（电力电子与电力传动专业论文）基于希尔伯特变换的船舶电站准同步并车装置的研究与设计.pdf

英文摘要 r e s e a r c ha n dd e s i g no ft h ep r e c i s es y n c h r o n o u sa u t o m a t i cp a r a l l e l e q u i p m e n t f o rt h em a r i n ep o w e r s y s t e m b a s e du p o nh i l b e r t t r a n s f e l l t l l a b s tt a c t t h em a r i n ep o w e rs y s t e mi st h ec o r eo ft h ep o w e rs y s t e mo ft h es h i p i tp l a y sa n i m p o r t a n tr o l ei nd e t e r m i n i n gt h em a r i n e sc o s tc o n t r o l ，t e c h n i c a lm e r i ta n dm a x i m u m s e r v i c el i f e t h ep r e s e n tp a r a l l e lo p e r a t i o np r o c e s sh a sv e r yc o m p l e xh a r d w a r es y s t e m ， w h i c ha l s oh a sl o w e ra c c u r a c y i sm o r ed i f f i c u l tt oo p e r a t ea n dn e e d e dt oi m p r o v ew i t h a d v a n c e dp r o c e s s o rc h i p b a s e do nw o r ko fd e v e l o p i n gt h em a r i n ep o w e rs y s t e ma u t o m a t i cf r e q u e n c ya n d p o w e rm o d u l a t i o nt u n e r , t h i st h e s i si sg o i n gt oe x p l o r eh o wt h et i m i n gs y s t e mo ft h e a u t o m a t i cp a r a l l e lo p e r a t i o ns w i t c h g e a rw o r k s ，a n dt h ed e v e l o p m e n tm e t h o do ft h e c o n t r o lp a n e lo ft h ew h o l es y s t e m i te l a b o r a t e so nt h ed i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n g t e c h n o l o g y ( d s p ) o fd r a w i n gt h ep u l s ev o l t a g ee n v e l o pc u r v ew i t hh i l b e r tt r a n s f o r m a c c o r d i n gt ot h ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r ma l g o r i t h m i ti sa l s oa b o u tp a r a m e t e rs e l e c t i o n w i t ht h eu s eo ft m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 at oc o m p l e t et h eb e f o r e m e n t i o n e dp r o c e s s i tg r e a t l y s i m p l i f i e st h ee x t e r n a lh a r d w a r ec i r c u i tb yu s i n gd s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 am o d u l u sa d c u n i tt og e ts a m p l i n gv a l u eo ft h ep u l s ev o l t a g e ，a n dt h e nu s i n gs o f t w a r ed e s i g na p p r o a c h t og e tt h em i n i m u mv a l u eo ft h ep u l s ev o l t a g es i g n a le n v e l o pv a l u ea n dt ol a t e rf i g u r e o u tt h es y n c h r o n o u s p o i n ta