船舶電站新型數字同步表的設計

徐恭德，吳志良

(大連海事大學 輪機工程學院，遼寧省 大連 116026)

船舶電站新型數字同步表的設計

徐恭德，吳志良

(大連海事大學 輪機工程學院，遼寧省 大連 116026)

針對船舶電站準同步并車的要求以及特點，設計高精度新型數字同步表。以Proteus和Keil為實驗平臺，完成了相應的軟件編程和外圍硬件電路的設計，分析了主要技術環節的實現。仿真實驗結果表明新型數字同步表的設計完全實現了針對待并發電機和電網電壓的頻差和相位差的檢測與顯示功能，且運行可靠，檢測精度高，成本低。

船舶電站同步表相位檢測頻差單片機

0　引言

船舶電站由船舶發電機組和配電盤組成，是船舶電力系統的核心。為了滿足船舶供電的可靠性和經濟性，船舶電站通常設有三或四臺同步發電機組作為主電源，規范亦要求至少設置兩臺船舶主發電機組。兩臺或兩臺以上的發電機同步并車過程中，通常由傳統電磁式同步表承擔對待并機和電網的頻率及相位的檢測，滿足并車要求后主開關合閘，完成并車操作。

隨著船舶電站自動化程度的不斷提高和微機控制技術的飛速發展，傳統的同步表在信息交互和精度方面已經不能滿足船舶電站的并車要求，而逐步被新型數字同步表代替，因此新型高精度數字同步表的研究開發具有較高的實用價值。

新型數字同步表的設計采用89C51系列單片機作為核心控制器，可以大大降低成本。該型號單片機具有高度集成性，高可靠性，抗干擾能力強，能夠滿足處于機艙內工況條件惡劣的船舶電站要求。除此之外，該型號單片機控制能力強，運算速度快，I/O豐富，具有數據通信的能力，能夠進行實時控制，滿足船舶電站準同步并車操作的各項要求[1]。

1　新型數字同步表的工作原理

1.1同步并車要求

待并發電機投入電網運行之前，它的某些參數必須滿足一定的要求才允許并車操作，否則可能會產生較大的沖擊電流，嚴重時會造成整個船舶電力系統崩潰。

經理論和實踐證明，準同步并車的三個限制條件為[2]：

1）待并發電機與電網的電壓差應不得大于額定電壓的10%；

2）待并發電機與電網的頻率差應嚴格限制在±1%額定頻率值以內；

3）待并發電機與電網電壓的初相位差應限制在±15°以內。

1.2同步表的工作原理

由于船舶發電機調壓器均能保證發電機的調壓特性滿足并車電壓條件的要求，因此，應用同步表檢測并車條件，實際上是保證頻差和相位差在允許的限制條件內。同時，并車要求待并發電機頻率大于電網頻率即要求正頻差條件并車，因此，頻差方向的鑒別也是同步表應考慮的條件之一。

本設計思路是通過電壓變換環節將待并發電機和電網電壓信號采集后，分別進行數模轉換，一路送給頻差鑒別環節用于頻差方向的判斷，另一路直接進行差分處理后得到頻差方波信號。單片機根據頻差方波信號和頻差方向鑒別信號運行程序來驅動指示燈旋轉。同時根據頻差的大小和頻差的方向進行邏輯判斷來鑒別合閘信號。數字同步表原理框圖如圖1所示。

圖1　同步表原理框圖

1.3電壓信號的采集與處理

本文設計檢測電壓信號步驟如下：首先，將待并發電機側與母排側的電壓分別經電壓互感器降至100 V；然后將電壓互感器的二次端再進行降壓操作，將100 V電壓降壓到5 V；最后將同相同頻率 5 V正弦弱電壓送入到模數轉化電路[3]。

1.4頻率信號的采集與處理

頻率信號的采集與處理是實現同步表準確測量待并機和電網頻率的基礎。本設計采用模數轉化環節，將不易進行測量的正弦波信號轉換成易于進行測量的方波信號[4],轉換電路圖2所示：

圖2　模數轉換電路圖

電壓信號將正弦波轉換成方波，一是方便測量信號的周期，用于頻差方向的檢測，二是為信號差分做準備，在此之后將兩路信號進行差分，用于頻差相位的檢測。

1.5相位信號的采集與處理

相位信號的采集與處理是實現自動準同步并車功能的難點和關鍵環節，亦是同步表設計的關鍵點。

本文采用放大器差分原理，將兩路方波信號分別輸入放大器的正相輸入端和反向輸入端，利用放大器的虛短和虛斷原理，將兩路信號差分后放大器飽和輸出，得到頻差相位的 PWM波[5]。PWM 波的信號脈寬是待并發電機和電網的兩路方波信號直接差分所得，是一個動態的脈沖寬度由大約0 ms到10 ms變化的方波信號，不同的脈沖寬度代表不同的頻差相位，單片機根據不同的脈沖寬度驅動相應的LED點亮。

