（电气工程专业论文）车载电源控制系统研究.pdf

煎塞 ￥! 兰! ! ! ! 摘要 车载电源是柴油发电机组电源系统中的一类，针对普遍使用的柴油发电机组控 制系统大部分是模拟式控制系统，控制系统中的电子器件大部分都已老化，经常出 现敌障，影响到了正常移l i 练和生产，甚至危及到生命的现状，本课题设计了柴油发 电机组全数字控制系统，用来对器件老化的模拟控制系统进行更新换代提高厂电 源质量和可靠性。 车载电源全数字控制系统选用t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片作为微控制器， 以此为核心配置适当的外围电路，实现信号采集、控制输出、操作显示等功能齐全 的硬件环节，软件设计主要实现归一参数整定的p i d 算法、数据处理和存储、双余 法数字触发等控制功能。 本课题完成了车载电源控制系统的软、硬件设计，并且设计工作在基于d s p 控 制器的仿真器上进行了仿真实验，验证了设计方案的正确性。 关键词：车载电源柴油发电机组全数字控制系统 垒! 塾! 型一一一 t h e d e s i g no f v e h i c l em o u n t e dp o w e rc o n t r o ls y s t e m a b s t r a c t ：t h ev e h i c l em o u n t e dp o w e ri s ak i n do fd i e s e l g e n e r a t i n g s e t c o n s i d e r i n gt h e s i m a t i o no ft h ep e t r o l e u ma r t e s i a nw e l lf l a tr o o f si nt h eo f f i n ga r o u n d o u rc o u n t r y ，o nw h i c hm o s t o ft h ed i e s e lg e n e r a t o rs e tc o n t r o ls y s t e ma r ea n a l o g e da n dm o s to f t h ee l e c t r o n i cp a r t so ft h e m h a v eb e e na g i n g ，r e s u l t i n gi nt h a tb r e a k d o w n o c c u rs oo f t e nt h a tt h en o r m a lp r o d u c t i o ni sa f f e c t e d ， e v e ne n d a n g e r i n gp e o p l e sl i v e s i ti sd e s i g n e dad i e s e lg e n e r a t i n gs e td i g i t a l c o n t r o ls y s t e mt o c h a n g e t h es i m u l a t e do n e s ，t h ep a r t so f w h i c hh a v eb e e na g i n g t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ao ft ic o m p a n yi s c h o s e na st h em i c r o c o n t r o l l e rf o rt h ed i g i t a lc o n t r o l s y s t e m ，w h i c hi st h ec e n t e ro f t h ec i r c l eo ft h ep e r i p h e r a le q u i p m e n t ，r e a l i z i n gt h ef u n c t i o n so f t h e c o l l e c t i o n so fs i g n a l ，t h eo u t p u to fc o n t r o la n dt h ev i s i o no fo p e r a t i o nt h r o u g ht h es o f t w a r e i t i s r e a l i z e dt h ef u n c t i o n so ft h ep i d a r i t h m e t i co fu n i t a r yt u n i n gp a r a m e t e r ，t h ed i s p o s a la n dm e m o r y o fd a t a ，d o u b l es u r p l u sd i g i t a lt r i g g e r i n ge t c ，t h r o u g ht h ed e s i g no f s o f t w a r e t h ed e s i g no fs o f t w a r ea n dh a r d w a r eo ft h ev e h i c l em o u n t e dp o w e r c o n t r o ls y