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嵌入式系统在舰船综合电力系统中的应用

  摘 要:舰船综合电力系统是未来舰船发展的方向,为实现复杂电磁环境下设备的远程控制和监测,嵌入式系统能很好的完成这些任务。本文以发电系统中励磁控制器设计为例阐述这种嵌入式系统的设计,即选用DSP来实现数据的计算和控制,选用ARM实现了数据的网络化通信,并通过FPGA芯片来协调这两个微处理器的正常工作。通过实物研制和实验验证说明了这种嵌入式系统的可行性,并通过模拟实际故障工况,论证了嵌入式系统控制的准确性、快速性和保护的及时性。
  关键词:舰船综合电力系统;嵌入式系统;励磁控制器;DSP;ARM;FPGA
  中图分类号:UU665.1 文献标识码:A
  1 引言
  舰船综合电力系统是指通过电力网络将发电、日常用电、推进供电、高能武器发射供电、大功率探测供电综合为一体的电力系统,简称IPS。
  相比传统的舰船电力系统,舰船综合电力系统在控制、监测和保护方面具有以下特点:
  (1)电气设备较多,电磁环境复杂。综合电力系统由发电、配电、变电、推进、储能、日用负载/高能武器、监控/管理等七个模块组成,如图1所示。这些设备处于比较复杂电磁环境下,对控制、检测和保护提出了较高的要求。
  (2)灵活多样的运行模式。不同的运行模式下,电力系统的电量分配以及发电机、变频器、推进电机的运行情况各不相同,给控制、检测和保护带来了一定的难度。
  (3)设备差异大,协议接口不一致。综合电力系统各设备层次不同,采用的技术方案不一致,导致设备之间信息传递的方式不一致,有的设备采用传统的RS232通信,有的采用RS485通信,有的采用CAN通信等,这些通信方式都是基于电信号的传递和控制,这给处于复杂电磁环境下设备之间的集中控制和监测带来了较大不便和风险[1-2]。
  因此,对舰船综合电力系统的设计必须满足复杂电磁环境下通信要求,达到控制和监测的准确快捷以及保护的正确及时,同时便于全船管理和信息共享。本文提出采用嵌入式系统来完成底层设备的控制、监测和保护,不同设备之间通过以太网采用光信号实现通信,确保了通信的质量。本文以发电机励磁控制系统为例,从硬件设计和软件设计两个方面来阐述这种控制监测方式的实现,并通过实物研制和实验进行论证其合理性和有效性,为舰船综合电力系统中设备的下一代研制提供参考。
  2 硬件设计
  嵌入式系统具有处理能力强、体积小、功耗低、可靠性高等突出特点, DSP、ARM和FPGA是嵌入式领域应用非常广泛的微处理器。DSP是一种高速专用微处理器,其运算功能强大,能实现高速输入和高速率传输数据,专门处理不允许延迟的实时信号。ARM在顺序执行和事物处理方面功能强大,并具有多种对外通信方式,如工业以太网接口;FPGA的I/O口丰富、处理数据速度快。将它们有机的结合起来构建嵌入式系统,就具有强大的功能,并且扩大了它们的应用范围,可广泛应用于各种控制、通信以及监测设备中。
  发电系统是综合电力系统的核心,它主要由原动机、励磁机、主发电机、调速装置、励磁控制器等装置组成,原动机、励磁机和主发电机采用同轴连接紧凑布置方式实现集成一体化。励磁控制装置向励磁机励磁绕组提供励磁电流,从而间接的控制主发电机励磁电流,达到控制输出电流电压按照需求变化的目的,其整体结构如图2所示。
  3 软件设计
  3.1 控制部分软件设计
  发电机控制系统采用数字控制方式。数字控制系统具有集成度高、外围设备简单的特点,其强大的数字计算能力可以进行实时复杂的控制算法,从而实现模拟电路难以完成的控制效果[3],前馈控制的引入导致系统控制复杂程度大幅增加,传统的模拟控制系统难以准确实现这种复杂控制。同时,数字控制系统从控制效果、调试灵活性、通信等方面较模拟系统有很大优势,因此采用数字控制器为核心的励磁控制系统将是励磁系统的发展趋势[4],也是发电机适应复杂工况(如综合电力系统等)条件下励磁控制的要求。
  本文根据负载变化规律,在反馈控制基础上引入了前馈控制,将前馈的快速响应与反馈控制减小调节偏差结合起来,既提高了系统的响应速度,又减小了调节误差,以满足各种工况对励磁控制快速性和准确性的要求。
  由于发电机主要是向推进逆变器负载提供直流电源,励磁调节的对象是直流侧电压Udc,因此本文以Udc为反馈量构成了电压外环;引入励磁电流Ife内环可以减小励磁机时间常数,加快励磁电流响应速度;前馈控制主要是在发电机励磁模型基础上根据转速、负载功率推算出需要的励磁机励磁电流作为前馈励磁电流。前馈控制器输出分量(前馈励磁电流分量)可以大大加快励磁机励磁电流增长速度,电压调节器输出则根据直流侧电压调节效果对励磁机励磁电流进行修正。发电机前馈加双闭环反馈控制策略框图如图3所示。
  图3中的电压调节器(PI调节器)、电流调节器(PI调节器)和前馈控制器F(s)主要由DSP控制器实时计算实现。电压调节器输出和前馈控制器输出之和作为实际励磁电流指令控制励磁机励磁电流增长,其中前馈控制器输出决定了励磁机励磁电流快速增长总趋势,对励磁控制起主要作用;电压调节器输出对输出电压调节效果进行进一步修正,对励磁控制起辅助作用。