如果待并發電機頻率ff大于電網頻率fw，在一個頻差周期里，頻差相位的PWM波是一個脈沖寬度由窄變寬再變窄的周期信號；如果待并機的頻率小于電網的頻率，在一個頻差周期里，頻差相位的PWM波同樣也是一個脈沖寬度由窄變寬再變窄的周期信號。我們取以上兩種情況的前半個周期如圖3所示。UF代表待并發電機電壓信號，UW代表電網電壓信號，代表待并發電機電壓方波信號，代表電網電壓方波信號，最下面的UM是頻差信號。

假設待并機頻率大于電網頻率，那么他們的頻差PWM是一個由窄變寬再變窄的周期。在這一個周期內，勢必在0點到6點的某一個脈寬值和6點到12點的某一個脈寬值相等，為了解決同步表的的LED的對應問題，我們必須連續取相鄰的兩個脈寬，如果前一個脈寬小于后面一個脈寬，那么該脈寬肯在0點到6點的某一個位置；如果前面一個脈寬大于后面一個脈寬，那么此時該脈寬定在6點到12點的某一位置。這樣就解決了一個脈寬可能對應兩個指示燈的情況。

圖3　相位差PWM波的形成

1.6頻差方向信號的處理

同步表既可以順時針方向旋轉，又可以逆時針方向旋轉，通常順時針旋轉時為正頻差可以進行并車操作，旋轉方向的鑒別需要對兩路信號頻率大小進行判斷。這里我們采用單片機的定時計數器，對兩路信號的方波脈寬進行計數，通過比較兩路計數器的數值來判斷電網頻率和待并機頻率的大小，進而來區分同步表LED燈的正反轉。

2　系統的工作流程

數字同步表工作流程如圖4所示。

1）檢測待并機頻率是否滿足要求，對數字同步表進行上電初始化設置。

2）經過數模變換環節后，將方波信號分別輸入2號單片機和數字差分環節[6]。

3）對待并機脈寬信號進行測量，如果脈寬信號符合要求，一號單片機將進行頻差脈寬的測量并運行內部程序，同時二號單片機采集兩路電壓信號的脈寬，判斷頻差方向[7]。

4）最后如果頻差周期在符合的要求范圍內，同時頻差方向為正頻差，同步表將指示可以進行并車操作[8]。

3C主要技術環節的實現與分析

3.1S頻差信號的產生

采用最簡單的處理方式，將兩路方波信號運用放大器差分，利用放大器的高倍增益和飽和輸出特性得到0 V和5 V的方波頻差PWM波[8]。

3.2雙單片機的分工合作

為了保證在并車過程中對頻差相位和頻差方向測量的實時性，采用雙51單片機并聯運行的方式，用來減少單片機運行程序對測量帶來的系統誤差。一號單片機只負責頻差相位的檢測與處理，驅動LED指示燈；二號單片機則負責頻差方向的檢測以及合閘操作指示。

圖4　系統工作流程圖

兩臺單片機分工獨立合作，運行兩套獨立的程序。二號單片機以一號單片機為主，運行的頻差方向結果作為一號單片機程序的預備條件；一號單片機的運行結果直接驅動LED燈。

二號單片機實現功能相對簡單，所需要運行的程序語句相對較少，為了保證程序的可讀性，測量的實時性，采用匯編語言。一號單片機是程序運行的主機器，所需要運行的程序語句量大，為了減小程序內存，減少程序運行的時間，采用C語言編程[9]。

3.3單片機基準時鐘設置

因為采用雙單片機控制和兩個獨立的單片機最小系統，所以采用兩個獨立的晶振脈沖。由于兩臺單片機子運行的程序不同，實現的功能也不同，兩臺單片機對應的晶振不同。

一般來說，要想實現同步表的高精度測量，一號機的晶振脈沖越高越好，這樣程序運行時間短，系統誤差可大大降低；另一方面，單片機存在晶振限制，所以不可能無限的提高晶振頻率，再者，晶振頻率的選擇要與單片機定時計數器相匹配，過高的晶振頻率可能要超過單片機計數器的最大值。除此之外，晶振頻率過高還可能導致同步表程序編程的困難，使同步表運行的現象不理想。如果頻率過低，則系統誤差將會大大增加，同步表的準確度將大大折扣，實時性也大大減弱，很可能出現程序跑不完的現象。

