韓 正 王向軍 劉德紅

(海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院 武漢 430033)

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艦船極低頻電場(chǎng)防護(hù)系統(tǒng)的改進(jìn)與研究*

韓 正 王向軍 劉德紅

(海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院 武漢 430033)

論文闡述了艦船極低頻磁場(chǎng)特性的產(chǎn)生機(jī)理及防護(hù)技術(shù),為了抑制艦船在海水中行駛時(shí)所產(chǎn)生的極低頻電場(chǎng)信號(hào),利用主動(dòng)軸接地系統(tǒng)的電場(chǎng)防護(hù)方法,結(jié)合數(shù)字信號(hào)處理芯片,提出了抑制艦船極低頻電場(chǎng)產(chǎn)生的改進(jìn)型控制方案。

極低頻電場(chǎng); 防護(hù)方法; 控制方案

Class Number P319.1

1 艦船極低頻電磁場(chǎng)的形成

眾所周知,艦船是由不同種類的金屬材料制作而成,不同的金屬其化學(xué)特性不同導(dǎo)致在海水中將形成不同的電位。因此,當(dāng)船體局部之間金屬材料不同時(shí),因?yàn)楹Ｋ鳛樘烊坏膶?dǎo)體而在海水中形成回路,并且產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕作用。為防止腐蝕的發(fā)生,艦船普遍安裝犧牲陽(yáng)極(SCP)或外加電流陰極保護(hù)(ICCP)裝置,這兩種防腐系統(tǒng)均會(huì)在海水里產(chǎn)生電流[1]。腐蝕產(chǎn)生的電流與采用陰極保護(hù)系統(tǒng)外加的電流,都從船殼經(jīng)海水流向螺旋槳,然后通過軸系間的機(jī)械結(jié)構(gòu)從螺旋槳返回到船殼。由于軸與軸系等機(jī)械結(jié)構(gòu)間的接觸電阻將隨軸的轉(zhuǎn)動(dòng)而發(fā)生周期性的變化,從而造成海水中的電流也隨之脈動(dòng),該脈動(dòng)電流在海水中產(chǎn)生的電場(chǎng)以諧波的形式向外傳播,從而形成了艦船極低頻電場(chǎng)[2]。

2 電場(chǎng)防護(hù)系統(tǒng)

傳統(tǒng)的電場(chǎng)防護(hù)系統(tǒng)主要包括被動(dòng)軸接地系統(tǒng)和主動(dòng)軸接地系統(tǒng)。在理想情況下,隔離轉(zhuǎn)動(dòng)軸可以達(dá)到消除電場(chǎng)作用,但是由于轉(zhuǎn)動(dòng)軸和螺旋槳的腐蝕等其他因素,轉(zhuǎn)動(dòng)軸必須采用接地裝置[3]。如圖1所示,被動(dòng)軸接地系統(tǒng)是通過一組電刷和集電環(huán)將轉(zhuǎn)軸與船殼相連[4],利用接地電刷的低阻抗避免了軸承阻抗的波動(dòng),從而消減極低頻電場(chǎng),但是該系統(tǒng)可靠性較差。主動(dòng)軸接地系統(tǒng)是在軸承阻抗增大的瞬間,利用電子電路將轉(zhuǎn)動(dòng)軸接地,如圖2所示。

圖1 被動(dòng)軸接地系統(tǒng)

圖2 主動(dòng)軸接地系統(tǒng)

忽略不計(jì)主動(dòng)軸接地系統(tǒng)中的反饋特性,同時(shí)假設(shè)Rb的值很大。在未使用主動(dòng)軸接地系統(tǒng)時(shí),轉(zhuǎn)動(dòng)軸與船體間電壓較大,軸殼之間海水的阻抗壓降很小。主動(dòng)軸接地系統(tǒng)工作時(shí),高的Vsh值可以驅(qū)動(dòng)電源輸出更高的iASG電流值,導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)軸中電流變大,從而使Vsh變小;反之,當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸電流大而Vsh小時(shí),電流iASG減小,相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸中電流減小,因而減小極低頻電場(chǎng)。

3 數(shù)字信號(hào)處理芯片的簡(jiǎn)介

早期的信號(hào)處理主要是模擬信號(hào)處理,利用不同電阻、電容組成的運(yùn)算放大電路來(lái)實(shí)現(xiàn),顯而易見的問題是穩(wěn)定性、靈活性差,修改參數(shù)麻煩,而且易受周圍環(huán)境變化的影響而導(dǎo)致處理結(jié)果的不準(zhǔn)確。而數(shù)字信號(hào)處理可以通過軟件修改處理參數(shù),因此具有很大的靈活性。由于數(shù)字電路中只有二值邏輯,當(dāng)環(huán)境溫度、電路噪聲的變化不能改變電路邏輯翻轉(zhuǎn)時(shí),數(shù)字電路都可以完成工作,穩(wěn)定性明顯高于模擬電路。基于在信號(hào)處理上面數(shù)字信號(hào)處理的顯著優(yōu)勢(shì),針對(duì)數(shù)字信號(hào)處理的要求,數(shù)字信號(hào)處理芯片DSP應(yīng)運(yùn)而生。

