張興龍， 張予祥

（上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 軍品分所，上海200135）

0 引 言

船舶電站為全船設(shè)備提供所需的電力，由原動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和附屬設(shè)備及配電板組成，目前電站按照供電頻率分為工頻（50 Hz或60 Hz）和中頻（400 Hz）兩種電站系統(tǒng)。工頻電站自動(dòng)控制技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各型號(hào)艦船，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同原動(dòng)機(jī)組自動(dòng)控制，多個(gè)電站發(fā)電機(jī)組自動(dòng)控制及發(fā)電機(jī)組的有功、無功綜合調(diào)控等功能。為了降低設(shè)備的自重，一些有特殊用途的船用設(shè)備采用400 Hz中頻交流電供電。中頻電站監(jiān)控設(shè)備作為控制裝置需要對(duì)中頻電量參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確測量，以期實(shí)現(xiàn)精確控制，其中主要電量參數(shù)包括機(jī)組的頻率和功率因數(shù)等。目前中頻（400 Hz）電站自動(dòng)控制仍是國內(nèi)外公認(rèn)的難題，能用于試驗(yàn)的中頻（400 Hz）發(fā)電機(jī)組數(shù)量少且價(jià)格昂貴。為了降低試驗(yàn)成本，提高中頻電站監(jiān)控裝置調(diào)試效率，在ARM技術(shù)與發(fā)電機(jī)原理方面進(jìn)行了深入研究，成功地利用LPC1758芯片研制出了中頻發(fā)電機(jī)組電氣輸出信號(hào)模擬裝置，為中頻電站監(jiān)控設(shè)備的可靠性試驗(yàn)和測量精度驗(yàn)證提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 中頻發(fā)電機(jī)組電氣輸出信號(hào)模擬裝置的軟、硬件原理

中頻發(fā)電機(jī)組控制的關(guān)鍵在于中頻電量測量，因此中頻發(fā)電機(jī)組的輸出信號(hào)模擬裝置要能夠模擬實(shí)際機(jī)組產(chǎn)生的三相電信號(hào)。中頻電量測量與工頻電量測量目的相同，都是采樣交流電壓、電流，送入處理器，計(jì)算它們的幅值、頻率以及有功功率等電量參數(shù)。

中頻發(fā)電機(jī)組為三線星型絕緣系統(tǒng)，中心點(diǎn)不接地，輸出A、B、C三相?？梢酝ㄟ^兩個(gè)電壓互感器分別測量A相與B相的線電壓Uab和C相與B相的線電壓Ucb，通過兩個(gè)電流互感器分別測量A相電流Ia和C相電流Ic，它們的相位關(guān)系見圖1。然后將這些電壓電流參數(shù)送入中頻測量模塊，經(jīng)過采樣、濾波、線性變換等電路處理后進(jìn)行測量分析。

三相功率的測量通過二瓦計(jì)法進(jìn)行，分別測量AB相和CB相功率，相加即得ABC三相功率。二瓦計(jì)法測功率的公式下：

式（1）中：θ1為線電壓Uab與相電流Ia之間的夾角；θ2為線電壓Ucb與相電流Ic之間的夾角。

驗(yàn)證中頻電站監(jiān)控裝置測量精度的最好辦法是對(duì)實(shí)際的中頻機(jī)組進(jìn)行測量，所測數(shù)據(jù)與校驗(yàn)合格的電量分析儀的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。如果沒有足夠的資金用來購買中頻發(fā)電機(jī)組作為中頻電站監(jiān)控裝置的檢驗(yàn)設(shè)備，那么有必要設(shè)計(jì)1種更為經(jīng)濟(jì)便捷的替代裝置。為此設(shè)計(jì)了能產(chǎn)生中頻電壓電流信號(hào)的模擬裝置，用以替代實(shí)際試驗(yàn)中所需的中頻發(fā)電機(jī)組。

中頻測量需要兩路電壓信號(hào)、兩路電流信號(hào)，同時(shí)兩路電壓信號(hào)、電流信號(hào)之間還須滿足一定的相位關(guān)系，因此中頻發(fā)電機(jī)組電氣輸出信號(hào)模擬裝置要有能力產(chǎn)生這些信號(hào)并可調(diào)相，同時(shí)需要信號(hào)的頻率為400 Hz。

1.1 模擬裝置的硬件原理

中頻發(fā)電機(jī)組電氣輸出信號(hào)模擬裝置的硬件組成見圖2，模擬裝置的微處理器采用基于Cortex－M3核心的ARM芯片LPC1758FBD80。芯片使用高性能的ARM Cortex－M3核心的ISC內(nèi)核，具有3級(jí)流水線哈佛結(jié)構(gòu)，支持單周期硬件乘法和除法，工作頻率最高為100 MHz。它內(nèi)置高速存儲(chǔ)器（高達(dá)512 k B的閃存和64 k B的SRA M），豐富的增強(qiáng)I／O端口和聯(lián)結(jié)到2條APB總線的外設(shè)，同時(shí)擁有豐富的接口：脈沖寬度調(diào)制器（Pulse Width Modulator，PWM）、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog－to－Digital Converter，ADC）、I2C總線、串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface，SPI）、控制器區(qū)域網(wǎng)（Controller Area Net work，CAN）、通用串行總線（Universal Serial Bus，USB）、RIT等。此外3.3 V供電使得該芯片具有低功耗的特點(diǎn)。