s t e mh a sb e e n c o m p l e t e di nt h i sp a p e r ，w h i c hi s b a s e do nt h ee x p e r i m e n to fd s pc o n t r o l l e re m u l a t o r i ti sr i g h t t h a tt h ed e s i g np r e c e p th a sb e e n v a l i d a t e d k e y w o r d s ：t h ev e h i c l em o u n t e dp o w e hd i e s e lg e n e r a t i n gs e t ，d i g i t a lc o n t r o ls y s t e m 筮二重缝迨 第一章绪论 1 1 课题研究的意义 车载电源是柴油发电机组电源系统中的一类。柴油发电机组口”能够提供相对独立 的电源系统，在部分工业领域广泛应用，如舰船电站、移动电站、车载电源及各种应急 电站，几乎都是由柴油发电机组组成。该课题所研究的柴油发电机全数字控制系统定位 在军队野外活动中广泛使用的车载电源，并在此基础上，经过改进可以推广到其他应用 场合，如舰船电站，通信电源等。 在军队野外活动中，使用车载电源为各种作战设备和仪器提供工作电源，并提供连 队的生活用电。目前，所使用的柴油发电机组绝大部分设备陈旧，采用的是七、八十年 代以分立元器件为基础的模拟控制系统，这类电源系统存在着：分立元件有温漂，易老 化：适应环境能力有限；电源系统调节性能较差，维护工作量大等诸多问题。如果从国 外引进高控制性能指标的电源系统( 主要基于单片机控制系统或自主开发的专用芯片控 制系统) ，价格昂贵，并且受部分国家的技术保护，无法引进最新的技术产品。因此，立 足于自身研发适合我军军情的柴油发电机全数字控制系统( 车载电源系统) 具有深远的 意义。 在工业控制领域中，d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 已成为单片机的换代产品，其 最大优点是最好的保证了系统的实时性( 每秒执行百万条指令) ，这能从根本上提高控制 系统的性能。 1 2 课题研究的内容 全数字车载电源系统主要从以卜- 方面进行系统设计：对传统p i d 调节器进行数字 化优化设计；d s p 控制系统的资源配置，及软件和硬件设计；外围接口电路的设 计，及用户界面的设计；反馈信号的检测和变换，及电路设计；实验室仿真实验； 控制系统软件的开发。 本课题的软、硬件开发是建立在s e e d 公司的l f 2 4 0 7 d c s 嵌入式平台( d s p 开发 平台) 上完成的，论文将论述软、硬件设计的整个过程。第2 章简单介绍了柴油发电机 组的工作原理和全数字控制系统的结构；第3 章对车载电源控制系统总体进行设计；第 4 章主要介绍硬件电路的设计，包括t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片( 4 1 的片内资源使用、通讯和人 机接【 电路的设计等；第5 章主要是软件设计，包括信号的采集与处理，晶闸管触发电 路的触发脉冲设计，油量控制器和电压自动调节器a v r 的算法设计，数值变换和故障 保护及显示部分等。第6 章是车载电源控制系统仿真实验部分，主要使用m a t i 。a b 软 件确定初始化时p i d 的参数，仿真结果提供了参数的仿真实验数据。第7 章是结论与展 单，对整个设计过程进行扼要的总结。 苤三重苤迪蕉皇垫塑王丝厘堡壁垒墼呈蕉型丕缠 第二章柴油发电机组工作原理及全数字控制系统 2 1 柴油机调速系统工作原理 柴油机速度控制采用带有有功电流调节内环与速度外环的从属控制系统。军队使用 的车载电源系统，般情况下容量较小，不存在多台发电机并网发电运行的情况，也不 存在负载均衡的问题。 ， 同步发电机输出的有功功率是有原动机的机械功率转化而来的。同步发电机要求原 动机有稳定的转速，才能保证频率稳定。 根据有关标准转速的动态调速率小于5 ，稳态调速率小于2 ，即当电网负载改 变时，机组频率和电压要保持稳定，其偏差值不超过标准或规范要求的范围。为保证电 源系统的性能指标，通常在柴油机速度控制环节上，设有频载调节特性的电子调速器。 以w o o d w a r d 公司的2 3 0 1 电子调速器口1 为例，其基本原理是将合成的频载电压信号，控 制电液执行器，调节柴油机供油量，使原动机速度恒定，从而保证电源系统的频率恒定 6 l 【”。其中电液执行器是电源控制系统实现对柴油机进行调控的最终手段。 柴油机速度控制框图见图2 1 。 图2 1 ：柴油机速度控制原理框图 2 2 发电机电压控制 发电机电压控制采用发电机励磁机磁场电流内环和发电机电压调节外环的从属控制 系统，外环给定中设有无功电流反馈信号，发电机的电压给定除与网络反馈电压相抵的 数值外，其差值用来调节发电机的无功电流输出。 磁c 标准对柴油发电机组供电要求如下： * 稳定电压调整率o 5 * 瞬态电压恢复时间l5 s * 负载不平衡度5 为保持发电机的电压恒定，励磁电流还应随负载电流与电压间相位角的变化而按一 2 釜三至鐾迪蕉皇丑塑三丝厦型巫全麴主撞劁丕缠 定的规律变化，采用的励磁系统为相复励系统，并附加电压调节器控制励磁1 9 】d o 。