嵌入式系統在艦船綜合電力系統中的應用

唐文俊　王芳　易新強

摘 要：艦船綜合電力系統是未來艦船發展的方向，為實現復雜電磁環境下設備的遠程控制和監測，嵌入式系統能很好的完成這些任務。本文以發電系統中勵磁控制器設計為例闡述這種嵌入式系統的設計，即選用DSP來實現數據的計算和控制，選用ARM實現了數據的網絡化通信，并通過FPGA芯片來協調這兩個微處理器的正常工作。通過實物研制和實驗驗證說明了這種嵌入式系統的可行性，并通過模擬實際故障工況，論證了嵌入式系統控制的準確性、快速性和保護的及時性。

關鍵詞：艦船綜合電力系統；嵌入式系統；勵磁控制器；DSP；ARM；FPGA

中圖分類號：UU665.1 文獻標識碼：A

1 引言

艦船綜合電力系統是指通過電力網絡將發電、日常用電、推進供電、高能武器發射供電、大功率探測供電綜合為一體的電力系統，簡稱IPS。

相比傳統的艦船電力系統，艦船綜合電力系統在控制、監測和保護方面具有以下特點：

（1）電氣設備較多，電磁環境復雜。綜合電力系統由發電、配電、變電、推進、儲能、日用負載/高能武器、監控/管理等七個模塊組成，如圖1所示。這些設備處于比較復雜電磁環境下，對控制、檢測和保護提出了較高的要求。

（2）靈活多樣的運行模式。不同的運行模式下，電力系統的電量分配以及發電機、變頻器、推進電機的運行情況各不相同，給控制、檢測和保護帶來了一定的難度。

（3）設備差異大，協議接口不一致。綜合電力系統各設備層次不同，采用的技術方案不一致，導致設備之間信息傳遞的方式不一致，有的設備采用傳統的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的傳遞和控制，這給處于復雜電磁環境下設備之間的集中控制和監測帶來了較大不便和風險[1-2]。

因此，對艦船綜合電力系統的設計必須滿足復雜電磁環境下通信要求，達到控制和監測的準確快捷以及保護的正確及時，同時便于全船管理和信息共享。本文提出采用嵌入式系統來完成底層設備的控制、監測和保護，不同設備之間通過以太網采用光信號實現通信，確保了通信的質量。本文以發電機勵磁控制系統為例，從硬件設計和軟件設計兩個方面來闡述這種控制監測方式的實現，并通過實物研制和實驗進行論證其合理性和有效性，為艦船綜合電力系統中設備的下一代研制提供參考。

2 硬件設計

嵌入式系統具有處理能力強、體積小、功耗低、可靠性高等突出特點， DSP、ARM和FPGA是嵌入式領域應用非常廣泛的微處理器。DSP是一種高速專用微處理器，其運算功能強大，能實現高速輸入和高速率傳輸數據，專門處理不允許延遲的實時信號。ARM在順序執行和事物處理方面功能強大，并具有多種對外通信方式，如工業以太網接口；FPGA的I/O口豐富、處理數據速度快。將它們有機的結合起來構建嵌入式系統，就具有強大的功能，并且擴大了它們的應用范圍，可廣泛應用于各種控制、通信以及監測設備中。

發電系統是綜合電力系統的核心，它主要由原動機、勵磁機、主發電機、調速裝置、勵磁控制器等裝置組成，原動機、勵磁機和主發電機采用同軸連接緊湊布置方式實現集成一體化。勵磁控制裝置向勵磁機勵磁繞組提供勵磁電流，從而間接的控制主發電機勵磁電流，達到控制輸出電流電壓按照需求變化的目的，其整體結構如圖2所示。

3 軟件設計

3.1 控制部分軟件設計

發電機控制系統采用數字控制方式。數字控制系統具有集成度高、外圍設備簡單的特點，其強大的數字計算能力可以進行實時復雜的控制算法，從而實現模擬電路難以完成的控制效果[3]，前饋控制的引入導致系統控制復雜程度大幅增加，傳統的模擬控制系統難以準確實現這種復雜控制。同時，數字控制系統從控制效果、調試靈活性、通信等方面較模擬系統有很大優勢，因此采用數字控制器為核心的勵磁控制系統將是勵磁系統的發展趨勢[4]，也是發電機適應復雜工況（如綜合電力系統等）條件下勵磁控制的要求。

本文根據負載變化規律，在反饋控制基礎上引入了前饋控制，將前饋的快速響應與反饋控制減小調節偏差結合起來，既提高了系統的響應速度，又減小了調節誤差，以滿足各種工況對勵磁控制快速性和準確性的要求。

由于發電機主要是向推進逆變器負載提供直流電源，勵磁調節的對象是直流側電壓Udc，因此本文以Udc為反饋量構成了電壓外環；引入勵磁電流Ife內環可以減小勵磁機時間常數，加快勵磁電流響應速度；前饋控制主要是在發電機勵磁模型基礎上根據轉速、負載功率推算出需要的勵磁機勵磁電流作為前饋勵磁電流。前饋控制器輸出分量（前饋勵磁電流分量）可以大大加快勵磁機勵磁電流增長速度，電壓調節器輸出則根據直流側電壓調節效果對勵磁機勵磁電流進行修正。發電機前饋加雙閉環反饋控制策略框圖如圖3所示。

