嵌入式系統(tǒng)在艦船綜合電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

唐文俊　王芳　易新強(qiáng)

摘 要：艦船綜合電力系統(tǒng)是未來艦船發(fā)展的方向，為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜電磁環(huán)境下設(shè)備的遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測(cè)，嵌入式系統(tǒng)能很好的完成這些任務(wù)。本文以發(fā)電系統(tǒng)中勵(lì)磁控制器設(shè)計(jì)為例闡述這種嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，即選用DSP來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算和控制，選用ARM實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)化通信，并通過FPGA芯片來協(xié)調(diào)這兩個(gè)微處理器的正常工作。通過實(shí)物研制和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證說明了這種嵌入式系統(tǒng)的可行性，并通過模擬實(shí)際故障工況，論證了嵌入式系統(tǒng)控制的準(zhǔn)確性、快速性和保護(hù)的及時(shí)性。

關(guān)鍵詞：艦船綜合電力系統(tǒng)；嵌入式系統(tǒng)；勵(lì)磁控制器；DSP；ARM；FPGA

中圖分類號(hào)：UU665.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引言

艦船綜合電力系統(tǒng)是指通過電力網(wǎng)絡(luò)將發(fā)電、日常用電、推進(jìn)供電、高能武器發(fā)射供電、大功率探測(cè)供電綜合為一體的電力系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱IPS。

相比傳統(tǒng)的艦船電力系統(tǒng)，艦船綜合電力系統(tǒng)在控制、監(jiān)測(cè)和保護(hù)方面具有以下特點(diǎn)：

（1）電氣設(shè)備較多，電磁環(huán)境復(fù)雜。綜合電力系統(tǒng)由發(fā)電、配電、變電、推進(jìn)、儲(chǔ)能、日用負(fù)載/高能武器、監(jiān)控/管理等七個(gè)模塊組成，如圖1所示。這些設(shè)備處于比較復(fù)雜電磁環(huán)境下，對(duì)控制、檢測(cè)和保護(hù)提出了較高的要求。

（2）靈活多樣的運(yùn)行模式。不同的運(yùn)行模式下，電力系統(tǒng)的電量分配以及發(fā)電機(jī)、變頻器、推進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行情況各不相同，給控制、檢測(cè)和保護(hù)帶來了一定的難度。

（3）設(shè)備差異大，協(xié)議接口不一致。綜合電力系統(tǒng)各設(shè)備層次不同，采用的技術(shù)方案不一致，導(dǎo)致設(shè)備之間信息傳遞的方式不一致，有的設(shè)備采用傳統(tǒng)的RS232通信，有的采用RS485通信，有的采用CAN通信等，這些通信方式都是基于電信號(hào)的傳遞和控制，這給處于復(fù)雜電磁環(huán)境下設(shè)備之間的集中控制和監(jiān)測(cè)帶來了較大不便和風(fēng)險(xiǎn)[1-2]。

因此，對(duì)艦船綜合電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須滿足復(fù)雜電磁環(huán)境下通信要求，達(dá)到控制和監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確快捷以及保護(hù)的正確及時(shí)，同時(shí)便于全船管理和信息共享。本文提出采用嵌入式系統(tǒng)來完成底層設(shè)備的控制、監(jiān)測(cè)和保護(hù)，不同設(shè)備之間通過以太網(wǎng)采用光信號(hào)實(shí)現(xiàn)通信，確保了通信的質(zhì)量。本文以發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)為例，從硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面來闡述這種控制監(jiān)測(cè)方式的實(shí)現(xiàn)，并通過實(shí)物研制和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行論證其合理性和有效性，為艦船綜合電力系統(tǒng)中設(shè)備的下一代研制提供參考。

2 硬件設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)具有處理能力強(qiáng)、體積小、功耗低、可靠性高等突出特點(diǎn)， DSP、ARM和FPGA是嵌入式領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛的微處理器。DSP是一種高速專用微處理器，其運(yùn)算功能強(qiáng)大，能實(shí)現(xiàn)高速輸入和高速率傳輸數(shù)據(jù)，專門處理不允許延遲的實(shí)時(shí)信號(hào)。ARM在順序執(zhí)行和事物處理方面功能強(qiáng)大，并具有多種對(duì)外通信方式，如工業(yè)以太網(wǎng)接口；FPGA的I/O口豐富、處理數(shù)據(jù)速度快。將它們有機(jī)的結(jié)合起來構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)，就具有強(qiáng)大的功能，并且擴(kuò)大了它們的應(yīng)用范圍，可廣泛應(yīng)用于各種控制、通信以及監(jiān)測(cè)設(shè)備中。

發(fā)電系統(tǒng)是綜合電力系統(tǒng)的核心，它主要由原動(dòng)機(jī)、勵(lì)磁機(jī)、主發(fā)電機(jī)、調(diào)速裝置、勵(lì)磁控制器等裝置組成，原動(dòng)機(jī)、勵(lì)磁機(jī)和主發(fā)電機(jī)采用同軸連接緊湊布置方式實(shí)現(xiàn)集成一體化。勵(lì)磁控制裝置向勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁繞組提供勵(lì)磁電流，從而間接的控制主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流，達(dá)到控制輸出電流電壓按照需求變化的目的，其整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 控制部分軟件設(shè)計(jì)