对电 压调整精度较高的电源系统，可使用可控相复励控制方式1 1 1 。其中，相复励装置实现自 励起压，且动态调节电压，电压调节器完成静态电压调节，提高发电机端电压精度。 发电机电压控制框图见图2 2 。 图2 2 ：发电机电压控制原理框图 2 3 电源系统保护 * 防止发电机过载运行，保证绝缘不受破坏； * 切除发电机和发电机故障； * 发电机断路器和馈电用保护装置进行选择切除动作，并迅速切除汇流排故障。 发电机回路的保护是指发电机发生异常或故障时，通过保护装置的快速动作，防止 发电机和原动机损伤，同时保证用电设备的安全。主要有：过载保护，怠速保护，超、 欠频保护，超、欠压保护，逆功率保护， 脉冲丢失保护 ，同步保护等。 2 4 全数字电源控制系统 d s p 芯片是柴油发电机控制系统的核心，柴油发电机组能否可靠、经济地运行，在 很大程度上取决于d s p 控制系统。d s p 参与控制主要是增加信息处理量和处理功能，同 时也能实现高精度控制。d s p 是一个典型的数字式控制器，用它几乎可代替所有的经典 数字、顺序和程序控制器。信息的采集、处理、传输以及时间程序控制是控制系统的主 要功能。 t m s 3 2 0 c 2 4 0 t ”儿1 3 1 是c 2 4 x 系列d s p 控制器的第一代产品。它为单片数字控制器制 定了，标准。c 2 4 x 执行速度达2 0 m b o t s ，几乎所有的指令都可在5 0 n s 的单周期内完成。 如此高的性能可以对非常复杂的控制算法进行实时运算，如自适应控制和卡尔曼滤波 等。此外，还可支持非常高的采样率，以减少循环延时。t m s 3 2 0 c 2 4 0 具有下述功能部 件：2 0 m i p s 的c p u 、片内r a m 、r o m f l a s h 、专用于电机控制的“事件管理器 ( e v e n t m a n a g e r ) ”和片内外设。 d s p 内核的高性能运算能力，使得t m s 3 2 0 c 2 4 0 可运行复杂控制算法，如可采用高 3 璺三重鐾迪丛鱼盟塑三堡基璧丛全塑皇丝剑丕堕 阶p i d 算法进行精密控制，自适应k a l m a m 滤波算法可减少传感噪声，而功率因数校正 算法则可以减少功率损耗，还可以用f f t 算法对电机的机械谐波等进行分析。 t m s 3 2 0 c 2 4 0 片内的“事件管理器”与其它任何一种d s p 都不同。面向应用优化的外设 单元和高性能d s p 内核的结合，可以为所有的电机类型提供高速、高效和全变速的先进 控制技术。 基于d s p 的电源控制系统结构框图见图2 3 。 图23 ：d s p 电源控制系统结构框图 图2 | 3 中：主控板一即柴油机转速和发电机电压控制器，并进行开关量处理；显示 板一显示重要数据，l e d 显示，键盘及操作开关：设备接口板一连接传感器及控制输 出，及电压和转速调节模块；用户接口板一接收电压电流信号，和远程输入输出信号。 控制软件是控制系统的核心。它将控制规律、控制算法及整个硬件系统资源连接在 一起实现控制功能。本系统是一个典型的多任务实时系统，对控制软件的设计提出了严 格的要求，对于这种多任务，结构复杂的实时控制软件，必须采用正确的设计方法进行 设计才能保证软件的良好地实施控制功能，本课题将利用现代软件工程技术进行控制软 件的设计。 d s p 的软件是由汇编语言和c 语言完成的，并附以仿真器，开发平台软件，目标板 进行产品开发。 2 5 车载电源控制系统技术指标 * 晶闸管控制角移相范围：1 0 1 5 0 度； * 晶闸管控制角的分辨率：0 0 6 度位； * a d 分辨率：l o 位； * 开关量i o ：各1 6 路，均采用光电隔离； 4 蔓三重鉴池垄电担缦三佳堕垄丛全垫呈控剑丕堑 * 脉冲输出参数：双脉冲触发，脉冲宽度1 0 0 u s ； * 电源装置：均有独立的开关电源。电源采用双路供电，一路来自机端变压器输出 交流，另一路来自2 2 0 v 蓄电池： * 转速瞬态调速 5 ，稳态调速 2 ： * 自动零起升压，升压时间2 0 s ，1 残压可靠起励，超调小于5 ： * 工作方式：自动手动起速，自动起压。 星三重至亟皇婆量剑丕缠望签丝过 第三章车载电源控制系统总体设计 全数字控制系统也称计算机控制系统，是自动控制理论与计算机技术结合的产物。 数字控制系统由控制对象、执行器、测量环节和数字调节器等组成。连续信号一般通过 模数转换器( a d ) 进行采样、量化、编码变成时间和幅值上的离散数字信号，经过计 算机的运算处理，输出数字控制信号，然后数模转换器( d a ) 使数字量恢复成连续的 控制量，再去控制被控对象。其中数字计算机、接口电路、模数转换器、数模转换器等 组成部分称为数字控制器川【2 5 j 2 6 o 数字控制器的控制规律是由编制的计算机程序( 软 件) 来实现的。 本论文根据车载电源控制系统的结构和控制特性，通过比较数字控制系统与模拟控 制系统，d s p 与单片机，定点d s p h 与浮点d s p j 各自的特点来决定总体设计方案。 