基于數(shù)字信號(hào)處理器實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)測(cè)速功能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1 引言

應(yīng)用于高層建筑、銀行、機(jī)場(chǎng)和油田等場(chǎng)合的柴油發(fā)電機(jī)組，必須采用相應(yīng)方法控制其供電電壓和頻率，以確保在機(jī)組運(yùn)行中具有良好的電氣性能，滿(mǎn)足應(yīng)用要求。其頻率控制一般是通過(guò)轉(zhuǎn)速控制實(shí)現(xiàn)，目前應(yīng)用較多的為模擬式轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。由于模擬式調(diào)節(jié)器不易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制規(guī)律、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。故采用數(shù)字式控制器。數(shù)字式控制器具有算法靈活．可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制規(guī)律、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)柴油發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速的高精度調(diào)節(jié)的理想選擇。因此，這里提出了一種以TMS320F2812 DSP為核心的轉(zhuǎn)速數(shù)字控制器的測(cè)速功能系統(tǒng)設(shè)計(jì)．該設(shè)計(jì)方案是進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速數(shù)字控制的基礎(chǔ)。

2 轉(zhuǎn)速測(cè)量原理

在測(cè)量和控制柴油發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速時(shí)，需用轉(zhuǎn)速傳感器檢測(cè)機(jī)組轉(zhuǎn)速．柴油發(fā)電機(jī)組經(jīng)常使用磁電式轉(zhuǎn)速傳感器（圖1），該轉(zhuǎn)換傳感器是在永久磁鐵上安裝一感應(yīng)線(xiàn)圈．并將傳感器安裝于柴油機(jī)飛輪附近．與柴油機(jī)的測(cè)速飛輪構(gòu)成一個(gè)磁回路。當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)．由于飛輪帶有齒槽，就會(huì)使回路磁阻發(fā)生變化，從而在轉(zhuǎn)速傳感器的線(xiàn)圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，即轉(zhuǎn)速電壓信號(hào)，轉(zhuǎn)速傳感器線(xiàn)圈輸出的平均電壓值為0．5~6 V，其頻率為：

f=Zn/60 （1）

式中：Z為柴油機(jī)飛輪齒數(shù)，n機(jī)組轉(zhuǎn)速。

將傳感器輸出信號(hào)調(diào)理后變成速度頻率的數(shù)字信號(hào)輸入TMS320F2812 DSP的捕獲單元，捕獲被測(cè)信號(hào)電平的跳變沿（比如上升沿），從而可在被測(cè)信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘f0的周期數(shù)計(jì)數(shù)，若得到的周期數(shù)為K，則顯然被測(cè)信號(hào)的周期（T）可表示為：

T=K/f0 （2）

于是，由（1）式和（2）式可得柴油發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速為：

n=60f0/ZK （3）

通過(guò)DSP程序按（3）式即可計(jì)算機(jī)組轉(zhuǎn)速。

3 轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3．1 硬件電路設(shè)計(jì)

若飛輪齒數(shù)Z為159，柴油機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1 500 r／min，根據(jù)上述測(cè)量原理，給出以TMS320F2812 DSP為核心的轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，如圖2所示。

磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的輸出信號(hào)首先由R1和C組成的濾波電路濾波，其截止頻率fc根據(jù)柴油機(jī)在額定轉(zhuǎn)速時(shí)傳感器輸出信號(hào)的頻率確定，而因fc=l／（2πR1C），從而確定R1和C，可見(jiàn)這兩者的取值與柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和飛輪齒數(shù)有關(guān)。需要注意的是這兩者取值應(yīng)按實(shí)際設(shè)備參數(shù)確定。傳感器輸出模擬信號(hào)，要送入DSP需將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，因此采用VQ開(kāi)關(guān)狀態(tài)，經(jīng)VQ轉(zhuǎn)換后其集電極輸出信號(hào)需由反相施密特觸發(fā)器變換后（即經(jīng)過(guò)信號(hào)整形后）再送入DSPTMS320F2812的捕獲單元CAPl。該捕捉單元有一個(gè)專(zhuān)用的2級(jí)深度FIF0堆棧．頂層堆棧由CAPI FIF0組成，底層由CAPlFBOT組成。測(cè)速分兩次捕捉．第一次捕捉到引腳發(fā)生的指定變化時(shí)，捕獲單元將捕捉所選用計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值并把該值寫(xiě)入FIF0堆棧的頂層寄存器．如果在第一次捕捉的值讀取之前發(fā)生第二次捕捉．新的捕捉值會(huì)被送入底層寄存器。捕獲單元捕捉到數(shù)值后．相應(yīng)的中斷標(biāo)志位置1，如果沒(méi)有屏蔽中斷，則產(chǎn)生外圍設(shè)備中斷請(qǐng)求。響應(yīng)中斷，通過(guò)中斷服務(wù)程序讀取一對(duì)捕捉的數(shù)值。該捕捉值正好是被測(cè)信號(hào)一個(gè)周期的兩次計(jì)數(shù)。根據(jù)這兩次捕獲值，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘的周期數(shù)K，進(jìn)而得出被測(cè)轉(zhuǎn)速。

3．2 軟件程序設(shè)計(jì)

由于采用DSP的事件管理器EVA的捕獲單元CAPl，并選其定時(shí)器T1作為CAPl的時(shí)間基準(zhǔn)，T1工作在連續(xù)遞增計(jì)數(shù)模式，并設(shè)定捕獲單元捕獲被測(cè)信號(hào)的上升沿。捕獲前要清中斷標(biāo)志位，開(kāi)捕獲中斷。相應(yīng)初始化事件管理器EVA的程序代碼為：

進(jìn)入捕獲中斷子程序時(shí)，保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)首先清CAPl中斷標(biāo)志位，從二級(jí)深度FIF0中依次讀取兩次捕獲的計(jì)數(shù)值capKl和capK2。如果capK2》capKl，則capK2一capKl即為在被測(cè)信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)記的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘的周期數(shù)K。若capK2《capKl，則說(shuō)明在計(jì)數(shù)過(guò)程中有計(jì)數(shù)溢出，即計(jì)數(shù)到周期寄存器T1PR內(nèi)寫(xiě)入的OxFFFF后回零重新計(jì)數(shù)，因此K=capK2一capKl+0xFFFF。這里時(shí)基T1的頻率為主頻時(shí)鐘除以分頻系數(shù)，即f0=150 MHz／32，因此所測(cè)速度為n=60f0/（ZK）=1768 867．925／K。下面為捕獲中斷子程序代碼：

4 結(jié)語(yǔ)

基于磁電式轉(zhuǎn)速傳感器和TMS320F2812 DSP的捕獲單元實(shí)現(xiàn)的柴油發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速數(shù)字控制器的轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)，其硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，測(cè)量精度較高。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，在機(jī)組轉(zhuǎn)速80～1500 r／min時(shí)，測(cè)量誤差均低于0．2％，完全滿(mǎn)足柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速測(cè)量和控制的要求，有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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