發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)采用數(shù)字控制方式。數(shù)字控制系統(tǒng)具有集成度高、外圍設(shè)備簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，其強(qiáng)大的數(shù)字計(jì)算能力可以進(jìn)行實(shí)時(shí)復(fù)雜的控制算法，從而實(shí)現(xiàn)模擬電路難以完成的控制效果[3]，前饋控制的引入導(dǎo)致系統(tǒng)控制復(fù)雜程度大幅增加，傳統(tǒng)的模擬控制系統(tǒng)難以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)這種復(fù)雜控制。同時(shí)，數(shù)字控制系統(tǒng)從控制效果、調(diào)試靈活性、通信等方面較模擬系統(tǒng)有很大優(yōu)勢(shì)，因此采用數(shù)字控制器為核心的勵(lì)磁控制系統(tǒng)將是勵(lì)磁系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)[4]，也是發(fā)電機(jī)適應(yīng)復(fù)雜工況（如綜合電力系統(tǒng)等）條件下勵(lì)磁控制的要求。

本文根據(jù)負(fù)載變化規(guī)律，在反饋控制基礎(chǔ)上引入了前饋控制，將前饋的快速響應(yīng)與反饋控制減小調(diào)節(jié)偏差結(jié)合起來，既提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，又減小了調(diào)節(jié)誤差，以滿足各種工況對(duì)勵(lì)磁控制快速性和準(zhǔn)確性的要求。

由于發(fā)電機(jī)主要是向推進(jìn)逆變器負(fù)載提供直流電源，勵(lì)磁調(diào)節(jié)的對(duì)象是直流側(cè)電壓Udc，因此本文以Udc為反饋量構(gòu)成了電壓外環(huán)；引入勵(lì)磁電流Ife內(nèi)環(huán)可以減小勵(lì)磁機(jī)時(shí)間常數(shù)，加快勵(lì)磁電流響應(yīng)速度；前饋控制主要是在發(fā)電機(jī)勵(lì)磁模型基礎(chǔ)上根據(jù)轉(zhuǎn)速、負(fù)載功率推算出需要的勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流作為前饋勵(lì)磁電流。前饋控制器輸出分量（前饋勵(lì)磁電流分量）可以大大加快勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流增長(zhǎng)速度，電壓調(diào)節(jié)器輸出則根據(jù)直流側(cè)電壓調(diào)節(jié)效果對(duì)勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流進(jìn)行修正。發(fā)電機(jī)前饋加雙閉環(huán)反饋控制策略框圖如圖3所示。

圖3中的電壓調(diào)節(jié)器（PI調(diào)節(jié)器）、電流調(diào)節(jié)器（PI調(diào)節(jié)器）和前饋控制器F（s）主要由DSP控制器實(shí)時(shí)計(jì)算實(shí)現(xiàn)。電壓調(diào)節(jié)器輸出和前饋控制器輸出之和作為實(shí)際勵(lì)磁電流指令控制勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流增長(zhǎng)，其中前饋控制器輸出決定了勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流快速增長(zhǎng)總趨勢(shì)，對(duì)勵(lì)磁控制起主要作用；電壓調(diào)節(jié)器輸出對(duì)輸出電壓調(diào)節(jié)效果進(jìn)行進(jìn)一步修正，對(duì)勵(lì)磁控制起輔助作用。

為了改善電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)調(diào)節(jié)特性，分別引入了電流串聯(lián)校正環(huán)節(jié)和電壓串聯(lián)校正環(huán)節(jié)；為了進(jìn)一步提高前饋控制的精度和系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度引入了直流電壓分量和直流電流分量超前校正環(huán)節(jié)；為實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁向直流側(cè)電容開環(huán)充電到電壓閉環(huán)控制平穩(wěn)過渡，引入了電壓閉環(huán)初始值重新設(shè)定方法。

3.2 監(jiān)測(cè)部分軟件設(shè)計(jì)

由于綜合電力系統(tǒng)電磁環(huán)境比較復(fù)雜，為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備監(jiān)測(cè)的快速和準(zhǔn)確，傳統(tǒng)的RS232、RS485和CAN等通信方式均是基于電信號(hào)的通信方式，容易受到電磁干擾，且傳輸距離和傳輸速度都有限。在全船綜合電力系統(tǒng)環(huán)境下為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸和共享，本文采用以太網(wǎng)通信方式，設(shè)備與設(shè)備之間采用光纖通信，基本不受電磁干擾，且網(wǎng)絡(luò)傳輸速度快、實(shí)時(shí)性高，并且具有超時(shí)重發(fā)、數(shù)據(jù)包的校正等優(yōu)勢(shì)，是未來工業(yè)及艦船中通信的發(fā)展方式，尤其適用于綜合電力系統(tǒng)下設(shè)備的控制與檢測(cè)。

