基于DSP的船舶电站自动准同步并车装置的研究

叶 萍

（福建交通职业技术学院，福建福州 350007）

随着船舶吨位的增加和电气化、自动化程度的提高，船舶电站容量在不断增加，因此主电站通常设有三台甚至更多的发电机组。根据船舶不同运行工况所需用电量的不同，可以使用一台、两台或三台以上的发电机组通过主配电板汇流排（母线）共同向全船负荷供电，这就是通常所说的并联运行。而将船舶同步发电机投入电网并联运行的操作称为并车操作［1］。实现自动准同步并车控制的途径很多，目前国内外在这方面的研究主要是有两种。一种是基于可编程控制器技术，这一新型控制设备以其独特的适应性、灵活性以及较高的可靠性迅速地被应用到工作环境恶劣、可靠性要求高的船舶领域。但用PLC来实现并车功能，其所需的信号仍需另行调理，如果功能稍复杂则需较昂贵的高速计数模块及模拟模块，因此方案并不十分理想。［2］另一种是基于单片机控制技术，目前单片机的集成度越来越高，可靠性以及稳定性方面有了很大改善，同时在性价比方面较可编程控制器有明显优势，已经被越来越多的应用于船舶电站自动控制器的设计。［3］本文是基于DSP的船舶电站自动控制装置，使用TI公司的TMS320LF2407A作为核心控制器，并与Siemens S7.200PLC相配合，是一种集中控制的船舶电站自动控制器。以TMS320LF2407A作为核心控制器构成的自动并车系统采用D触发器的方式实现并车时相位差的检测，检测角度的范围达到0°－360°，克服异或方式检测相位差只有0°－180°的缺陷，能准确捕捉合闸提前量，很好地实现准同步并车功能，且具有调速快、合闸准确、工作可靠等优点，具有一定的实用价值。

1 硬件测量电路的设计

本装置采用16通道的10位A／D转换器，具有可编程自动排序功能，四个起动A／D转换的触发源，最快A／D转换时间为500ns。控制器局域网为（CAN）2.0B模块，有41个通用I／O引脚。采用32位累加器和32位中央算术逻辑单元（CALU）；16位x16位并行乘法器，可实现单指令周期的乘法运算。

1）频差检测

频率的检测是依靠DSP对方波信号跳变的捕捉功能，因此首先要将采集的正弦波信号转换为方波信号，图1为本设计采用的方波转换电路，此电路主要包括三部分：二阶滤波、过零比较与电压跟随。

为了消除干扰并防止可能的波形畸变，同时考虑滤波性能与设计难度，电路中加入二阶低通滤波电路，VCVS式低通滤波器典型电路如图2所示（KF＝1）。截止频率f0与C的对应关系如表1所示。

图1 方波转换电路

图2 VCVS式低通滤波器典型电路

表1 截止频率fo与C的对应关系

本设计滤波电路输入电压波形频率范围为0－50Hz，查表选取电容C＝0.1μF。Kr＝1时，R1＝1422KΩ，R2＝5.399KΩ，c1＝0.33C，因此本设计采用的KF＝1的二阶滤波电路参数选取如下所示：

二阶滤波必然导致时间延迟，并车相位检测电路中使用二阶滤波必须考虑此时间延迟对相位捕捉的影响。二阶滤波的传递函数为：

同时，根据自动控制理论，线性连续系统正弦稳态响应是一个与输入信号同频率的正弦信号，但幅度变为原来的H倍，相位改变为p，输入信号ym＝5sin（100πt）

幅值衰减可忽略不计，时间延迟，相对于主开关l00ms左右的动作时间0.222ms的时间延迟对并车的影响可忽略不计。

利用图1所示电路，分别取得待并机AB线电压与汇流排AB线电压方波，并接入DSP捕捉口，经DSP计算可得待并机与汇流排电压频率，当待并机电压频率大于汇流排电压频率0.1～0.3Hz，即达到并车条件对于频率的要求。

2）电压差检测

对于交流电的电压测量，我们采用单片集成的有效值变换器AD536AJ，将经过变压器降压的交流电信号转换为精确的直流信号，送DSP进行模数转换后完成对电压有效值的采集，经计算可得并车时电压差，当待并机电压与汇流排电压相差±0.5%额定电压以内，即可达到并车条件对于电压的要求。电压有效值测量电路如图3所示。

图3 电压有效值测量电路

图3中R1和R2为偏置电阻，两电阻的公共连接端接到AD536AJ的COM，由于AD536AJ的COM内部为CMOS电路，阻抗较高，流经COM端的电流仅为数μA。Cinl为输入隔直电容，CAVl为平均电容，它与内部的电阻R（25kΩ）构成低通滤波器，以获得平均值电压，有效值电压通过AD536AJ的第8脚输出。传统的有效值变换器大多为近似有效值计算，对于复杂信号和大动态范围的信号存在着转换精度不高的缺点。本设计选用的芯片AD536AJ的最大转换误差为0.2%，按本装置需检测的最大电压400V计算，可得AD536AJ电压采集最大误差为400V×0.2%＝0.8V。

