變速恒頻軸帶發電機組監控系統的研制

洪鵬鵬，南余榮*，石健將

（1.浙江工業大學 信息工程學院，浙江 杭州 310023；2.浙江大學 電氣工程學院，浙江 杭州 310027）

0 引 言

在傳統混合推進系統中，主柴油發電機通過變速箱軸系直接驅動螺旋槳，同時拖動軸帶發電機發電［1-2］。為保證船舶電力系統中電壓和頻率的穩定，主柴油機的轉速必須保持恒定，從而降低了推進系統的效率和性能。

變速恒頻軸帶發電機組系統是指:在傳統軸帶發電機和船舶電力系統之間添加輸出電壓和頻率可控的電力電子變流器裝置。研究者采用變速恒頻軸帶發電機組系統的新型混合推進系統，將機械推進和電力推進有機結合在一起，從而使主柴油機和軸帶發電機可以分別單獨驅動螺旋槳，或者同時驅動螺旋槳，以適應不同工況下的系統需求［3-5］。新型混合推進系統保證可以在保持電力系統電壓與頻率恒定條件下靈活地調節主柴油機的轉速，從而提高推進系統的效率和整體性能。

變速恒頻變流器是新型混合推進系統的核心控制設備，而監控系統則是工程人員監控推進系統中電機、變流器等各種設備的運行狀況并對其進行有效控制的關鍵設備之一［6-10］。

本研究首先介紹變速恒頻軸帶發電機組系統的架構及其工作模式，接著討論該系統中基于CAN總線的監控系統的研制。

1 系統架構及其工作模式分析

1.1 系統架構

變速恒頻軸帶發電機組系統的一個突出優點是可以實現能量的雙向流動，新型混合推進系統能流圖如圖1所示。

圖1 新型混合推進系統能流圖

主柴油發電機（Diesel Generator，DG）為推進系統提供主要的動力，Load為螺旋槳負載，柴油發電機、軸帶發電機（Shaft Generator，SG）和螺旋槳負載通過變速箱（Gear）軸系連在一起。Grid為輔助發電機組構成的船舶微電網系統。微電網與軸帶發電機之間的變流器（Converter）采用背靠背變流器拓撲結構，由兩個三相全橋變流器組成，以實現系統要求的“軸帶發電機能夠工作在發電和電動兩種狀態”，從而實現能量的雙向流動。

1.2 工作模式分析

變速恒頻軸帶發電機組系統可以增大柴油機和螺旋槳的調速范圍，提高系統效率，有效地解決了船舶短時間內工況多變和輸出較大功率的需求。該系統主要有以下4種運行工作模式:

（1）聯合推進模式。當船舶全速前進時，能量從微電網流向軸帶發電機，能流圖如圖2所示。此時軸帶發電機在電動狀態下運行，與主柴油機一起通過變速箱拖動螺旋槳運轉，在該模式下系統可以獲得最大的輸出功率。

圖2 聯合推進模式能流圖

（2）單獨推進模式。當船舶低速航行或者在港口等待時，系統關閉主柴油機，能量從微電網流向軸帶發電機，能流圖如圖3所示。此時，軸帶發電機工作在電動狀態、單獨拖動螺旋槳旋轉。這種模式可以減少主柴油機的運行時間，延長主柴油機的壽命，并且減少廢氣排放。

圖3 單獨推進模式能流圖

（3）發電模式。當船舶恒速或常速航行時，主柴油機通過變速箱軸系拖動螺旋槳，同時拖動軸帶發電機發電，實現與船舶微電網并網運行，能流圖如圖4所示。軸帶發電機發出的電能經變流器恒壓與恒頻處理后并入微電網，因此微電網電壓和頻率不受主柴油機的轉速變化影響，可以實現系統在給定速度下效率最高。

圖4 發電模式能流圖

（4）空轉模式。在該模式下變流器斷開與軸帶發電機的連接，柴油發電機單獨推動螺旋槳，并拖動軸帶發電機空轉，能流圖如圖5所示。

圖5 空轉模式能流圖

2 監控系統設計

監控系統通過CAN總線通信實現對現場設備的運行狀態監測、參數采集處理、工作模式切換以及報警等功能，并通過Profibus總線與推進系統的上位機通信，完成現場設備的狀態參數上傳和指令接收。

2.1 硬件設計

由于變速恒頻軸帶發電機組系統現場設備復雜，需要采集、顯示和管理的參數較多，本研究設計的監控系統硬件結構原理框圖如圖6所示。

圖6 監控系統硬件原理框圖

為滿足系統控制要求，控制芯片統一采用TI公司的DSP芯片TMS320F28335。28335的主頻可達150 MHz，采用哈佛流水線結構，能夠快速執行中斷響應。同時集成了浮點運算單元，運算精度高，可用C/C++語言實現復雜的數學算法，并且集成了增強型的通用外設接口，包括CAN、SCI、SPI、I2C等通信接口，可方便地實現與其他集成芯片之間的通信。