3 1 数字控制系统的特点 在本设计中将采用性能优越，结构简单的数字控制系统来取代原有的模拟控制系 统。在此具体介绍数字控制系统的特点。 * 精心设计的微机控制系统可以显著降低控制器硬件成本。为用户专门设计的大规 模集成电路( v l s i ) 加软件构成的控制芯片，或者专用集成电路( a s i c ) 均使系统硬件 成本大大降低。它们的共同优点就是体积小，重量轻，耗能少。 * 改善系统可靠性。v l s i 使线路大幅度减少，其平均无故障时间( m t b f ) 大大长 于分立元器件电路。正确设计的微机控制系统的可靠性大大优于控制系统中的其他元器 件。 * 数字电路不存在温漂问题，不存在参数变化的影响。内部计算完全准确，但一般 受字长影响存在量化误差。采用适当定标可以避免溢出，保证计算精度。 * 可设计统一的硬件电路，适合于不同的控制系统要求。软件设计具有很大的灵活 性，可以有不同版本，还可以加快产品的更新换代。 * 可完成复杂的功能。诸如指令、反馈、校正、运算、判断、监控、报警、数据处 理、故障诊断、状态估计、触发控制、p w m 脉冲产生、坐标变换等。 但数字控制系统也有自身的不足，需要在设计和实施过程中应加以注意： * 存在采样和量化误差。尽管计算机内部的数字量非常精确，但需要通过数模和模 数转换器与外界进行数据交换。其位数和计算机的字长是一定的，增加位数，字长或者 提高采样频率可以减少这一误差，但不能无限制的增加。 * 响应速度慢于专用的硬件或模拟系统。计算机处理信号是以串行方式进行的，尽 管微处理器的速度提高得很快，但要完成很多任务仍需要较长时间。此外，采样时间的 延迟可能造成系统的不稳定。 * 数字控制系统的开发金额调试是非常昂贵和费时的。 * 对软件实现的功能不易用仪器直接观测，也不易像在模拟控制系统中方便的调节 和改变参数。 6 箜三重兰堑皇遇照型丕鱼望堡亟盐 3 2d s p 与单片机的比较 在总体方案确定后，首要任务就是选择一种合适的微处理器芯片，由于微处理器的 种类繁多，选择合适的微处理器是控制系统设计的关键之一，其选择将直接影响系统的 控制功能和控制效果的实现。通用微处理器( m c u ) 与数字信号处理器( d s p ) 的区别 如下表3 1 所示。 表3 1d s p 与m c u 的特点比较 d s pm c u 应用数据密集型运算控制，各种运算 i 数据通路m a c 和a l u浮点，定点运算单元 i 数据运算溢出保护位，饱和处理异常中断处理 j 异常处理忽略，保持不变异常中断处理 主要运算m a c 操作m o v e 数据搬移 j 数据寻址专用的地址形成单元层次化地址形成 卜总线内部多总线层次化的总线 转移处理简单，无预测分支预测机制 从m c u 指令集的设计以及硬件系统结构上看，它提供了大量的对于控制类型操作的支 持，以及基本的算术逻辑操作实现。而d s p 的设计主要针对运算密集型的算法，需要大 量的m a c 操作。m c u 一般都采用程序存储器和数据存储器共用的方式，在执行数字信 号处理算法的时候，会因为指令预取和数据访问发生冲突，从而降低处理器的性能，成 为系统的瓶颈。 除此之外，本设计所选择的t i 公司的t m s 3 2 0 c 2 4 0 系列开发平台还具有内置的高 精度a d 转换器，多路的脉宽调制通道( p w m ) 以及片内光电编码接口电路，这些功能 使得硬件，软件设计更为简单、高效，更适于柴油发电机组所要求的较为复杂的控制。 3 3 定点d s p 与浮点d s p 的区别 按数据格式分类，d s p 芯片可分为定点d s p 和浮点d s p 。在此比较二者的特点，并 作为选择的根据。 在总体运算性能上看，浮点d s p 要优于定点d s p 。其中，浮点d s p 可以完成整数 和实数运算，它的数据格式分为阶码和尾数。定点d s p 完成的整数或小数运算，数值格 式中不包括阶码。对定点d s p 进行运算时就必须考虑“溢出”问题。溢出是指在d s p 运算时超出其动态范围的情况，这给软件编程带来一定的困难。浮点d s p 的地址总线比 定点的宽，因而有较大的寻址空间。在指标上，定点d s p 的m i p s 较高，但浮点d s p 的 一条指令完成的功能比定点d s p 要多。 另外，在进行工程设计时，还要考虑功耗、成本、体积等因素，这些因素决定了它 们的刁i 周应用场合。浮点d s p 的长指令字以及宽的地址总线造成较大的功耗，而定点 7 亟_ 二墅笠垫皇遁蕉型亟煎望签选| 土 d s p 的结构较为简单，典型的】6 位总线允许其装入很小的封装巾，减小功率消耗，尽管 浮点d s p般都有省电模式，但其功耗依然比定点高，因此在无法持续供电的场合，一 般选用的都是定点d s p 。 由二f 定点d s p 的价格比浮点的低，因此，当成本成为一个重要因素时，大量嵌入式 系统选用厂定点d s p 。 在本设计中，根据控制系统的精度要求，并考虑成本选择r1 6 位的定点d s p 作为 控制系统的主芯片。因此要注意在程序调试时使用相应语言的定点算法，由于需要定 标，这种算法要比普通的浮点算法要复杂得多”】。 3 4 车载电源控制系统总体方案设计 在设计d s p 系统之前，首先必须根据应用系统的目标确定系统的性f i g 标、信号处 理的要求，通常可用数据流程图、数学运算序列、正式的符号或自然语言来描述。