tw h i c ht w os i g n a lp h a s e sm e e t t h ed s p t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a , w h i c hh a sg r e a to p e r a t i o nc a p a c i t y , c a l li n c r e a s et h es y s t e m sr e a c t i o nv e l o c i t ya n dt i m e c o n t r o la c c u r a c y i th a sp r a c t i c a lu s ei nt h ed e v e l o p m e n to ft h em a r i n ep o w e rs y s t e m a u t o m a t i cp a r a l l e lo p e r a t i o ns w i t c h g e a r t h ea r t i c l ea l s of o c u s e so nt h eh a r d w a r ei n t e r f a c ec i r c u i to ft h es y s t e m sc o n t r o l p a n e l ，t h es o f t w a r ef l o wp a t t e m ，a n dt h eu s e r - d e f i n e dc o mp r o t o c o lb e t w e e nt h ed s p t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7a n ds c ma t 8 9 s 5 2 t h eo p e r a t o r sc a nn o to n l yg e tv a r i o u sp a r a m e t e r s o fe a c hp o w e rs e t d i r e c t l yf r o mt h el c dm o d u l e ，b u ta l s o c a no p e r a t et h ed s p t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7s y s t e mm a n u a l l yo nk e y b o a r d ，s u c ha si n p u tv a r i o u sp a r a m e t e r so r c o n t r o lo na n do f fo ft h ee l e c t r i cg e n e r a t i n g s e t ，e t c t h ec o n t r o lp a n e l ，w h i c hi s c o m p r i s e do fk e y b o a r da n dl c dm o d u l e ，h a sv e r yc l e a ra n du s e r - f r i e n d l ym e n us y s t e m 英文摘要 i na d d i t i o n ，t h et h e s i si n t r o d u c e st h ei m p l e m e n t a t i o no ft h es y s t e m sf r e q u e n c ya n d p o w e rm o d u l a t i o np r o c e s s ，s o f t w a r ef l o wp a n e r n ，a n dt h eh a r d w a r ec i r c u i ta n db a s i c s e t t i n go ft h ec a n c o m m u n i c a t i o n k e yw o r d s ：m a r i n ep o w e rs y s t e m ；a u t o m a t i cp a r a l l e l i n g ；h i l b e r tt r a n s f o r m p r e c i s e s y n c h r o n o u s ；d s p 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文：基王叠筮伯挂銮逸盟丛地电塑丝回生羞奎装置丝婴塞皇途 计”。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集 体己经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：簪咩加。7 年乡月1 8 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密日t 请在以上方框内打“”) 隅：曲年汛p 日论文作者签名：扣哥刷磴各 日期：m 年，月留日 i 基于希尔伯特变换的船舶电站准同步并车装置的研究与设计 引言 1 船舶电站自动化装置的历史以及发展趋势 2 0 世纪初，电开始应用于商船上，最初只是由一台几千瓦的直流发电机供电 给照明负载，直到4 0 年代，因船舶甲板机械大部分由蒸汽作动力，负载功率不大 船舶电站的功率大多在5 0 0 k w 以下，电制多采用直流。