陸文超，蔣念平，谷文華

(上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

柴油發(fā)電機(jī)組是內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組的一種，由柴油機(jī)、三相交流同步發(fā)電機(jī)和控制系統(tǒng)等組成。由于傳統(tǒng)的柴油機(jī)控制系統(tǒng)都是分離式、半自動(dòng)和手動(dòng)的居多，其體積較大，性能指標(biāo)較低［1］。隨著科技的發(fā)展，對(duì)發(fā)電機(jī)組工作過(guò)程中各種動(dòng)態(tài)參數(shù)的控制精度要求越來(lái)越高，要求具備遠(yuǎn)距離遙控、遙測(cè)、遙信功能，并能實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、上報(bào)動(dòng)態(tài)參數(shù)等，依靠傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)已無(wú)法滿足 上 述 要 求［2－3］。 文 中 采 用 Microchip 公 司 的PIC24FJ64作為控制器的核心處理器，其成本低，可靠性高，自帶A/D和一些通訊接口。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的柴油機(jī)控制器能夠?qū)崟r(shí)采集多通道數(shù)據(jù)，所用測(cè)量方法測(cè)量精度較高，響應(yīng)速度較快，并通過(guò)串行總線與計(jì)算機(jī)通訊，實(shí)時(shí)顯示機(jī)組工作狀態(tài)，記錄各項(xiàng)報(bào)警參數(shù)，并通過(guò)短信告知用戶。

1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用16位的PIC24FJ64GA為主芯片，其帶有10位A/D、UART、SPI接口和CAN接口，完全可滿足設(shè)計(jì)要求，且有成本低，可靠性高的特點(diǎn)。圖1中，市電和發(fā)電機(jī)三相電參數(shù)通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路輸送1給主芯片的A/D口，發(fā)電機(jī)的油溫油壓等參數(shù)通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路2輸送給主芯片的A/D口，作為備用電源時(shí)，工作在自動(dòng)模式，此時(shí)監(jiān)測(cè)市電參數(shù)并且當(dāng)市電電壓出現(xiàn)異常時(shí)，進(jìn)行分閘操作，此時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)，等待啟動(dòng)完畢后，進(jìn)行合閘操作，給予供電，當(dāng)市電恢復(fù)時(shí)，合閘至市電電網(wǎng)，同時(shí)進(jìn)行柴油發(fā)電機(jī)的停機(jī)操作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)合分閘(ATS切換)。作為電源使用時(shí)，工作在手動(dòng)模式，手動(dòng)控制發(fā)電機(jī)啟動(dòng)。發(fā)電機(jī)啟動(dòng)后，將實(shí)時(shí)檢測(cè)發(fā)電機(jī)運(yùn)行的各項(xiàng)參數(shù)，同時(shí)通過(guò)SPI傳送至128×64液晶屏顯示，此外，該控制器還配有CAN和485接口，通過(guò)與PC機(jī)連接，可以通過(guò)上位機(jī)來(lái)設(shè)定控制器的參數(shù)，也可將控制器采集到的數(shù)據(jù)顯示在上位機(jī)上，GSM模塊可以將報(bào)警信息以SMS方式發(fā)送到用戶手機(jī)。

圖1 所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的框圖

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 三相電壓檢測(cè)信號(hào)調(diào)理電路

該電路的目的是將三相電壓轉(zhuǎn)換成處理器A/D可輸入的電壓范圍，該信號(hào)調(diào)理電路運(yùn)用運(yùn)放電路中的差動(dòng)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，圖2為實(shí)現(xiàn)L1－N的線電壓轉(zhuǎn)換，由于PIC24FJ64GA的A/D電壓范圍為0～3.3 V，且交流電的負(fù)電壓不能被A/D所采樣，以往的設(shè)計(jì)往往是使用專用的A/D芯片轉(zhuǎn)換負(fù)電壓，這樣就增加了成本。本文通過(guò)在同相輸入端增加了1.6 V的偏壓信號(hào)，使得正弦波幅值上移，這樣可以正向電壓則在1.6～3.3 V之間，而反向電壓在0～1.6 V之間，0位為1.6 V，在0～3.3 V能采集到完整的正弦波，這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于，前置電路處理簡(jiǎn)單，成本極大的降低了，并使得CPU處理交流電壓變得方便。設(shè)計(jì)測(cè)量電壓的量程為0～450 V，取比例系數(shù)為K=RF/R4=0.002，使得輸出電壓范圍在0.7～2.5 V之間，由于現(xiàn)場(chǎng)使用中發(fā)現(xiàn)交流電中存在較大的干擾信號(hào)。