TMS320C2000系列DSP控制器具有強(qiáng)大的性能,能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的控制算法。其芯片集成了Flash存儲(chǔ)器、高速A/D轉(zhuǎn)換器、增強(qiáng)型CAN模塊、事件管理器、正交編碼電路接口、多通道緩沖串口等外設(shè),主要在數(shù)字化控制中應(yīng)用[5～7]。其中C28x系列是目前數(shù)字控制領(lǐng)域中性能最高的芯片,這種芯片的特點(diǎn)是采用32位的浮點(diǎn)DSP核,其內(nèi)含閃存和高達(dá)150MIPS的數(shù)字信號(hào)處理器,針對(duì)工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域而設(shè)計(jì)。32位的C28xDSP整合了DSP和微控制器的最佳性能,能夠在一個(gè)周期內(nèi)完成32×32位的乘法累加運(yùn)算,并且可以在一個(gè)周期內(nèi)對(duì)任何內(nèi)存地址完成讀取、修改和寫入的操作。此外,該系列DSP還提供多種自動(dòng)指令,提高了程序的執(zhí)行效率,簡(jiǎn)化了程序的開發(fā)。圖3所示為一個(gè)完整的DSP系統(tǒng)框圖。

圖3 DSP系統(tǒng)

4 改進(jìn)型控制方案

傳統(tǒng)的主動(dòng)軸接地系統(tǒng)利用電子電路將轉(zhuǎn)動(dòng)軸接地,其實(shí)質(zhì)是在轉(zhuǎn)動(dòng)軸電流變化的瞬間施加一個(gè)反向電流,從而保持軸電流的穩(wěn)定,實(shí)現(xiàn)對(duì)極低頻電場(chǎng)的抑制作用[8]。然而在軸電流、電壓的檢測(cè)以及信號(hào)處理上,由于不同電阻、電容組成的模擬信號(hào)處理電路存在易受環(huán)境影響的缺點(diǎn),不能達(dá)到理想的抑制效果,缺乏可靠性。圖4所示為改進(jìn)型接地系統(tǒng)控制方案。圖中虛線部分為簡(jiǎn)化的DSP為控制單元的示意圖,未進(jìn)行標(biāo)記的為轉(zhuǎn)動(dòng)軸與船殼間調(diào)制腐蝕電流的等效圖;Rw為螺旋槳與經(jīng)海水接觸后導(dǎo)通的電阻;Vw為腐蝕電壓;Rb1為電源電刷的電阻;Rb2為測(cè)量電刷的電阻;Rb為軸與軸系機(jī)械結(jié)構(gòu)之間的接觸電阻,其值隨轉(zhuǎn)動(dòng)軸的變化而產(chǎn)生周期性的變化[9～10]。

圖4 改進(jìn)型接地系統(tǒng)控制方案

改進(jìn)后的接地系統(tǒng)基本工作原理如下:通過分別檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸中的電流和軸-殼間的電壓,經(jīng)過電流、電壓控制器將信號(hào)由模擬信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)送至DSP控制單元,通過DSP的控制單元的數(shù)字信號(hào)處理后產(chǎn)生相應(yīng)的PWM脈沖,驅(qū)動(dòng)電源產(chǎn)生抑制電流Io,該電流可消除大軸電流的波動(dòng),達(dá)到抑制極低頻電場(chǎng)的效果。

5 結(jié)語(yǔ)

基于數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)的電場(chǎng)防護(hù)系統(tǒng),雖然存在DSP芯片結(jié)構(gòu)復(fù)雜,成本較高的問題,但是DSP強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力及明顯的速度優(yōu)勢(shì)可以大大提高系統(tǒng)的精度和實(shí)時(shí)性,分析表明,通過DSP控制的電場(chǎng)防護(hù)系統(tǒng)具有穩(wěn)定快、抗干擾性強(qiáng)的特點(diǎn),可以快速有效地抑制極低頻電場(chǎng)的產(chǎn)生。

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Improvement and Research of Ship ELF Electric Protection System

HAN Zheng WANG Xiangjun LIU Dehong

(College of Electronic Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

This paper describes the characteristics of the ship ELF magnetic field generation mechanism and protection technology. In order to suppress the extremely low frequency electric signal when the ship traveling in seawater, generated by the use of electric drive shaft grounding system protection methods, combined with digital signal processing chip, improved control scheme is put forward to suppress the extremely low frequency electric field generated by the ship.

extremely low frequency electronic fields, protection methods, control scheme

2015年6月4日,

2015年7月28日

韓正,男,碩士研究生,研究方向:電磁環(huán)境與防護(hù)技術(shù)。王向軍,男,博士,教授,碩士生導(dǎo)師,研究方向:電磁環(huán)境與防護(hù)技術(shù)。劉德紅,男,博士,講師,研究方向:電磁環(huán)境與防護(hù)技術(shù)。

P319.1

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.12.041