  为了改善电流内环和电压外环调节特性,分别引入了电流串联校正环节和电压串联校正环节;为了进一步提高前馈控制的精度和系统调节速度引入了直流电压分量和直流电流分量超前校正环节;为实现励磁向直流侧电容开环充电到电压闭环控制平稳过渡,引入了电压闭环初始值重新设定方法。
  3.2 监测部分软件设计
  由于综合电力系统电磁环境比较复杂,为了实现设备监测的快速和准确,传统的RS232、RS485和CAN等通信方式均是基于电信号的通信方式,容易受到电磁干扰,且传输距离和传输速度都有限。在全船综合电力系统环境下为了实现数据实时传输和共享,本文采用以太网通信方式,设备与设备之间采用光纤通信,基本不受电磁干扰,且网络传输速度快、实时性高,并且具有超时重发、数据包的校正等优势,是未来工业及舰船中通信的发展方式,尤其适用于综合电力系统下设备的控制与检测。   由于选用的ARM芯片本身具有以太网通信功能,只需要合理的配置寄存器,采用合适的TCP/IP协议,并建立数据传输机制和通信模式就能很好的完成数据的传输,从而实现监测功能。由于系统传输的数据比较多,对速度要求也比较高,所以本文采用无操作系统的LWIP协议下的TCP协议建立高效可靠的链接来保证数据传输的质量,其通信流程如图4所示,它为面向连接的客户机/服务器通信流程图[5-6]。
  DSP微处理器和ARM微处理器实现的功能各不相同,并且它们的运算速度和配置方式也不相同,不能说谁是主控制器谁是从控制器,只是在励磁控制器中,DSP主要完成了控制功能,而ARM完成了数据的上传和接收远程的操控。为了协调这两个微处理器,也为了扩展DSP的控制和采样端口,以及数据的临时存储等功能,在它们之间配置了一个FPGA芯片,来协调两个控制器,实现它们的功能。比如DSP为了计算浮点数据实现精确控制,其运行在100 MHz频率下,而ARM最大的运行频率为80 MHz,如果它们直接进行数据通信,必然带来数据的不同步等很多问题,而在它们之间加一片FPGA芯片,通过配置FPGA实现了数据的同步和数据的缓存等功能。它们与FPGA之间的通信均为并行数据总线通信,传输速率和质量都得到了保证,这样实时的数据就最终通过网络上传给上位机。
  4 实验验证
  按照上述的硬件和软件设计,通过软件调试成功后,对软硬件进行实验验证。
  图5为一次逆变器故障实验波形曲线,图6为一次整流器故障实验波形曲线。
  从图5可以看出,故障时刻,励磁控制器接收到逆变器故障信号立即灭磁,逆变器封锁脉冲,导致发电机拖尾能量不能传递到负载只能向直流侧电容充电,导致电容电压升高,发电机交流侧电压从1200V上升到1350V,整流器直流侧电压从1540VDC上升到2000VDC并触发过压保护,启动逆变器制动电阻进行泄压将直流侧电压限制在2000VDC。可见只要及时灭磁和及时启动逆变器制动电阻工作,逆变器封锁脉冲后发电机拖尾能量就会被制动电阻吸收,因此不会出现电机交流过压危险。
  从图6可以看出,整流器故障后立即灭磁,由于整流器检测故障并不关闭,因此能量继续流向负载,可以看出发电机交流和整流器直流侧电压并不会上升,系统是安全的。可见,只要没有出现整流器功率器件全部断开故障或误封锁全部脉冲这两种现象,发电机输出能量可以传递到负载或制动电阻,其交流侧电压就不会上升过高。
  5 小结
  本文以发电机的励磁控制器设计为例,分别从硬件设计和软件设计两个方面进行阐述,并通过实物研制和实验进行论证,说明了基于嵌入式系统的数字控制器能对设备实现精确的控制和完成实时的监测,且易于扩展和升级,不需要改变硬件就能实现其他功能的扩展,极大地降低了成本。尤其是在综合电力系统下,电磁环境比较复杂,而且越来越多的设备应用于舰船上,不同的设备都可以采用统一的以太网通信方式,不仅实现了数据的快速准备传输,而且易于共享,以太网采用光纤传输信号对距离和环境要求极低,非常适用于军用舰船的要求,具有较强的推广价值。
  参考文献
  [1] 马伟明. 舰船动力发展的方向-综合电力系统[J].海军工程大学学报, 2002, 14(6): 1-5, 9.
  [2] 郑定泰.水面舰艇综合电力系统的技术进展[J]. 舰船科学技术, 2005, 27(5): 5-12.
  [3] 李志军, 刘军, 马召伟等. 经济型小水电励磁装置[J]. 电力自动化设备, 2011, 3(2):134-137.
  [4] 陆继明, 毛承雄, 范澍等. 同步发电机微机励磁控制[M]. 北京: 中国电力出版社, 2005.
  [5] Adam Dunkels. Design and Implementation of the LWIP TCP/IP Stack [M]. Swiss: Swedish Institute of Computer Science,2001.
  [6] 张海波, 胡大可. 低成本高速率传感器网络的设计实现 [J]. 传感技术学报, 2010,23(5): 732-738.


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