圖3中的電壓調節器（PI調節器）、電流調節器（PI調節器）和前饋控制器F（s）主要由DSP控制器實時計算實現。電壓調節器輸出和前饋控制器輸出之和作為實際勵磁電流指令控制勵磁機勵磁電流增長，其中前饋控制器輸出決定了勵磁機勵磁電流快速增長總趨勢，對勵磁控制起主要作用；電壓調節器輸出對輸出電壓調節效果進行進一步修正，對勵磁控制起輔助作用。

為了改善電流內環和電壓外環調節特性，分別引入了電流串聯校正環節和電壓串聯校正環節；為了進一步提高前饋控制的精度和系統調節速度引入了直流電壓分量和直流電流分量超前校正環節；為實現勵磁向直流側電容開環充電到電壓閉環控制平穩過渡，引入了電壓閉環初始值重新設定方法。

3.2 監測部分軟件設計

由于綜合電力系統電磁環境比較復雜，為了實現設備監測的快速和準確，傳統的RS232、RS485和CAN等通信方式均是基于電信號的通信方式，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環境下為了實現數據實時傳輸和共享，本文采用以太網通信方式，設備與設備之間采用光纖通信，基本不受電磁干擾，且網絡傳輸速度快、實時性高，并且具有超時重發、數據包的校正等優勢，是未來工業及艦船中通信的發展方式，尤其適用于綜合電力系統下設備的控制與檢測。

由于選用的ARM芯片本身具有以太網通信功能，只需要合理的配置寄存器，采用合適的TCP/IP協議，并建立數據傳輸機制和通信模式就能很好的完成數據的傳輸，從而實現監測功能。由于系統傳輸的數據比較多，對速度要求也比較高，所以本文采用無操作系統的LWIP協議下的TCP協議建立高效可靠的鏈接來保證數據傳輸的質量，其通信流程如圖4所示，它為面向連接的客戶機/服務器通信流程圖[5-6]。

DSP微處理器和ARM微處理器實現的功能各不相同，并且它們的運算速度和配置方式也不相同，不能說誰是主控制器誰是從控制器，只是在勵磁控制器中，DSP主要完成了控制功能，而ARM完成了數據的上傳和接收遠程的操控。為了協調這兩個微處理器，也為了擴展DSP的控制和采樣端口，以及數據的臨時存儲等功能，在它們之間配置了一個FPGA芯片，來協調兩個控制器，實現它們的功能。比如DSP為了計算浮點數據實現精確控制，其運行在100 MHz頻率下，而ARM最大的運行頻率為80 MHz，如果它們直接進行數據通信，必然帶來數據的不同步等很多問題，而在它們之間加一片FPGA芯片，通過配置FPGA實現了數據的同步和數據的緩存等功能。它們與FPGA之間的通信均為并行數據總線通信，傳輸速率和質量都得到了保證，這樣實時的數據就最終通過網絡上傳給上位機。

4 實驗驗證

按照上述的硬件和軟件設計，通過軟件調試成功后，對軟硬件進行實驗驗證。

圖5為一次逆變器故障實驗波形曲線，圖6為一次整流器故障實驗波形曲線。

從圖5可以看出，故障時刻，勵磁控制器接收到逆變器故障信號立即滅磁，逆變器封鎖脈沖，導致發電機拖尾能量不能傳遞到負載只能向直流側電容充電，導致電容電壓升高，發電機交流側電壓從1200V上升到1350V，整流器直流側電壓從1540VDC上升到2000VDC并觸發過壓保護，啟動逆變器制動電阻進行泄壓將直流側電壓限制在2000VDC?？梢娭灰皶r滅磁和及時啟動逆變器制動電阻工作，逆變器封鎖脈沖后發電機拖尾能量就會被制動電阻吸收，因此不會出現電機交流過壓危險。

從圖6可以看出，整流器故障后立即滅磁，由于整流器檢測故障并不關閉，因此能量繼續流向負載，可以看出發電機交流和整流器直流側電壓并不會上升，系統是安全的。可見，只要沒有出現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象，發電機輸出能量可以傳遞到負載或制動電阻，其交流側電壓就不會上升過高。

5 小結

本文以發電機的勵磁控制器設計為例，分別從硬件設計和軟件設計兩個方面進行闡述，并通過實物研制和實驗進行論證，說明了基于嵌入式系統的數字控制器能對設備實現精確的控制和完成實時的監測，且易于擴展和升級，不需要改變硬件就能實現其他功能的擴展，極大地降低了成本。尤其是在綜合電力系統下，電磁環境比較復雜，而且越來越多的設備應用于艦船上，不同的設備都可以采用統一的以太網通信方式，不僅實現了數據的快速準備傳輸，而且易于共享，以太網采用光纖傳輸信號對距離和環境要求極低，非常適用于軍用艦船的要求，具有較強的推廣價值。

參考文獻

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[3] 李志軍， 劉軍， 馬召偉等. 經濟型小水電勵磁裝置[J]. 電力自動化設備， 2011， 3（2）：134-137.

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