液晶模塊采用5 V供電，分辨率為320×240，可以同時顯示數字、字母、漢字、圖像等內容。驅動芯片為RAi0公司的RA8835P3N，該芯片采用8位并行數據接口。由于顯示模塊對速度的要求并不太高，為了減少DSP接口使用量，數據由一個DSP通用I/O口串行輸出，然后經過HCF4094BM1轉換為并行數據傳遞給液晶模塊進行處理。

由于變速恒頻軸帶發電機組是新型混合推進系統的核心部分，系統的各種參數及故障歷史的保存對于系統的工況檢查、故障維護有著至關重要的作用，本研究采用16 Mbit的Flash存儲芯片AT26DF161A來保存系統的基本參數、歷史故障以及液晶屏顯示字庫等數據。AT26DF161A的通信接口采用SPI接口，供電電壓范圍為2.7 V～3.6 V，可采用DSP的I/O口供電電壓3.3 V，因此可以直接與DSP的SPI模塊進行數據通信，不需要電平轉換。該芯片支持塊數據擦除，擦除4 KB的時間僅需50 ms，記錄一個Byte的時間僅為7 μs，能夠實現數據的快速讀取和寫入，從而提高了系統的實時性。

時鐘顯示是液晶顯示中最基本的功能，不僅能在線顯示時間，而且有利于故障記錄的保存和調取。監控系統采用常用的時鐘芯片DS1302Z，其供電電壓范圍為2.0 V～5.5 V。為了保證時鐘芯片的正常供電，時鐘芯片采用監控板上的5 V供電和鋰電池3 V供電兩路供電回路，這樣可以保證系統斷電時DS1302Z的也能正常工作。DSP通過一路ADC來檢測鋰電池的電量，當鋰電池電量不足時，系統通過液晶顯示模塊給出報警信息，提醒用戶更換電池。

外接鍵盤采用包括上、下、左、右、進入、退出6個按鍵的薄膜面板，可以很方便地實現參數設置、命令輸入、菜單切換等功能。薄膜面板可以直接覆蓋到液晶模塊上面，操作簡單方便。

與一般的通信總線相比，采用CAN總線的數據通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性，因此監控系統與變頻器間的通信采用CAN總線。由于DSP芯片內部集成了CAN通信模塊，本研究只需添加CAN總線數據收發器即可與CAN總線網絡上其他設備進行通信。CAN數據收發器采用TJA1050，符合ISO 11898標準，而且不上電時總線呈現無源特性。

上位機網絡通信采用Profibus通信協議，為了實現監控系統和上位機之間的通信，本研究利用DSP的SCI接口連接一個協議轉換模塊，然后接入上位機通信網絡，SCI通信芯片采用常用的MAX485通信芯片。

2.2 軟件設計

監控系統需要對現場控制系統的各種運行參數以及各個設備的狀態進行實時采集和顯示，并對異常狀態進行報警和處理。系統菜單設計采用模塊化設計，以便于編程和調用。主程序及中斷子程序流程圖如圖7所示。

圖7 主程序及中斷子程序流程圖

系統初始化包括DSP的系統時鐘、中斷、定時器模塊、CAN模塊、SCI模塊、SPI模塊及通用I/O口的初始化、時鐘芯片初始化、液晶模塊初始化等內容。

主界面顯示是系統正常工作狀態的界面，顯示內容包括各個設備運行狀態、主要的運行參數、實時時間等內容。

按鍵掃描和菜單處理主要是對系統界面上的相關命令進行操作，包括系統運行模式切換、系統起動、系統停機、系統復位、詳細運行參數顯示、參數設置、故障顯示、故障歷史記錄查詢等內容。

系統狀態及參數更新包括系統設備狀態、運行參數、時間的實時更新，對新設置的參數、系統故障等數據的保存等內容。

電池電量檢測主要對鋰電池的電量進行A/D采樣計算，當電池電量低于2.2 V時，系統給出報警信號，在主界面上顯示電池閃爍圖標，提醒用戶更換電池。

由于系統主回路控制部分采用背靠背結構的三相全橋變流器分別由兩塊DSP芯片控制，為保證數據通信的穩定性，監控板配置1#郵箱接收電機側變流器控制芯片DSP-1發送的數據，2#郵箱接收電網側變流器控制芯片DSP-2發送的數據，在CAN接收中斷子程序中實現數據的接收和處理。

3 結束語

本研究基于變速恒頻軸帶發電機組系統設計的監控系統，不但可以實現對系統運行狀態和參數的實時顯示，而且可以設置系統工作參數、切換工作模式，在故障狀態下實現報警和緊急保護。

該監控系統接口電路小巧方便，節省空間，界面交互性好，便于安裝和調試，同時模塊化的軟件設計方法也提高了代碼的可讀性、可靠性和可維護性。

致 謝

本研究在完成的過程中得到了南余榮教授和石健將副教授的悉心指導，在實驗平臺的搭建過程中得到了師兄張平博士和師弟李榮貴的大力支持，在此表示深深的謝意。

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