由于選用的ARM芯片本身具有以太網(wǎng)通信功能，只需要合理的配置寄存器，采用合適的TCP/IP協(xié)議，并建立數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制和通信模式就能很好的完成數(shù)據(jù)的傳輸，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)功能。由于系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)比較多，對(duì)速度要求也比較高，所以本文采用無操作系統(tǒng)的LWIP協(xié)議下的TCP協(xié)議建立高效可靠的鏈接來保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量，其通信流程如圖4所示，它為面向連接的客戶機(jī)/服務(wù)器通信流程圖[5-6]。

DSP微處理器和ARM微處理器實(shí)現(xiàn)的功能各不相同，并且它們的運(yùn)算速度和配置方式也不相同，不能說誰(shuí)是主控制器誰(shuí)是從控制器，只是在勵(lì)磁控制器中，DSP主要完成了控制功能，而ARM完成了數(shù)據(jù)的上傳和接收遠(yuǎn)程的操控。為了協(xié)調(diào)這兩個(gè)微處理器，也為了擴(kuò)展DSP的控制和采樣端口，以及數(shù)據(jù)的臨時(shí)存儲(chǔ)等功能，在它們之間配置了一個(gè)FPGA芯片，來協(xié)調(diào)兩個(gè)控制器，實(shí)現(xiàn)它們的功能。比如DSP為了計(jì)算浮點(diǎn)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)精確控制，其運(yùn)行在100 MHz頻率下，而ARM最大的運(yùn)行頻率為80 MHz，如果它們直接進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，必然帶來數(shù)據(jù)的不同步等很多問題，而在它們之間加一片F(xiàn)PGA芯片，通過配置FPGA實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的同步和數(shù)據(jù)的緩存等功能。它們與FPGA之間的通信均為并行數(shù)據(jù)總線通信，傳輸速率和質(zhì)量都得到了保證，這樣實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)就最終通過網(wǎng)絡(luò)上傳給上位機(jī)。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

按照上述的硬件和軟件設(shè)計(jì)，通過軟件調(diào)試成功后，對(duì)軟硬件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖5為一次逆變器故障實(shí)驗(yàn)波形曲線，圖6為一次整流器故障實(shí)驗(yàn)波形曲線。

從圖5可以看出，故障時(shí)刻，勵(lì)磁控制器接收到逆變器故障信號(hào)立即滅磁，逆變器封鎖脈沖，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)拖尾能量不能傳遞到負(fù)載只能向直流側(cè)電容充電，導(dǎo)致電容電壓升高，發(fā)電機(jī)交流側(cè)電壓從1200V上升到1350V，整流器直流側(cè)電壓從1540VDC上升到2000VDC并觸發(fā)過壓保護(hù)，啟動(dòng)逆變器制動(dòng)電阻進(jìn)行泄壓將直流側(cè)電壓限制在2000VDC?？梢娭灰皶r(shí)滅磁和及時(shí)啟動(dòng)逆變器制動(dòng)電阻工作，逆變器封鎖脈沖后發(fā)電機(jī)拖尾能量就會(huì)被制動(dòng)電阻吸收，因此不會(huì)出現(xiàn)電機(jī)交流過壓危險(xiǎn)。

從圖6可以看出，整流器故障后立即滅磁，由于整流器檢測(cè)故障并不關(guān)閉，因此能量繼續(xù)流向負(fù)載，可以看出發(fā)電機(jī)交流和整流器直流側(cè)電壓并不會(huì)上升，系統(tǒng)是安全的。可見，只要沒有出現(xiàn)整流器功率器件全部斷開故障或誤封鎖全部脈沖這兩種現(xiàn)象，發(fā)電機(jī)輸出能量可以傳遞到負(fù)載或制動(dòng)電阻，其交流側(cè)電壓就不會(huì)上升過高。

5 小結(jié)

本文以發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁控制器設(shè)計(jì)為例，分別從硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面進(jìn)行闡述，并通過實(shí)物研制和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行論證，說明了基于嵌入式系統(tǒng)的數(shù)字控制器能對(duì)設(shè)備實(shí)現(xiàn)精確的控制和完成實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，且易于擴(kuò)展和升級(jí)，不需要改變硬件就能實(shí)現(xiàn)其他功能的擴(kuò)展，極大地降低了成本。尤其是在綜合電力系統(tǒng)下，電磁環(huán)境比較復(fù)雜，而且越來越多的設(shè)備應(yīng)用于艦船上，不同的設(shè)備都可以采用統(tǒng)一的以太網(wǎng)通信方式，不僅實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的快速準(zhǔn)備傳輸，而且易于共享，以太網(wǎng)采用光纖傳輸信號(hào)對(duì)距離和環(huán)境要求極低，非常適用于軍用艦船的要求，具有較強(qiáng)的推廣價(jià)值。

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