二號單片機晶振頻率的選擇，滿足在規定的頻差范圍內能夠判斷頻差方向即可。二號單片機對實時性和精度要求沒有一號單片機高，所以晶振頻率可以低于一號單片機的晶振頻率。

3.4程序運行時間與系統誤差

單片機運行模式是實時控制的，程序的運行周期與單片機的機器周期有關，所以單片機是否能夠實時的測量脈寬取決于機器周期的大小。

由于本設計只利用頻差信號的高電平，所以程序的運行是否順利運行完全取決于程序運行的時間和頻差信號低電平時間的大小。一方面要控制運行時間的大小，就得控制程序的大小，另一方面可以提高運行速度，減小機器周期的大小。

在同步并車過程中，并車操作的相位差在±15?以內就算符合要求，也就是說指示燈的個數不得少于24個。本設計采用36個LED指示燈，理論指示精度為10?，完全符合要求。

本設計采用指示燈均分的原理，將36個LED指示燈平均分配，半個頻差周期里有 18個指示燈。為方便計算，假設采用晶振頻率為12 MHz,一號單片機機器周期為t0=1 μs，電網電壓頻率為工頻50 Hz，當待并機的頻率大于50 Hz時，頻差最大脈寬為

在誤差最大處分析數據，誤差僅為1.817?完全能夠滿足并車要求。

4　仿真實驗結果

綜上所述，我們利用Proteus軟件和Keil軟件進行仿真[10]，仿真結果和預期結果完全一致，即：該數字同步表設計能夠實現并車過程中對頻差的實時監測，同時能夠完成對頻差方向和合閘信號的鑒別，誤差精度完全符合要求。同步表示意圖如圖5所示，整體實驗電路圖如圖6所示。

圖5　同步表示意圖

5　結論

本文設計思想新穎，運用數模轉換技術將模擬信號變換成數字信號驅動同步表，能夠有效抑制機艙中各種干擾模擬信號及其諧波的干擾。同時由于采用單片機控制，實時性強，精度高，且預留豐富的I/O口，為以后的功能擴展提供了硬件基礎的保障。

圖6　實驗電路圖

［1］ 肖看， 李群芳. 單片機原理、接口及應用：嵌入式系統技術基礎［M］. 北京： 清華大學出版社， 2010.

［2］ 吳志良. 船舶電站［M］. 大連： 大連海事大學出版社，2012.

［3］ 戴文進等. 電機學［M］. 北京： 清華大學出版社，2008.

［4］ 康華光， 陳大欽， 張林. 電子技術基礎北京（模擬部分）［M］. 北京： 高等教育出版社， 2006.

［5］ 夏永明等， 船用智能同步表檢測、指示控制儀表［J］.上海海事大學學報， 2010， 31（4）41-44.

［6］ 夏永明.智能化多功能數字式整步表. 31［P］cn200962527.上海海事大學學報， 2007-10-17.

［7］ 孫仁勇等. 用單片機實現輪機模擬器電站仿真同步表［J］. 大連海事大學學報， 2002， 28（4）： 9-12.

［8］ 康華光， 陳大欽， 張林. 電子技術基礎（數字部分）［M］. 北京： 高等教育出版社， 2009.

［9］ 張小兵等. C/C++程序設計.［M］.北京：中國鐵道出版社，2007.

［10］ 陳海宴. 51單片機原理及其應用： 基于 Keil C與Proteus［M］. 北京： 北京航空航天大學出版社， 2010.

The Design of a Digital Dual MCUs Synchronoscope

Xu Gongde，Wu Zhiliang
（Marine Engineering College，Dalian Maritime University，Dalian 116026，Liaoning，China）

According to the requirements and characteristics of automatic control of ship’s power station，the new high-precision digital synchronoscope is designed. Using Proteus and Keil as experimental platform，the corresponding design of software programming and peripheral hardware circuits are completed，and the realization of main technology is analyzed. Simulation results show that the design of new digital synchronization table makes sure that the frequency difference and phase difference of generators and grid voltage can be detected during generator connecting in parallel with system，and it operates reliably with high precision.

marine power station; synchronoscope; phase detection; frequency difference; MCU;

U665 TP36

A

1003-4862（2015）12-0061-04

2015-09-11

國家自然科學基金重大項目（51490681）、國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）（2015CB251004）

徐恭德（1992-），男，在讀碩士研究生。研究方向：船舶電力系統。