然 后，根据系统的要求进行高级语言的模拟。一般来说，为了实现系统的最终目标，需要 对输入的信号进行适当的处理，而处理方法的不同会导致不同的系统性能，要得到最佳 的系统性能，就必须在这一步确定最佳的处理方法，即数字信号处理的算法 ( a l g o r i t h m ) ，因此这一步也称算法模拟阶段。有些算法模拟时所用的输入数据并不一 定要是实际采集的信号数据，只要能够验证算法的可行性，输入假设的数据也是可以 的。 在完成第二步之后，接下来就可以设计实时d s p 系统，实时d s p 系统的设计包括 硬件设计和软件设计两个方面。硬件设计首先要根据系统运算量的大小、对运算精度的 要求、采样周期和控制周期的选择、系统成本限制以及体积、功耗等要求选择合适的 d s p 芯片。然后设计d s p 芯片的外围电路及其他电路。软件设计和编程主要根据系统要 求和所选的d s p 芯片编写相应的d s p 汇编程序，若系统运算量不大且有高级语言编译 器支持，也可用高级语言( 如c 语言) 编程”1 m 】f 1 ”。 还应明确软、硬件各自应完成的功能，由于硬件结构与软件方案会相互影响，阕 此，从简化电路结构、降低成本、减少故障率、提高系统的灵活性与通用性方面考虑， 如软件能实现的功能尽可能由软件完成；但也要考虑以软件代替硬件的实质是以降低系 统实时性、增加处理时间为代价的，而且软件设计费用、研制周期也将增加，因此系统 的软、硬件功能分配应根据系统的要求及实际情况而合理安排，统一考虑。 d s p 硬件和软件设计完成后，就需要进行硬件和软件的调试。软件的调试一般借助 丁d s p 开发工具，如软件模拟器( s i m u l a t o r ) 、d s p 开发系统或仿真器( e m u l a t o r ) 等。调 试d s p 算法时一般采用比较实时结果与模拟结果的方法，如果实时程序和模拟程序的输 入相同，则两者的输出应该一致。应用系统的其他软件可以根据实际情况进行调试。硬 件调试般采用硬件仿真器进行调试，如果没有相应的硬件仿真器，且硬件系统不是十 分复杂，也可以借助于一般的工具进行调试。 系统的软件和硬件分别调试完成后，就可以将软件脱离开发系统而直接在应用系统 上运彳= | 二。当然，d s p 系统的开发，特别是软件开发是个需要反复进行的过程，虽然通 8 筮二至笠戴鱼逝撞剑丕箜：叠缝邀| 士 过算法模拟基本上可以知道实时系统的性能，但实际上模拟环境不可能做到与实时系统 环境完全一致，而且将模拟算法移植到实时系统时必须考虑算法是否能够实时运行的问 题。 9 第四章车载电源控制系统硬件电路设计 4 1 车载电源控制系统硬件结构 “ 车载电源控制系统运行过程中，需要在规定时间周期内采集数据( 如电压、电流等 参量) ，并发出控制信号，以保证系统正常工作，达到指定的性能指标。d s p 的核心是具 有算术和逻辑运算能力的处理单元，主要用于数据处理，为使控制系统完成实时控制， 需要附加有控制功能的外围设备，如存储器，数模及模数转换器，脉宽调制器，通讯接 口，以及其他外围电路来完成控制任务【l 9 】 2 0 1 。 图4 1 为车载电源控制系统硬件结构的系统框图。 图4 1 控制器硬件系统框图 其中以d s p 为核心控制器件，d s p 内置有事件管理器( 可产生所要求的p w m 波形) ， a d s c i ，s p i ，c a n 筹模块，外围可扩展d a ，存储器，可编程逻辑器件等模块刚。首 先分别由电压和电流耍缮器、速度传感器获取系统的关键参数，通过模拟量输入端子输 入到d s p 内置的a d 模块，通过控制器的算法程序计算得到控制量，然后由事件管理器 输出p w m 脉冲给外围白勺 两个功率电路，分别是发电机电压调节模块和柴油机速度控制模 块，完成对柴油发电机组的自动控制。由数字i o 口实现与人机界面的接口，s c i 与外 部的r s 一2 3 2 串口相连，。完成控制器与外部通讯的功能，d a 模块可以实现燃油控制和其 他用户自定义的控制功能。功率电路的保护中断可连接到p d p i n t 管脚，实现硬件中断。 下面将详细介绍d s p 芯片，内部模块与外围器件的具体功能和设计。 4 2t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片介绍 4 2 1 哈佛结构 哈佛结构是不同于传统的冯诺伊曼结构的并行体系结构，其主要特点是将程序和 数据存储器分在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是互相独立的存储器， 每个存储器独立编址，独立访问。与两个存储器相对应的是程序总线和数据总线两条总 线，从而使数据的吞吐率提高了一倍。而冯诺伊曼结构则是将指令、数据、地址存储 在同一存储器中，统一编址，依靠指令计数器提供的地址来区分是指令、数据还是地 址。取指令和取数据都访问同一存储器，数据吞吐率低。多总线结构就像在d s p 内部架 起了四通八达的高速公路，保障运算单元及时的取得需要的数据，提高运算速度。采用 哈佛结构的d s p 芯片的总线结构如图4 2 所示。 ，地址发生器!丽耐丽 垡! j j r o m 一厂i _ 。