(1)當(dāng)閘門關(guān)閉時(shí)，零線上存在極大的擾動(dòng)電壓，這是由于電網(wǎng)中其他用電設(shè)備在交流回路上會(huì)產(chǎn)生電壓。

(2)輸出電壓波形上疊加有高頻干擾信號(hào)。因此本電路在偏壓端，也就是同相輸入端加入C1用于濾除零線上的干擾信號(hào)，輸出端加入C2濾去高頻信號(hào)。

同理測(cè)得另外兩相電壓L2－N，L3－N的線電壓，再通過(guò)計(jì)算公示可得出 L1－L2，L2－L3，L3－L1的相電壓。

圖2 單相電壓測(cè)量電路

令

零線輸入在運(yùn)放同相端

則上式可化為

則其交接頻率

換算成增益帶寬

根據(jù)增益帶寬0.071 Hz，當(dāng)零線上有任何交流信號(hào)都將無(wú)法通過(guò)。對(duì)于運(yùn)算放大器輸入與輸出之間的關(guān)系有

在運(yùn)放的輸出端加入低通濾波，目的是為了抑制高頻噪聲對(duì)信號(hào)產(chǎn)生的干擾，其帶寬

得出交接頻率

3 dB帶寬fc=1.32 kHz，該帶寬可以通過(guò)50 Hz交流電，而對(duì)頻率高于1.32 kHz的信號(hào)有抑制作用，該電路設(shè)計(jì)的信號(hào)效果如圖3所示。

圖3 濾波前后效果比較

2.2 三相電壓頻率信號(hào)調(diào)理電路

該電路的目的是將交流電的正弦波信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)計(jì)數(shù)器口所能識(shí)別的方波信號(hào)，并能抑制高頻干擾，使測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確?；驹O(shè)計(jì)思路是通過(guò)一個(gè)有限增益反饋型二階低通濾波器和一個(gè)雙限比較器來(lái)實(shí)現(xiàn)，具體實(shí)施電路如圖4所示。

圖4 頻率測(cè)量電路

第一個(gè)運(yùn)算放大器環(huán)節(jié)為有限增益反饋型二階低通濾波器，其輸入與輸出的傳遞函數(shù)如下

根據(jù)二階濾波公式計(jì)算出3 dB 帶寬

其中增益

二階濾波阻尼系數(shù)

通過(guò)分析計(jì)算可知，帶寬為212.31 Hz，幅頻特性無(wú)諧振，無(wú)超調(diào)量，滿足設(shè)計(jì)性能指標(biāo)［4］。

2.3 通訊接口電路

2.3.1 RS－485通訊接口

由于PC機(jī)的串行通訊總線是RS－232電平，因此要使RS－485總線可與PC機(jī)通訊，則需將RS－485轉(zhuǎn)成RS－232，利用Modbus協(xié)議與上位機(jī)通訊，RS－485接口采用RSM3485芯片接受上位機(jī)可通過(guò)該口接受控制器監(jiān)測(cè)到的參數(shù)，也可通過(guò)該口設(shè)置一些控制參數(shù)［5－7］。采用 RS－485，其電平格式為差分的形式，能抑制共模干擾，因此其通訊距離比RS－232要長(zhǎng)得多。對(duì)于有監(jiān)控要求的用戶，可使得監(jiān)控室設(shè)置在離機(jī)房較遠(yuǎn)的地方。

圖5 RS－485通訊電路

2.3.2 CAN通訊接口

CTM1050T是5 V的高速隔離CAN收發(fā)器。在設(shè)計(jì)中，采用屏蔽線方式通訊，這樣可抑制電磁干擾，屏蔽層接致CANSCR引腳，其中R9和C12為耐高壓電阻電容，該電路設(shè)計(jì)特點(diǎn)是能抑制電磁干擾，防止總線過(guò)壓引起的電路燒毀［5，8］。

圖6 CAN總線接口電路

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 電壓參數(shù)檢測(cè)軟件設(shè)計(jì)

市電/發(fā)電的電壓信號(hào)，通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路，轉(zhuǎn)換為0～3.3 V之間的低壓信號(hào)輸入到PIC24FJ64GA的A/D口，根據(jù)正弦波頻率50 Hz，設(shè)定采樣轉(zhuǎn)換周期為2 kHz，設(shè)計(jì)采用每個(gè)轉(zhuǎn)換周期轉(zhuǎn)換8次數(shù)據(jù)，一個(gè)正弦波周期采樣40個(gè)數(shù)據(jù)，對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，轉(zhuǎn)換得到最終結(jié)果［9］。

