后，系统将得到信号存储；再将FFT分析和互相关函数的特征应用于数据处理，判断是否要跳闸；输出动作如果需要跳闸输出动作，开始执行代理动作，同时语音报警。

4 系统防干扰方法

4.1 系统干扰源

矿井防爆电机处于煤矿的条件下工作，空气非常潮湿、粉尘充足、电磁干扰严重，测控系统不仅被电网的工作“噪声”干扰，它本身也是一个非常强的干扰源，例如负荷线电流变化频繁，真空断路器本身的运行产生高频噪声，更严重的是高频信号将通过导线和内部空间进入单片机系统，使系统工作不正常，甚至损坏系统。因此，测控系统单元的抗干扰性能提出了较高的要求，特别是抗干扰系统。在单片机应用系统开发过程中，始终将抗干扰性能作为首先考虑的设计问题之一。

4.2 防干扰措施设计

该设计基于快速傅里叶变换（FFT）频谱和相位分离算法，获得了信号振幅频率特性和相位频率特性。理想的检测信号傅里叶级数展开公式为:

 

它是一个频率为f、振幅为A的正弦信号，当w≠2πf/n,An=0时，A0=0。通过振幅谱图可知，只有w=2πf/n,A≠0，其余的点An(w）为0。假设在时域上有一个可检测的信号f，则f=f(t),(t0

经过FFT分析，系统得到A的最大振幅，相应频率f的最大振幅。实时电流i对应于不同的振幅A和频率f，可建立A、f关于i的函数表达式，函数关于i=0对称。同样，对于实时电压v，可建立A、f关于v的函数表达式，函数关于v=0对称。在给出频域中，通过判断信号的对称性，可判断是否存在干扰信号。当存在电磁干扰或断路器运行条件时，检测信号的频率和振幅会发生变化，以识别干扰信号，降低噪声干扰，提高检测精度和灵敏度。

5 结论

本文采用某公司的数字处理芯片DSP作为核心控制电路，选择低功耗MCUMSP430F149作为核心组件，利用DSP强大的操作能力，通过小波变换等更复杂的数字滤波算法，实现快速和可靠的继电保护功能，并基于快速傅里叶变换（FFT）频谱和相位分离算法，通过判断信号的对称性，可判断是否存在干扰信号。通过降低噪声干扰，提高检测精度和灵敏度。该本质安全的电机中继保护技术，可以克服中继保护装置现有的安全隐患，消除干扰，提高地下供电系统的安全性。

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