一ri rv 1-j f ! j ：j ii 程序存储 - t数据存储 _ 程序存储 a d db u s d a t e b u s 图4 2 采用哈佛结构的d s p 处理器 在略佛结构中，由于程序和数据存储器在两个分开的空阔中，因此取指和执行能完 全重叠运行。为了进一步提高运行速度和灵活性，d s p 芯片雀基本哈佛结构的基础上作 了改进；一是允许数据存放在程序存储器中，并被算术指令潼接使用，增强了芯片的灵 活性。二是指令存储在高速缓存器中，当执行指令时，不需要再从存储器中读取指令， 节约了一个指令周期的时间。 4 2 2 ，流水线操作 ： 在改进的哈佛结构的基础上，t i d s 3 2 0 系列d s p 采用流粼线操作以减少指令执行时 间，从丽迸一步增强处理器的数据处理能力。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 褓用四级流水线。在四级 流水线操作中，取指令，指令译码，取操作数以及指令执行搡作可以独立地处理，这可 以使指令执行能完全重叠。在每个指令周期内，四个不同的指令处于激活状态，每个指 令处于不同的阶段，如图4 3 所示，该图适用于单字，单周期指令且无等待状态执行的 四级流水线操作。 差四童至亟皇鎏蕉剑亟箜塑鲑皇堕亟过 c l k o u t l ，厂乙l 厂 一l 一 取指令卜盟- 一盟“m 至- f m - h 译码 一m + n 奠土j j n 2 一 读指令 ；麴= 全- _ n - ! ：! n 士1 一 执行i 丛3 丛= 至上n ：j 二_ n 一 图4 3 四级流水线操作 4 2 3专用的硬件乘法器口 在一般的计算机上，算术逻辑单元( a l u ) 只能完成两个操作数的加，减及逻辑运 算，在这样的计算机的汇编语言中虽然由乘法指令，但乘法( 或除法) 则由加法和移位 来实现。因此它们实现乘法运算较慢，但在一般形式的f i r 滤波器，乘法是d s p 的重要 组成部分。对每个滤波器抽头，必须作一次乘法和加法。乘法速度越快，d s p 处理器的 性能就越高。在2 0 0 0 系列中，由于具有专用的硬件乘法器，乘法指令可以在一个指令周 期内完成。 4 2 4特殊的d s p 指令 d s p 芯片的另一特征是专为数字信号处理而设计的指令系统。 4 2 5快速的指令周期 哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的d s p 指令再加上集成电路的优 化设计，可使d s p 芯片的指令周期在2 0 0 n s 以下。t m s 3 2 0 系列处理器的指令周期已经从 第一代的2 0 0 n s 降低至现在的2 0 n s 以下。快速的指令周期使得d s p 芯片能够实时实现 许多d s p 应用。 4 3t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片的片内资源 一 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片是t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 平台下的一种定点d s p 芯片。几种先进的外设 被集成到芯片内，形成了真正的单芯片控制器，是一种低成本、低功耗、功能强大的数 字化控制升级产品。其d s p 芯核为1 6 位，运算速度达到4 0 m i p s 。 其主要特点如下： 用高性能静态c m o s 技术，使得供电电压降为舞3 v ，减少了控制器功耗；4 0 m i p s 韵执行速度使得指令周期缩短到2 5 n s ，从而提高了控制器实时控制能力。 基于t m s 3 2 0 c 2 x x d s p 的c p u 核，保证了t m s 3 2 0 i j 2 4 0 x 系列d s p 代码和t m s 3 2 0 系 列d s p 代码兼容。 。 片内有高达3 2 k 的f l a s h 程序存储器，高达1 5 k 的数据程序r a m ，5 4 4 字双口 r a m ( d a r a m ) 和2 k 的单口r a m ( s a r a m ) 。 。 t 两个事件管理器模块e v a 和e v b ，每个包括：两个1 6 位通用定时器；8 个1 6 位的 脉宽调制( p w m ) 通道。它们能够实现：三相逆变器控制；p w m 的对称和非对称波形：当 狲部引脚而丽i 出现低电平时快速关闭p w m 通道；可编程的p i ) r i 死区控制以防止上下桥 臂同时输出触发脉冲；3 个捕获单元；片内光电编码器接口电路：1 6 通道a d 转换器。 1 2 蔓四重主萎皇夔趁剑墨箕熊i 生皇堕塑盐 事件管理器模块适用于控制交流感应电机，无刷直流电机，开关磁阻电机，步进电机， 多级电机和逆变器。 可扩展的外部存储器( l f 2 4 0 7 a ) 总共1 9 2 k ：6 4 k 的程序存储器空间；6 4 k 数据存 储器空间；6 4 k i 0 寻址空间。l f 2 4 0 7 ad s p 的存储器包括r a m ，r o m 和f l a s h ，其中具有 单端口r a m ( s a r a m ) 和双端口r a m ( d a r a m ：b o 块，b 1 块，b 2 块) 。 * 看门狗定时器模块( w d t ) 。 * 1 0 位a d 转换器最小转换时间为5 0 0 n s ，可选择由两个事件管理器来触发两个8 通道输入a d 转换器或一个1 6 通道输入的a d 转换器。 * 控制器局域网络( c a n ) 2 o b 模块。 * 串行通信接口( s c i ) 接口模块 1 6 位的串行外设( s p i ) 接口模块。 * 基于锁相环的时钟发生器。 * 高达4 0 个可单独编程或复用的通用输入输出引脚( g p i o ) * 5 个外部中断( 两个电机驱动保护，复位和两个可屏蔽中断) 电源管理包括3 种低耗能模式，能独立地将外设器件转入低能耗工作模式。 4 4通讯模块 4 4 1 异步串行接口( s c i ) l f 2 4 0 7 ad s p 有一个片上的异步串行接口，该串行接口可以外接一个m a x 2 3 2 串行接 收芯片，以便与r s 2 3 2 外部串行信号相接。还可选用m a x 4 8 8 e 作为r s 4 8 5 串行接口的驱 动芯片，己被用户选用。 d s p 控制器可通过r s 2 3 2 串行接口或者其他通讯方式( c a n 总线) 与上位计算机相 连，这样就可对电源控制系统进行远程监控，实现以下功能： * 读取和显示控制器用到的全部实际值； * 提供控制器全部内部设定值； * 修改控制器全部设定值以及操作有关的全部参考值； t 诊断控制器内的缺陷的模块和缺陷的原因。 4 4 2c a n 控制器模块 c a n 总线收发器的电路图如图4 4 所示。 + 5 v c a n t x c a n r x c a n u c 5 3 5 0 一一一一 v c cv r e fl 一一 ， 3 i 5 ；。1 j i j j t x d c a n h l 一一 17 r x dc a n l _ 啊 46 o n d r s 一 2，8 ： 图4 4c a n 总线收发器 1 3 丛，。， 4 型 ：譬 一 g 一 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 即控制器区域网口7 】m 】，主要用于各种设备监测及 控制的一种网络。c a n 具有结构简单，通信方式灵活。高可靠性、现场抗干扰能力强、 传输速率快、通讯距离远、易于使用、维护和网络扩展等特点，为工业控制系统中的数 据传输提供了一种新的解决方案，本设计中使用芯片u c 5 3 5 0 作为c a n 收发器，可用于实 现发动机并联时机组间的通讯，今后还可在c a n 总线方面做相关的改进工作。 4 5人机接口电路 除了上文提到的使用上位计算机作为人机界面外，数字式控制器般采用计算机特 有的键盘、l e d 或l c d 显示器等输出输入设备取代模拟式控制器面板上众多的调节旋钮 ( 电位器) 和控制开关，从而避免模拟式电位器或开关元件接触不良给整个系统带来的 危害。这种接口电路，小巧方便，节省空间，在安装调试、试验整定和检修时可以召唤 显示并在线修改数字控制器的主要控制和运行参数。这些参数主要有控制器所用的控制 规律的参数，诸如发电机端电压给定、励磁电流给定、转速给定、调差系数及各种限制 值等参数。通过这些调整可以使控制器达到期望的最佳运行状态和控制效果。另外，必 要时要在软件中设置防止误操作和输入检验等功能。 4 5 1键盘 采用四个d i p 开关作为键盘，以便于调试。其i o 映射地址为o x 0 0 0 8 ，与一片8 位 双向总线收发器( s n 7 4 v t h 2 4 5 ) 的低四位相连。可将这4 个开关分别定义为开车，停 车，并车和主从开关，并由软件设置来完成其功能。另外，扩展键盘，就可以完成如参 数设置，信息显示等功能。键盘电路图如图4 5 所示。 、r ： 图4 5 键盘电路 4 5 2显示电路 由于整个柴油发电机组系统参数多且复杂，现仅在控制器外围扩展l e d 相关模块， 以显示柴油发电机组的重要参数，如发电机电压，电流，频率，水温，油压。本设计选 用m a x i m 公司的7 段共隰极l e d 数码管的驱动芯片m a x 7 2 1 9 ，该芯片最多可驱动8 位 l e d ，并且使用方便，连线简单，可串联使用，大大简化了硬件电路，减小了软件的工作 量。显示电路图如图4 6 所示。 塑 躺 墓四重主塑鱼遂墼型丕缍缝堡皇堕丝盐 图4 6l e d 驱动模块 另外，还可扩展l c d 模块，由于其功耗低，体积小，重量轻，显示功能强大，被广 泛运用到各种智能型仪表和低功耗的电子产品中。点阵式l c d 不仅可以显示字符，数 字，还可以显示各种图形，曲线和汉字，并且可以实现屏幕上下左右滚动，闪烁，文字 特征显示等功能，在此可选用液晶显示器m g 一1 2 2 3 和其驱动器s e d l 5 2 0 f o a ，由于液器 显示及其驱动器的指令集较为繁琐，在此不做详细谈论。 4 6 信号采集和开关量输入输出电路 4 6 1交流电量采集电路脚o 】【3 1 】 车载电源控制系统主要采集三相端电压、三相端电流和转速脉冲信号。交流电压和 电流的采样电路如图4 7 所示。 