3）相位差检测与合闸提前量的确定

对于相位差检测，现普遍的解决方案是将汇流排和发电机交流电压波形成方波，两路方波相异或得到相位差波形的方法，［3］这种方法的优点是每个周期可以产生两次相位波形，因而对减少并车时间有利，缺陷是其检测相位的范围只有180°，因而不能区分相位是超前还是滞后，如果并车后没有及时调整功率，则易导致发电机逆功而跳闸，这在汇流排频率处于波动的情况下更易发生。为了克服检测相位的范围只有180°的缺陷，本自动装置设计的相位检测采用D触发器的方式，电路如图4所示。

图4 相位差检测电路

经上述电路产生的相位波形如图5所示。

图5 电压与相位波形图

由图4可见相位差的检测范围相位可达360°。相位差波形信号送到MS320LF2407A的捕获端口，TMS320LF2407A的捕获口能设为上升沿或下降沿捕获。初次设为上升沿捕获，在上升沿捕获的中断服务程序里设置捕获端口下次为下降沿触发中断，而在下降沿的中断服务子程序里再将下次中断的触发方式为上升沿，因此读出两次中断对应在捕获端口FIFO里的值相减，即可得到相位差波形的时间长度从而得到相位差。在TMS320LF2407A时钟频率为20MHz，捕获频率为11128分频，电压频率为50Hz时相位的分辨率可达。

换算成角度则最大可测角度为0.1150×65535＝7536°。对于频率的测量也是利用捕获口，不难计算此时频率的测量范围约为2.4Hz～1MHz。图6曲线①与曲线②分别表示异或方式与D触发器方式检测相位差范围。发电机主开关具有固有动作时间TK，因此合闸信号必须在相位差为0之前发出，如果提前的时间TZ恰好等于开关的固有动作时间TK，那么开关正好是在两个电压相位一致的时候闭合，从而达到了准确同步的目的，所以计算因主开关固有动作时间导致的合闸提前量Tz是并车时刻捕捉的关键。差频三角波理论波形是线性的，即使差频正弦波在接近0°的小角度内有近似的线性关系，即图6曲线①所示的差频三角波具有线性关系。基于差频三角波波形线性理论，可以认为相位差与时间存在线性关系。因此，本设计采用D触发器方式检测的相位差与时间同样存在线性关系，即图6曲线②是线性的，己知相位差最大值为360°，只要另知周期1／△f即可得具体的线性关系，图6为合闸提前量捕捉示意图。

图6 合闸提前量捕捉示意图

其中Δf＝Gen＿Fre－Bar＿Fre基于线性特性，可以利用如下公式计算σYJ，σYJ＝360°×Tk×Δf

由于DSP通过检测相位差方波高电平时间来达到检测相角的目的，因此必须将σYJ转换成与之对应的相位差方波高电平时间TF，公式如下：

本设计主开关固有动作时间TK＝l00ms（可进行参数设定），在△f＝0.1Hz，Bar－Fre＝50 Hz的情况下，可得：

当DSP检测到相位差方波高电平时间等于TF的时刻即为合闸提前量TZ所要求的时刻，此时发出合闸脉冲可达到准确同步的目的。

2 自动准同步并车的软件设计

1）系统初始化后，一直处于等待状态，直到控制装置接收到来自PLC的起动控制信号。

2）当自动控制装置接收到控制信号后，发出机组起动信号，机组起动，同时发电机建压起频。

3）首先电压检测，检测电压是否达到设定范围，如果没有达到，则等待电压手动调整，如果调整时间超过设定值，进行电压异常报警。

4）电压检测的同时进行频率的检测，检测频率是否达到设定范围，如果没有达到，则进行频率自动调整，如果调整时间超过设定值，进行频率异常报警。

5）电压、频率满足条件后，检测汇流排电压，如果汇流排无电，则直接合闸；如果汇流排有电，则要进行合闸时刻的捕捉，计算在现有频差下由于合闸提前量而产生的相位差，并且捕捉此相位差，在合闸时刻准确合闸。自动准同步并车程序流程如图7所示。

自动准同步并车部分程序如下所示：

图7 自动准同步并车程序流程图

3 结 语

把DSP应用于控制船舶电站的自动准同步并车，是自动并车控制技术新的发展，它与PLC相比，定时更为准确，性价比更高。而与通用微处理器相比由于DSP接口单元丰富、集成度高，可以减少外围电路的设计，因此成本低，性价比高，具有广阔的市场前景。随着DSP在运算速度、集成度以及稳定性方面的不断提高，DSP在自动并车控制及船舶电站自动化中的应用前景必将愈来愈广阔。

1 杨勇，杨际峰.FX3U在船舶电站准同步并车控制系统中的应用［J］.船电技术，2008

2 李小谦，徐正喜，郑中祥，罗伟.基于三模冗余DSP控制器的船舶电站自动并车装置研究［J］.船电技术，2007

3 祝福，肖彦直.船舶电站自动准同步并车的PLC控制系统［J］.造船技术，2006

4 纪宗南.DSP实用技术和应用实例［M］.航天工业出版社，2006.

5 陈玉.TMS320系列DSP硬件开发系统［M］.北京：清华大学出版社，2008.