到了5 0 年代，世界各国商 船陆续普及交流电制，将陆上交流技术所获得的经验成功地应用到船上，船舶电 站的功率已达到数千千瓦，从而被广泛推广。 为了提高不断增加功率的船舶电站供电可靠性，随着船舶向大型化，高速化 和自动化方向发展，自6 0 年代以来，对船舶电站提出了自动化的要求。船舶电站 自动化的好处有：维持电站供电的连续性和提高可靠性，增强船舶运行的生命力； 提高船舶电站供电质量，使所有用电设备处于良好的工作状态；便于及时发现和 排除故障，改善船员劳动条件，减轻值班强度；减少船员，提供劳动生产率，提 高传播运行的经济指标。 所以船舶电站自动化是机舱自动化的重要组成部分，是实现机舱自动化，进 而实现全船自动化的必要条件之一1 1 i 。 船舶自动化通常包括以下功能： ( 1 ) 发电机组在接到启动指令后，实现自动启动； ( 2 ) 启动成功后，自动投入电网； ( 3 ) 电网电压的自动调节和频率的自动调节； ( 4 ) 同步发电机的自动准同步并车及并联运行发电机组间有功功率和无功 功率的自动分配： ( 5 ) 按电站负荷情况实现对部分负载的自动切除或自动投入； ( 6 )重载询问； ( 7 ) 负载转移和过剩机组( 或者故障机组) 自动解列，自动停机； ( 8 ) 运行参数的控制，显示以及故障的监视处理。 上述全部或者部分功能按照一定逻辑关系组合起来，称为船舶电站综合自动 化装置。实现这些功能及组合手段可以是由继电器，接触器组成的有触点控制系 统；也可以是由晶体管分离元件和集成元件组成的逻辑控制系统：还可以是微机 引言 控制系统。 近年来，随着微机技术的飞速发展，微机控制系统在船舶上的应用越来越广 泛，先后出现过微机集中式自动化系统，分散式自动化系统和集散式自动化系统f 2 l 。 由于计算机的设计、制造与应用技术日益成熟，上世纪八九十年代世界上许多国 家相继研制出微机型电站自动化产品。目前船舶自动化，包括电站自动化在内正 朝着完善的集散型自动化系统( 又称网络型微机控制系统) 方向发展，它集中了以前 集中型和分散型的优点，又克服了它们的缺点。集散控制系统是以微型计算机为 基础，将分散控制装置、通信设备和集中操作与信息综合管理结合在一起的新型 工业控制系统。这类自动化系统在国内外自动化船舶中逐年增多，它的技术指标、 经济指标和可靠性指标更高，功能更强。建立在网络通信基础上的集散型控制系 统的发展，使电站自动化、机舱自动化乃至全船自动化开始进入了一个全新时代。 8 0 年代后期以来，国外各公司陆续推出了采用局域网络技术的船舶控制系 统，如德国西门子公司的未来型系统，丹麦s t l 公司的i s c 系统，美国的s p e r r y 公司的航行管理系统等。在上述系统中都包括电站计算机控制子系统。也就是说 在这些代表发展方向的系统中，电站都是由计算机控制的。w o o d w a r d 公司1 9 9 5 年推出了专用于电站控制的计算机分散式( d c s ) 控制系统，完成柴油机控制，同步 并车，频载控制和系统监测等全部自动化任务。美国o n a n 公司也推出智能化电 站控制系统p o w e r c 0 m m a n d ，实现电站全自动化。而我国目前国内生产的船 舶电站自动化装置，未见有定型的、网络化集散式计算机控制产品的报道。 2 本课题概述 我国是船舶制造、维修、运输的大国，船舶制造、维修市场空间巨大，而我 国在船舶主要控制产品的国产化方面的发展与我国的船舶制造业的规模不相适 应，国产化的高科技含量的控制产品市场需求迫切，潜力巨大。开发生产出具有 自主知识产权的网络化船舶电站自动控制装置，并将其推广应用于我国的船舶制 造、维修市场，市场的发展空间广阔。 本课题是受大连市经委委托的“振兴老工业基地”的项目，从技术攻关的角 度来说，本项目设计出的船舶自动调频调载装置，除了要达到目前船舶自动调频 调载装置的各项功能和技术指标外，还需要具有以下创新点： 基于希尔伯特变换的船舶电站准同步并车装置的研究与设计 ( 1 ) 解决船舶电站自动控制装置的小型化问题； ( 2 ) 采用自适应模糊控制的方法，解决船舶电站自动控制装置针对不同控制 对象的兼容性问题和系统稳定性问题； ( 3 ) 解决船舶电站自动控制装置的网络化问题。 针对上述的要求，我们的设计方案如下： ( 1 ) 采用1 r i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 型芯片。它是专为基于控制的应用而 设计的，具有灵活的指令系统和高速的运算能力，达到4 0 m i p s ( 每秒百 万条指令) ，使得该d s p 控制器能提供比传统1 6 位微控制器和微处理 器能高的性价比，通过采用先进的控制算法，可以增强系统的性能： 由于该芯片具有很好的可靠性和可编程性，克服了模拟系统硬件解决 方案所存在的老化，部件配合误差和漂移等因素。它还具有强大的外 设功能，如事件管理器；控制器局域网( c a n ) ，可以方便的建立c a n 通信网络；串行通信接口，可以实现键盘和液晶与d s p 的连接；模数 转换器，能够方便的采集模拟信号：其他还有看门狗定时器和功率驱 动保护。 ( 2 ) 硬件设计上采用价格较低但稳定性高的器件。 ( 3 ) 软件设计上采用模块化设计方式，适合团队开发。 ( 4 ) 系统兼容手动和自动控制两种控制方式。 ( 5 ) 采用自适应模糊控制的方法，参数设置简便，使得系统具有针对不同控 制对象的兼容性和稳定性。 3 本文内容概述 本文主要阐述下面5 个方面的内容： ( i ) 数据采集系统，该部分是整个船舶电站自动调频调载装置的关键和基 础，数据采集的准确与否以及对控制对象的控制能否实现是以正确地 对电流、电压、频率以及功率各项参数的采集为前提的，文中主要阐 述了单机运行时电网电流、电压、频率、相位差的采集的硬件实现方 法，以及并车过程中，对脉动电压采样采用的模数转换方法( 即a d c 转换) ； 3 引言 ( 2 ) 控制屏的设计以及功能介绍，为了使操作人员能够时时地了解运行机 组的运行状态本文设计了一个具有非常友好的人机对话的控制屏系 统。该控制屏可以时时地显示当i 运行机组的各种参数，包括电流值， 电压值，频率值，功率因数，以及有功、无功功率值。此外该控制屏 还配有键盘，一方面操作人员可以通过键盘对显示屏进行各种操作， 使其显示更多的关于当前机组的状态，包括待启动、正在启动、运行、 并车状态、并车状态、解列、停机；另一方面操作人员可以对其输入 各种参数，并且还是可以手动控制实现对机组的起停操作。在本文中， 控制屏设计的软硬件实现方法以及在设计过程中发现的问题以及解决 办法都做了详细的介绍。 ( 3 ) 同步点的定位算法原理推导以及实现，并车的关键是同步点时刻的确 定，从脉动电压信号引出包络曲线的概念，着重介绍了希尔伯特法( 英 文简称h i l b e r t ) 取包络曲线的数学推导，进而讲述了d s p 的实现方法一 一即借助快速傅立叶变换( 英文简称f f n 实现h i l b e r t 变换。重点介绍了 在参数选择的过程中用m a t l a b 进行仿真的过程，并且对方法的正确与 否和可行性进行了验证。最后本文介绍了软硬件的实现方法。 ( 4 )自动调频调载装置的软硬件实现方法。网络化的具体实现方法以及软 硬件的介绍，本文采用c a n 总线作为信息转送的通道，实现两个 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 之间的信息传送，并利用p c i 卡实现 t m s 3 2 0 l f 鬯4 0 7 a 与上位机之间的信息传送。 4 基丁i 希尔伯特变换的船舶电站准同步并车装置的研究与设计 第1 章数据采集模块以及输出控制模块 1 1 系统整体结构及t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 介绍 1 1 1 系统整体结构 系统采用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 型号d s p 为主控单元，系统硬件原理图如图1 1 所示，主要由以下几个部分组成。 图1 , 1 系统硬件原理图 f i g 1 1s y s 蛔nh a r d w a r ee l e m e n t a r yd i a g r a m 如图1 1 所示每台发电机组以d s p 为控制核心的节点模块负责电网电压、发 电机电压、电流、频率、功率、相位等信号的采集处理，并根据相应控制算法通 过信号输出模块对发电机发出加减速信号，控制主开关的开合闸，实现发电机组 的自动并车，调频调载等功能，并且通过串口通信利用单片机控制液晶显示相应 的数据，发电机组通过c a n 总线和上位机连接起来构成局部网络系统，可以把工 作状况的参数通过c a n 网络发送到上位机中，实现监控、显示和控制功能。 1 1 2t m s 3 2 0 l l 砣4 0 7 a 介绍 ( 1 ) d s p 在运动控制领域的应用 自d s p 出现以来，电机控制就是d s p 主要应用领域之一。特别是随着控制理论 的发展和高性能控制的需求，一般的单片或多片微处理器不能满足复杂而先进的 控制算法时，更使得d s p 成为这种应用场合的首选器件。为了更好的应用于电动机 第1 章数据采集模块以及输出控制模块 控制器，除了微处理器，还需要专用门阵列组合，以及相应的存储器和外围芯片， 这就使得芯片数量增加，软件复杂，价格提高。针对这一问题，美国a t ) 和t i 公司 相继研制成功了以d s p 为内核的集成电机控制芯片t i 公司的t m s 3 2 0 c 2 4 x 系列， a d 公司的a d m c 系列。这些控制器不但具有高速信号处理和数字控制功能所必需 的体系结构、抗干扰能力强等特点，而且有为电机控制应用提供单片解决方案所 必需的外围设备。据报道，目前全球每销售一枚手机用d s p 芯片，就有1 0 枚应用在 电机控制领域。随着经济的发展，能源和环保的要求和对控制器的体积要求越来 越高，d s p 必然会得到更加广泛的应用。 ( 1 ) t m 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片概述 图1 2 t m 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片的功能结构框图 f i g 1 2t m 3 2 0 l f 2 4 0 7 af u n c t i o n a lc o n f i g u r a t i o nb l o c kd i a g r a m t m 3 2 0 u 恐4 0 7 a 是t m 3 2 0 l f 2 4 x 系列中功能最高的一款d s p ，如图1 2 ，其主要单 元有： t m s 3 2 0 u 砣加7 a 核心c p u 3 2 位中央算术逻辑单, 元( c a l l d 3 2 位累加器 6 基于希尔伯特变换的船舶电站准同步并车装置的研究与设计 1 6 位x1 6 位的3 2 位输出能力并行乘法器 3 个定标移位器 8 个具有专用算术单元的1 6 位辅助寄存器可以用于内存的间接寻址 内存 5 4 4 字1 6 位片内数据，程序双存取r a m 3 2 k 1 6 位f l a s he p r o m 2 2 4 k 1 6 位最大可寻址空f o j ( 6 4 k 字的程序空间、6 4 k 字的数据空间、6 4 k 字 的i o 空间和3 2 k 字的全局空间) 具有软件等待状态发生器、1 6 位地址总线和1 6 位数据总线的外部内存接口模 块支持硬件等待状态 程序控制 4 级流水线操作 8 级硬件堆栈 5 个外部中断( ( 2 个驱动保护、1 个复位和2 个可屏蔽中断) 指令集 和c 2 x c 2 x x ，c s x 定点d s p 在源代码级别上保持兼容 单指令重复操作 单周期乘加指令 具有内存块移动指令用于程序数据管理 间接寻址能力 耗电 高性能静态c m o s 技术，3 3 v 的f l a s h 编程电压 四种省电模式可进一步减少电能损耗 速度 2 5 n s 的指令周期( 4 0 m i p s1 且大多数指令都是单周期指令 事件管理器 1 2 路比较脉冲宽度调制( ( p w m ) 通道 4 个1 6 位通用定时器可工作于六种工作方式，包括连续向上计数模式和连续上 7 第1 章数据采集模块以及输出控制模块 下计数模式 6 个1 6 位比较单元具有产生死区的能力 6 个捕捉单元，其中两个有与正交编码器脉冲接口的电路 双1 0 位模数转换器 2 8 个独立可编程复用的i o 引脚 基于锁相环( p u 0 的时钟模块 具有实时中断监视定时器( w a t c h d o g ) 模块 串行通信接n ( s c o 模块，1 6 位串行外部设备接口( s p i ) 模块，有利于实现与 其它控制器之间的连接。 控制器局域网( c a n ) 1 2 数据采集模块 数据采集是整个船舶电站自动调频调载装雷的关键和基础，数据采集的准确 与否以及对控制对象的控制能否实现是以正确地对电流、电压、频率以及功率各 项参数的采集为前提的，文中主要阐述了单机运行时电网电流、电压、频率、相 位差的采集的硬件实现方法，以及并车过程中，对脉动电压采样采用的模数转换 方法f 即a d c 转换) 。 1 2 1 电压、电流模数转换电路 f 1 ) d s pt m s l f 2 4 0 7 a 的a d c 转换模块简介 本系统对电压以及电流的采样是用d s p 内部的a d c 模块来实现的，所以首 先介绍一下a d c 模块。 由上节介绍的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片结构可知，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 有两路相对 独立的a d c 模块，具有内置采样保持的1 0 位a d c 内核。主要特点“1 ： 转换时间快，可达到3 7 5 n s ； 每路各带有一套采样保持电路和8 路模拟输入信号的选通电路，共可输入 1 6 路模拟信号； 两路a d c 模块可以同时工作，即两个模拟信号可被同时转换，亦可采用单 次转换方式或连续转换方式，且具有自动排序能力，最多一次可以执行1 6 个通道 的自动转换，而每次要转换的通道可以通过编程来选择； 基于希尔伯特变换的船舶电站准同步并车装置的研究与设计 转换启动可以由软件、内部事件和或外部事件触发；含有可单独访问的1 6 个两级转换结果寄存器，可存放两个连续的转换结果限e s u l t 0 r e s u l t l 5 ) ； 睡个可编程的a d c 模块控制寄存器，支持中断查询的操作。 灵活的中断控制允许在每一个或每隔一个序列的结束时产生中断请求。 通过上述对a d c 特点的介绍，可以应用该模块对电压电流进行采样，在运用 时必须注意：a d c 输入引脚的采样信号电压必须满足该型号d s p 的输入电压范围 ( o 一3 3v ) ，最大不能超过3 9 v ，否则将导致a d c 模块损坏。 ( 2 ) 电压信号采集电路 为了实现自动并车和自动调频调载等功能，必须对待并发电机和电网的电压 进行检测。本文采用的硬件方法：经过电压互感器对检测到的电压信号进行隔离 降压，电压互感器采集到的是正弦交流电压信号，由整流电路将其整流成为脉动 的直流电压，由于脉动直流电压中还含有较大的纹波，必须通过滤波电路进行滤 除后，才能得到平滑的直流电压信号u 。然后再把直流电压通过电阻分压成叽3 3 v 的电压信号，这样d s p d 能经过模数转换器( a d c ) 的模拟输入通道采集电压信号 并进行数据处理。本文采用电压互感器进行电压隔离，将外部电网的高压与控制 电路进行隔离。