l 1 、 l 2 ： l 3 c t l 一一i 一：一 c t 2 、一 一 一 c t 4 p t l 掣p t 2 p t 3 转 。， 图4 7交流电量采集电路图 图4 7 中，通过电压互感器咒l 、p t 2 、p t 3 得到三相交流相电压u a 、u b 、u c ，分别 依次接入l f 2 4 0 7 d c s 开发板a d c 接i ：f l 的a d c i n i 、a d c i n 2 、a d c i n 3 ；由一次电流互感器 c t i 、c t 2 、c t 3 和二次电流互感器c t 4 、c t 5 、c t 6 得到三相交流相电流i a 、i b 、i c ，分 j ；i j 依次接入a d c i n 4 、a d c i n 5 、a d c i n 6 。电压测量电路地g n d 和电流测量电路地i m 经电 1 5 蔓四童主篓皇婆毽型墨堑堡鲑皇墅丝盐 疆和电容耦合接在一起，电位稳压在1 5 v 后接入a d c i n o ，这样是解决a d c 只能采样直 流信号的情况，又同时要保证每路采样信号变化范围在0 3 v 之间。 4 ，6 2开关量输入输出电路 开关量输入输出接口是一般控制系统必须具备的环节，用于控制系统与外部设备的 联系。开关量输入输出电路图如图4 8 所示。 + 5 v 。一一 i 一l t t l i1 37 4 l v c l 6 2 4 5 ：一t t l i 1 3 一 ，一一 一 图4 8开关量输入输出电路图 图4 8 中，芯片7 4 l v c l 6 2 4 5 用于数据缓冲，7 4 l s 0 6 起驱动放大作用。光电耦合芯 片t t l l1 3 实现内外电路的电气隔离。 6 星重量王羹皂煎堡剑垂堑墼鲑送盐 第五章车载电源控制系统软件设计 5 1 软件编程的总体说明 车载电源控制系统软件设计总体说明如。f ： 系统目标板为s e e d 公司的l f 2 4 0 7 d c s 板。 外接时钟频率i o m h z ，p l l 倍频系数为4 ，d s p 系统时钟频率为4 0 m h z 。 调试环境为美国德州仪器公司t i 的数字信号处理器系统集成开发环境 c c 2 0 0 0 ，版本为4 1 0 。 木程序采用汇编语言和c 语言混合编写。 木柴油机带每转1 0 2 4 脉冲的光电编码器。 丰d a c 输出频率周期l o o m s 。 木电流、电压采样频率为i o k h z ，即l o o u s 。 术转速采样频率为1 k h z ，即l m s 。 半c a n 通信速率1 m b s 。 宰符号定义头文件c 2 4 0 7 h ，链接器命令文件c 2 4 0 7 c m d 。 5 2 系统控制周期选择 车载电源控制系统由励磁和调速两部分系统组成，由于转速变化远远慢于电压的变 化，因此，全数字控制系统对每一部分使用了不同的控制周期，同时它们的控制周期也 是它们各自的采样周期。控制周期以周期定时中断方式产生，在l f 2 4 0 7 中，定时计数 器1 、1 完成此功能。励磁系统控制周期定为l o o u s ，调速系统控制周期定为l o o m s 。周期 定时中断流程如图5 1 所示。 送出d a c 值 l 送出数字触发脉冲1 f _ 起动a d c f t e m p t 自i 1 l 。逦m 1 0 0 q t n y f 计算转速n f |复位t 4 f i 清t e m p t = o e 二二 一 一生! ! 堡回 图5 1周期定时中断流程图 t l 发生一次中断，表示励磁系统控制周期中断一次，在中断服务程序中，程序会送 出本周期的控制量，然后起动a d c 设备。在图5 1 中，使用了t e m p t 变量来完成调速控 制周期的定时中断。当t e m p t = 1 0 0 0 时，即l o o m s ，调速系统的控制周期发，中断，程序 7 送出控制量，然后起动t 4 。 5 t 3 系统初始化设计 车载电源中的柴油发电机组工作，首先是将柴油机控制开关从停车转到怠速状态， 将发电机转速调到厂家所推荐的数值；然后开关转到运行状态，这时机组开始加速，记 录加速时间，反复调整时间，直到同制造厂家所推荐的时间符合为止；在运行的状态， 机组达到额定转速，在额定转速下。发电机输出电压的频率为6 0 h z ：接下来是起压过 程，完成这一过程首先要投入励磁系统，如果电压过高或过低，要求重新起压，直到电 压和频率都达到额定值为止。在加入负载或有并车时，控制器会进行自动调节，达到机 组系统反映相当快且足够稳定的响应。 对基于l f 2 4 0 7 芯片的全数字控制系统，实现柴油发电机组上述工作流程，只要在 l f 2 4 0 7 芯片中写入相应的程序即可。在l f 2 4 0 7 芯片中写入柴油发电机工作流程，软件设 计如图5 2 所示。 ：一j i 硒一 一一一一 一j d s p 芯片初始化 - j 中断设簧 i 自动手动起动 t 起压 f 并车 一r l l _全塑 i i 等待 图5 2控制系统主程序流程图 首先，系统由ci n t 0 标识进入主程序，主程序先进行对d s p 及其他外围器件的初 始化工作，包括d s p 系统时钟的设嚣，片内d a r a m ，s a r a m 的地址分配，定时器t i m e r l 、 t i m e r