圖1 三相矢量圖

圖2 中頻發(fā)電機(jī)組電氣輸出信號(hào)模擬裝置硬件框圖

通用輸入輸出口（General Pur pose Input and Output，GPIO）工作頻率高達(dá)100 MHz。從圖2中可知LPC1758的GPIO產(chǎn)生了包含有相位信息的電壓電流方波信號(hào)。GPIO所需的定時(shí)由RIT提供。

RIT的時(shí)鐘由內(nèi)核時(shí)鐘分頻得到，每個(gè)時(shí)鐘周期計(jì)數(shù)1次，達(dá)到設(shè)定的次數(shù)時(shí)可以中斷。設(shè)計(jì)中利用RIT來產(chǎn)生基準(zhǔn)時(shí)間1μs。并把1μs作為定時(shí)的基本單位。

LPC1758的時(shí)鐘模塊由時(shí)鐘源、鎖相環(huán)、中央處理器（Central Processing Unit，CPU）、時(shí)鐘分頻器、外設(shè)時(shí)鐘分頻器組成。內(nèi)核的時(shí)鐘由CPU時(shí)鐘分頻器提供，該時(shí)鐘經(jīng)過外設(shè)時(shí)鐘分頻器分頻之后提供給RIT等外設(shè)。當(dāng)CPU時(shí)鐘為100 MHz時(shí)，外設(shè)的時(shí)鐘最高可達(dá)100 MHz，因此RIT可以分辨10 ns的時(shí)間間隔。中頻的周期T為2.5 ms，RIT可以計(jì)數(shù)250 000次。在1μs的基準(zhǔn)時(shí)間下，1個(gè)中頻周期RIT也可計(jì)數(shù)2 500次。

輸出波形的周期誤差來源于電平切換時(shí)的意外中斷及處理相關(guān)程序的延時(shí)。Cortex－M3核心的高集成度和中斷矢量控制器（Nested Vectored Interrupt Controller，NVIC）使得中斷可以快速執(zhí)行，中斷響應(yīng)延時(shí)最短為4個(gè)指令周期。周期誤差最大值為中斷響應(yīng)和執(zhí)行時(shí)間及相關(guān)程序執(zhí)行時(shí)間的和ΔT的2倍。則周期誤差率為

式（2）中：ΔT為46×102ns，則δ為0.036 8%。占空比最大誤差率為δ／0.5＝0.073 6%。

相位角θ的誤差來源于程序中斷處理延時(shí)誤差與舍小數(shù)誤差。在1μs的基準(zhǔn)下可以分辨的最小角度為0.144°。例如需要相位差為1°，則舍小數(shù)誤差為－0.136°，中斷處理延時(shí)誤差為0.132°由于兩個(gè)誤差符號(hào)不同，則總誤差Δθ取絕對(duì)值較大的－0.136°。功率P的誤差可用下式表示：

表1 相位角誤差對(duì)功率的影響

因此利用RIT定時(shí)功能可以準(zhǔn)確地產(chǎn)生4路頻率為400 Hz、占空比為50%的方波脈沖，且可以滿足精度要求及不同信號(hào)間的相位要求。4路方波脈沖經(jīng)過7階有源濾波電路后變?yōu)檎也ㄐ盘?hào)，用以模擬中頻機(jī)組產(chǎn)生的電壓電流信號(hào)。

1.2 模擬裝置的軟件原理

設(shè)計(jì)編程環(huán)境為Keil UV3 MDK。Keil UV3 MDK使用C語言編程，它提供了豐富的庫函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具，便于開發(fā)調(diào)試。在軟件設(shè)計(jì)中使用嵌入式操作系統(tǒng)μC／OC－II，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。

中頻發(fā)電機(jī)組電氣輸出信號(hào)模擬裝置4路方波信號(hào)的時(shí)序圖見圖3，根據(jù)圖1可知，當(dāng)發(fā)電機(jī)組負(fù)載為感性負(fù)載時(shí)，相電壓Ua超前相電流Ia，角度為θ，當(dāng)前功率因數(shù)則為cosθ。線電壓Ucb超前線電壓Uab的角度為60°，超前時(shí)間為60÷360×2 500μs；線電壓Uab超前相電流Ia的角度為30°＋θ，超前時(shí)間為（30＋θ）÷360×2 500μs；當(dāng)θ＝30°時(shí)，線電壓Ucb與相電流Ic同相位，當(dāng)θ＞30°，線電壓Ucb超前相電流Ic的角度為θ－30°，超前時(shí)間為（θ－30）÷360×2 500μs，當(dāng)θ＜30°，線電壓Ucb滯后相電流Ic的角度為30°－θ，滯后時(shí)間為（30－θ）÷360×2 500μs。