硬件电路如图1 3 所示： 图1 3 电压采集电路 f i g 1 3v o l t a g ec o l l e c t i o nc i r c u i t 实际测量电压互感器的原边电压和经过采集电路处理后的电压进行对比，二 者呈线性关系，如表1 1 所示： 9 第1 章数据采集模块以及输出控制模块 表1 1 a d c 转换的线形关系 t a b 1 1a d ct r a n $ f o ml i n e a rr e l a t i o n 电压值d s p 的测鼍值 3 4 11 7 8 3 6 11 9 1 3 8 42 0 6 4 0 12 1 7 4 2 1 2 3 2 ( 3 ) 电流信号采集电路 电流值反应当前运行机组的运行状况，是调载均功的重要参数。首先将电流 信号转化成电压信号后再进行进一步的处理，经过c t 0 4 - - 5 2 5 型精密电流互感 器采集转换后的电流信号与发电机电流信号相位一致。该型电流互感器具有以下 特点：p b t 外壳，耐高温，耐腐蚀，环氧树脂灌封，隔离性能好，抗冲击性强。 体积小，外形美观，安装方便，插针式直接焊接线路板。线性好，精度高， 线性范围宽，一致性好。具有很高的性价比等。通过电流互感器将5 a 的电流变成 2 5 m a 的电流信号，副边输出端接精密电阻构成闭合回路，电阻的端电压与电流 的波形一致，采集该端电压就可以得到电流的相位和周期变化，从而实现电流的 采样。它还具有很好地隔离效果，可以隔离外部的电流对采样电路的冲击。 图1 4 电流采集电路 f i g 1 4e l e c t r i cc u r r e n tc o l l e c t i o nc i r c u i t 本文采用精密整流电路对电流互感器副端的电流信号转换来的电压信号进行 整流、滤波、稳压处理后得到电压值，然后经过电阻分压后转换成峰值小于3 3 v 的正弦波电压信号，再经过a d 出入阻抗后就可以送到d s p 的模拟输入端( a d c ) 。 需要注意的是：如果采用一般的二极管整流电路，其存在o 7 v 的压降损失，相对 3 3 v 这个范围来说是不可以忽略不计的。 1 0 基于希尔伯特变换的船舶电站准同步并车装置的研究与设计 1 2 2 频率、相位差及其功率因数的测量方法 ( 1 ) d s p t m s l f 2 4 0 7 a 捕获单元简介 系统通过d s p 的捕获单元对频率信号进行采集，捕获单元是t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 中事件管理器模块( e v ) 中的一个功能模块，它有其自身的中断逻辑系统，功能很强 大，共有六个捕获单元，分别在两个事件管理器中，而每一个捕获单元都有一个 相对应的捕获引脚。 捕获单元的特征有4 1 ： 1 个1 6 位的捕获控制寄存器c a p c o n x ( 对e v a 为c a p c o n a ，对e v b 为 c a p c o n b x 可读写) 。 一个1 6 位的捕获f i f o 状态寄存器c a p f i f o x ( 对e v a 为c a p f i f o a ， 对 e v a 为c a p f i f o b ) 。 可选择通用定时器1 俩对e v a ) 或者3 4 ( 对e v b ) 最为时基。 3 个1 6 位两级深度的f i f o 堆栈( c a p x f i f o ) ，每个捕获单元一个。 可由用户定义的跳变检测方式( 上升沿，下降沿，或上升下降沿) 可屏蔽的中断标志位，每个捕获单元对应一个。 ( 2 ) 硬件实现方法 船舶电网上的电流电压信号是正弦波型，由于电网里存在感性负载和容性负 载，导致了电流滞后电压和电流超前电压。很容易把电流信号和电压信号转化成 同步方波，再把电流电压方波送到异或门7 4 h c 8 6 中比较两个信号，如图1 5 所示： v u v i v o 厂 厂 厂 厂 厂 _ r r r r nr l 鳘| 1 5 电压、电流方波经异或j 后的输出信号 f i g 1 5 0 u t c o m i n gs l g u a lo f v o l t a g ea n dr e c t a n g u l a r w a v ec u r r e n t t h r o u g h e x c l u s i v e o r g a t e v u 、白分别表示电压方波、电流方波和经过异或门的输出信号，可以看 出v o 的正电压脉宽即是电压信号和电流信号的相位差对应的时间值。图1 6 为测 1 1 第1 章数据采集模块以及输出控制模块 频电路。 ( 3 ) 软件流程 图1 6 测频电路 f i g 1 6f r e q u e n c ym e a s u r i n gc i r c u i t 图1 7 测频和测功率因数的软件流程图 f i g 1 7s o f t w a r ef l o wd i a g r a mo ff r e q u e n c ya n dp o w e rm e a s u r i n gf a c t o r t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 内部捕获单元用于捕捉输入脉冲宽度的周期时间。