第k次采集到的A/D的值，buf0～buf7為存放A/D讀數(shù)的緩存區(qū)，為抑制瞬態(tài)干擾，對(duì)buff中的數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，排序后采用中位值取平均。

根據(jù)A/D參考電壓為3.3 V，10位A/D，每個(gè)A/D讀數(shù)表示3.225 mV，上述信號(hào)調(diào)理電路放大倍數(shù)為0.002，也就是2 mV表示1 V。計(jì)算每個(gè)A/D讀書(shū)表示電壓的值

根據(jù)信號(hào)調(diào)理電路，加1.6 V的偏壓，0位為1.6 V，A/D讀數(shù)為512，將讀數(shù)轉(zhuǎn)換為電壓值

將一個(gè)正弦波周期采集到的值求均方根，得到T時(shí)刻一個(gè)正弦波周期的有效值

在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)若只采集1個(gè)正弦波算出有效值并直接顯示，則顯示的有效值會(huì)不穩(wěn)定，并呈周期性跳變，因此采用一階滯后濾波算法。

式中，Uf(T)為T時(shí)刻濾波后輸出的電壓值;U(T)為T時(shí)刻的采樣值;a為一階濾波系數(shù)。當(dāng)a越大時(shí)，數(shù)據(jù)越平滑，響應(yīng)速度越慢;當(dāng)a越小時(shí)，響應(yīng)越快，但穩(wěn)態(tài)時(shí)數(shù)據(jù)變化大。為克服這一缺點(diǎn)，使a的變化具有誤差帶開(kāi)關(guān)，當(dāng)其進(jìn)入誤差帶時(shí)，a較大，而當(dāng)U(T)變化較大時(shí)，a較小，其實(shí)現(xiàn)方法為

電壓檢測(cè)軟件流程如圖7所示。

圖7 檢測(cè)程序流程圖

3.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

柴油發(fā)電機(jī)控制器是一個(gè)典型的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，在運(yùn)行中要保證采樣、計(jì)算、保護(hù)、控制、通信等任務(wù)。終端控制軟件是在硬件平臺(tái)PIC24FJ64GA和開(kāi)發(fā)環(huán)境MPLAB中采用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)、采用模塊化程序設(shè)計(jì)，便于功能擴(kuò)展。整個(gè)程序包括的子模塊有:系統(tǒng)各I/O端口的初始化、按鍵控制模塊、參數(shù)采集模塊、邏輯判斷模串行通信模塊等。

該控制系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)市電電壓，當(dāng)電壓欠壓時(shí)進(jìn)行市電供電分閘操作，并同時(shí)給出啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)命令，當(dāng)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一切正常后，進(jìn)行發(fā)電機(jī)供電合閘操作，若發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，油溫、油壓、溫度、水溫等參數(shù)出現(xiàn)問(wèn)題，則進(jìn)入報(bào)警停機(jī)狀態(tài)，并將報(bào)警信息傳輸給用戶。在發(fā)電機(jī)供電運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，市電供電恢復(fù)，則控制器進(jìn)行發(fā)電機(jī)供電分閘和市電合閘，并控制發(fā)電機(jī)停機(jī)操作［10］，具體的軟件流程圖如圖8所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

圖8 控制軟件流程圖

本文通過(guò)對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組的研究，設(shè)計(jì)了基于柴油發(fā)電機(jī)組的控制器，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)測(cè)，完成了硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，本文設(shè)計(jì)的信號(hào)處理電路及數(shù)字濾波辦法，可以有效地提高測(cè)量精度和響應(yīng)時(shí)間，對(duì)于大負(fù)載導(dǎo)致的發(fā)電機(jī)電壓變化可快速地響應(yīng)顯示。設(shè)計(jì)的濾波電路能有效抑制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的紋波干擾而產(chǎn)生的電壓跳變，此外，其能實(shí)現(xiàn)ATS功能，可用于樓宇備用電源，其和上位機(jī)通訊可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)控制器級(jí)聯(lián)監(jiān)控，對(duì)市電所不能到達(dá)的工業(yè)生產(chǎn)、野外作業(yè)以及樓宇備用電源控制有著重要意義。

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