實(shí)際中，中頻機(jī)組運(yùn)行時(shí)線電壓Uab、Ucb保持恒定，相電流Ia、Ic和θ隨負(fù)載變化而變化。模擬裝置提供了相應(yīng)的電壓和電流信號(hào)，同時(shí)讓?duì)劝凑招枰M(jìn)行變化。

μC／OS－II系統(tǒng)的移植分3個(gè)部分：

1）在OS＿CPU.H中定義數(shù)據(jù)類型、開／關(guān)中斷函數(shù)以屏蔽編譯器和處理器；定義堆棧的增長方向；定義任務(wù)切換函數(shù)。

2）在OS＿CPU＿A.ASM 中，用C語言編寫幾個(gè)函數(shù)：OSStart High Rdy（），OSCt xsw（），OSInt Ct x Sw（），OSTickISR（）。

3）定義 OSTask－Stkl nit（）函數(shù)，聲明函數(shù) OSTask Create Hook、OSTask Del Hook、OSTask Sw Hook、OSTask－Start Hook、OSTi me Tick Hook。

系統(tǒng)運(yùn)行的流程圖見圖4。

圖3 電壓電流方波時(shí)序圖

圖4 系統(tǒng)運(yùn)行的軟件流程圖

2 中頻發(fā)電機(jī)組電氣輸出信號(hào)模擬裝置的調(diào)試原理

為了更加簡便地修改模擬裝置的參數(shù)，采用上位機(jī)控制模擬裝置。通過上位機(jī)發(fā)送參數(shù)來控制模擬裝置的輸出信號(hào)。通過VC＋＋軟件編程實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面。

由計(jì)算機(jī)、CAN收發(fā)裝置、中頻發(fā)電機(jī)組電氣輸出信號(hào)模擬裝置等組成（見圖5）。圖5中，中頻發(fā)電機(jī)組電氣輸出信號(hào)模擬裝置的控制器為LPC1758。

在上位機(jī)中使用VC＋＋軟件建立了人機(jī)界面，通過USBCAN與模擬裝置進(jìn)行通信，可以方便地進(jìn)行信號(hào)輸出和監(jiān)視模擬裝置，通訊協(xié)議為CAN2.0B。通過使

用MFC類庫開發(fā)了界面程序，同時(shí)用到了USBCAN驅(qū)動(dòng)函數(shù)庫（見圖6）。

圖5 系統(tǒng)CAN總線網(wǎng)絡(luò)圖

圖6 人機(jī)界面

人機(jī)界面包含了2個(gè)子區(qū)域：

1.設(shè)備選項(xiàng)，可以選擇波特率，通過打開設(shè)備和關(guān)閉設(shè)備2個(gè)按鈕控制CAN收發(fā)裝置的打開和關(guān)閉，CAN啟動(dòng)和CAN復(fù)位按鈕控制CAN的工作和停止。工作時(shí)顯示“設(shè)備已打開”，同時(shí)指示燈閃爍。

2.發(fā)送選項(xiàng)，發(fā)送區(qū)域可以設(shè)定相位角和功率因數(shù)、監(jiān)視實(shí)際的功率因數(shù)和頻率，還可以發(fā)送任意的數(shù)據(jù)包到任意CAN節(jié)點(diǎn)。

調(diào)試時(shí)，通過計(jì)算機(jī)接口軟件的界面，置入相電壓Ua與相電流Ia的夾角θ，CAN收發(fā)裝置將θ變量通過CAN總線輸入到中頻發(fā)電機(jī)組模擬裝置（見圖5）。模擬裝置接收到θ，并根據(jù)圖3的時(shí)序計(jì)算4路方波之間的夾角，最終產(chǎn)生4路相對(duì)應(yīng)的正弦波形。中頻發(fā)電機(jī)組功率測量模塊根據(jù)下式計(jì)算發(fā)電機(jī)組的有功功率。

3 結(jié) 語

基于Cortex－M3核心ARM處理器實(shí)現(xiàn)了中頻發(fā)電機(jī)組電氣輸出信號(hào)模擬裝置的設(shè)計(jì)，它的高速性能，嵌入式操作系統(tǒng)及RIT、GPIO等外設(shè)的使用，保證了中頻電氣信號(hào)高精度波形的輸出。

［1］ 王國強(qiáng)，盛振邦.船舶推進(jìn)［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，1995.

［2］ 張亮，王繼陽.MATLAB與C／C＋＋混合編程［M］.北京：中國人民郵電出版社，2008.

［3］ 林俊杰.Visual C＋＋6程序設(shè)計(jì)經(jīng)典［M］.北京：科學(xué)出版社，1999.

［4］ 陳賾，劉振興，李福宗，等.ARM嵌入式技術(shù)實(shí)踐教程［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

［5］ 劉尚軍.ARM嵌入式技術(shù)原理與應(yīng)用［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

［6］ 郭凱東，張東來，蘇光明.嵌入式操作系統(tǒng)μC／OS－II在通信電源監(jiān)控中應(yīng)用［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備，2005（4）：69－71.