程序初始 基于希尔伯特变换的船舶电站准同步并车装置的研究与设计 化正缘触发。所有的捕捉中断都是由i n t 4 来控制，初始化响应中断，当捕捉器有 触发时，它会由时间管理中断向量寄存器c 内的向量地址知道哪个捕捉中断源所 产生的中断。分别为求功率因数的捕捉器和频率的捕捉器。这里需要提到的一点 是：在中断程序里定义了一个局部变量n ，通过n 在0 ，1 之间的变化来切换触发 沿的正负，这样可以直接测量计算出功率因数角。软件流程如图1 7 。 1 3 输出控制模块 本系统采用2 4 伏供电的继电器输出开关信号给主开关、调速器及柴油机从而 控制其相应的动作。每个系统电路板上共有1 3 个继电器输出电路，他们的功能包 括： ( 1 ) 给待并机启动信号； ( 2 ) 给待并机停车信号； ( 3 ) 给运行机加速信号； ( 4 ) 给待并机减速信号； ( 5 ) 当给运行发电机组的加速信号不能正常运行时，起用备用加速电路输 出加速信号。 ( 6 ) 当给待并发电机组的减速信号不能正常运行时，起用备用减速电路输 出减速信号。 ( 7 ) 当发电机运行出现过载时，给集中监测系统发出过载报警信号。 ( 8 ) 在发电机过载时，系统给发电机发出相应的动作执行信号，实现一级 卸载和二级卸载。 ( 9 ) 当发电机出现逆功时，给报警系统发出逆功报警信号。 ( 1 0 ) 给发电机出现逆功时，发送主开关的分闸信号。 ( 1 1 ) 给主开关发出合闸信号。 ( 1 2 ) 给主开关发出分闸信号。 ( 1 3 ) 在这里还预留了一路备用的输出通道，当上面的某个信号不能正确输 出时，起用该路输出信号。 图1 8 是继电器控制输出电路图，其中三极管为输出信号提供功率驱动，使继 电器工作： 1 3 第1 章数据采集模块以及输出控制模块 + 2 4 v 图1 8 输出接口电路图 f i g 1 8o u t p u ti n t e r f a c ec i r c u i t 1 4 基于希尔伯特变换的船舶电站准同步并车装置的研究与设计 第2 章基于串行通讯的控制屏的设计 现代船舶电站自动化装置要求实现人机对话，这是船舶自动化发展的趋势， 本系统的控制屏就是基于这种考虑设计的，采用a t 8 9 s 5 2 驱动液晶显示模块 y m l 2 8 6 4 ，d s p t m s l f 2 4 0 7 a 和a t 8 9 s 5 2 采用串行通讯方式，并且配备4 4 的键 盘，操作人员除了可以直接通过液晶显示模块了解各个运行机组的各种参数，包 括电压值，电流值，有功功率，以及频率和功率因数等，还可以知道系统当前运 行的状态。并且，操作人员通过键盘可以手动对d s p 进行操作，如输入各种参数， 发电机组的起停等。并且键盘和液晶显示模块结合起来，具有便于操作的菜单功 能，进一步方便操作人员对船舶电站进行各种操作。综上所述，本系统的显示模 块和键盘构成了一个非常友好的人机对话界面。图2 1 为控制屏系统的整体框图。 图2 1 控制屏系统的整体框图 f i g 2 1c o n t r o lp a n e lb l o c kd i a g r a m 2 1 控制屏本结构 本系统的控制屏之所以采取这样一套方案基于以下几点考虑： ( 1 ) 节省d s p 资源：本系统的c p u 是美国1 r i 公司的d s p t m s l f 2 4 0 7 a ， 整个系统的信号转换，以及数据处理，数学、控制算法的实现，指令 发送都是由d s p 完成的，是整个系统的大脑，所以从整个系统资源分 配的角度来看，很有必要用a t 8 9 s 5 2 这样的单片机来完成显示功能， 这样对于编程人员来说，思路更加清晰，资源更加丰富。 ( 2 ) d s p 不可以直接驱动液晶显示模块；d s pt m s l f 2 4 0 7 a 为了减少控制 器的功耗，采用高静态的c m o s 技术，供电电压降低为3 3 v ，相映1 第2 章基于串行通讯的控制屏的设计 的逻辑“1 ”电平为3 3 v ，而市面上大部分的液晶显示器驱动电平都是 5 v ，这是因为大部分液晶显示器都是由单片机驱动的，而大部分单片 机的供电电压都为5 v 。所以如果要用d s p 驱动液晶显示模块必须要转 换电平，市场上早已经出现专门解决这个问题的芯片，本系统采用的 是m a x 2 3 2 c p e ，即把两边的电信号全部转化成满足标准r s 2 3 2 电气 标准的信号。而且用m c s 5 1 系列单片机驱动液晶显示器已经发展得相 当成熟，可供参考得例子和资料很多，这样即简化了工作的难度，又 可以保证系统的稳定性。 ( 3 ) r s 2 3 2 c 串行通讯技术的稳定性：r s 2 3 2 c 是异步串行通讯中应用最 广泛的标准总线，它包括了按位串行传输的电气和机械方面的特性的 规定。协议简单容易实现，便于编程人员对系统调试。 综上所述，所以本系统的显示模块采用d s p 与a t 8 9 s 5 2 用串行通讯方式传输 数据和指令，用a t 8 9 s 5 2 驱动液晶显示器。 2 2 控制屏与自动并车装置的通讯 2 2 1 串行通信协议r s 2 3 2 c 标准简介 采用这样一套方案一方面是因为关于d s p 和5 1 系列单片机的串口通讯已经发 展得很成熟了，相映的硬件接口和通讯协议都是很完善并且得到实践证明的，另 一方面是r s 2 3 2 协议就是为了满足两台计算机之间通讯才规定的，所以把两边的 信号转化成满足r s 2 3 2 电气标准的信号更便于系统的调试和电路板的制作。 e i ar s 2 3 2 c 是美国电子工业协会正式公布的异步串行通信标准”6 ，用来计 算机与计算机之间、计算机与外设之间的数据通信，与国际电报电话咨询委员 c c i t t 指定的串行接口标准v 2 4 “数据终端设备( d t e ) 和数据通信设备( d c e ) 之间 的接口电路定义表”基本相同”1 。 r s 2 3 2 c 主要用来定义计算机系统的一些数据终端设备( d t e ) 和数据电路终接 设备( d c e ) 之间的电气性能。例如c r t 、打印机与c p u 的通信大都采用r s 2 3 2 c 接口，m c s 5 1 单片机与p c 机的通信也是采用该种类型的接口。由于d s p t m s u 屹4 0 7 a 和a t 8 9 s 5 2 都有一个全双工的串行接口，因此本系统用r s 2 3 2 c 串 行接口总线非常方便。 1 6 基于希尔伯特变换的船舶电站准同步并车装置的研究与设计 r s 2 3 2 c 串行接口总线适用于：设备之间的通信距离不大于1 5 米，传输速率 最大为2 0 k b s 。 r s 2 3 2 c 电平采用负逻辑，即逻辑1 ：3 一- 1 5 v ，逻辑0 ：+ 3 一+ l s v 。 t m s 3 2 0 u 砣4 0 7 a 采用了高性能静态c m o s 技术，使得供电电压降为3 3 v ，减小 了控制器的功耗，而a t 8 9 s 5 2 采用的是订l 电平。这叫涉及到一个电平匹配的问 题。m a x 2 3 2 产品是由德州仪器公司f 兀) 推出的一款兼容r s 2 3 2 标准的芯片。该器 件包含2 驱动器、2 接收器和一个电压发生器电路提供踟i a - 2 3 2 f 电平。 该 器件符合t 1 a e 1 a 2 3 2 f 标准，每一个接收器将t w e i a 2 3 2 f 电平转换成5 v t i u c m o s 电平。每一个发送器将1 t i c m o s 电平转换成1 1 a e i a 2 3 2 f 电平。 简单地讲就是d s p 与a t 8 9 s 5 2 之间进行串口通讯不能直接连接，因为电平不匹配， 我们要做的就是通过m a x 2 3 2 c p e 把两边的信号都转化为r s 2 3 2 c 电气标准的电 信号，从而解决了通讯的电气特性问题。r s 2 3 2 的电气特性“1 如下： r s 2 3 2 采用负逻辑，即：逻辑“1 ”：3 v 一1 5 v ；逻辑“0 ”：+ 3 v 一+ 1 5 v 。 r s 2 3 2 c 标准的信号传输的最大电缆长度为3 0 米，最高数串速率为2 0 k b s 。 表2 1r s 2 3 2 c 串行通讯的电气标准 t a b 2 1e l e c t r i ca p p l i a n c es t a n d a r d so fc o mr s 一2 3 2 c 逻辑1 ：- 5 v o 1 5 v 驱动器输出电平( 3 k o 7 k 0 1 逻辑0 ：+ 5 v 一+ 1 5 v 不带负载时的驱动器输出电平 一2 5 v - + 2 5 v 驱动器时的输出阻抗 3 0 0 0 输出短路电流 0 5 a 驱动器转换速率 3 0 v u s 接收器输入阻抗 3 k o _ 7 k o 接收器输入电乐的允许范围 - 2 5 v _ + 2 5 v 输入开路时接收器的输出逻辑1 输入经3 0 0 0 接地时接收器的输出逻辑1 + 3 v 输入时接收器的输出 逻辑0 3 v 输入时接收器的输出逻辑1 最大负载电容 2 5 0 0 p f 2 2 3 控制屏与自动并车装置间自定义的通讯协议 a t 8 9 s 5 2 单片机内部有一个功能强的全双工的一步串行口，要传送的串行数 据是以数据帧形式一帧一帧地发送，通过传输线由接受数据设备一帧一帧地接受 1 7 第2 章基于串行通讯的控制屏的设计 ”1 2 j 。d s p t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 包括串行通讯接口s c i 模块，支持c p u 与其他使用标 准格式的异步外设之间的数字通信。s c i 接收器和发送器是双缓冲的，每一个都有 它自己单独使能和中断标志位。 d s p 与a t 8 9 s 5 2 之间发送和接受的数据帧为8 位二进制数，波特率位9 6 0 0 b p s ， 无奇偶校验位，1 位停止位。 ( 1 ) 当d s p 发给单片机一帧数据时： 如果该帧位7 为1 ，则代表该帧是控制帧。各位对照关系如下： 表2 2d s p 发给单片机的数据帧各位含义 t a b 2 2m e a n i n go fs c md a t a - f r a m ed i g i t sg e n e r a t e db yd s p 位6 至位4传输内容位3 至位0 帧数 0 0 0 当前状态 0 ( ) 0 1 一帧 0 0 1 电压 0 0 1 0 二帧 0 1 0 电流 0 0 1 l 二帧 0 1 1 频率 1 0 0