基于DSP捕獲單元的柴油發電機組的轉速測量系統

1 引言

　　應用于高層建筑、銀行、機場和油田等場合的柴油發電機組，必須采用相應方法控制其供電電壓和頻率，以確保在機組運行中具有良好的電氣性能，滿足應用要求。其頻率控制一般是通過轉速控制實現，目前應用較多的為模擬式轉速調節器。由于模擬式調節器不易實現復雜控制規律、結構復雜。故采用數字式控制器。數字式控制器具有算法靈活．可實現復雜控制規律、抗干擾能力強等特點，是實現柴油發電機組轉速的高精度調節的理想選擇。因此，這里提出了一種以TMS320F2812 DSP為核心的轉速數字控制器的測速功能系統設計．該設計方案是進一步實現轉速數字控制的基礎。

2 轉速測量原理

　　在測量和控制柴油發電機組轉速時，需用轉速傳感器檢測機組轉速．柴油發電機組經常使用磁電式轉速傳感器(圖1)，該轉換傳感器是在永久磁鐵上安裝一感應線圈．并將傳感器安裝于柴油機飛輪附近．與柴油機的測速飛輪構成一個磁回路。當柴油發電機組轉動時．由于飛輪帶有齒槽，就會使回路磁阻發生變化，從而在轉速傳感器的線圈中產生感應電勢，即轉速電壓信號，轉速傳感器線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為柴油機飛輪齒數，n機組轉速。

　　將傳感器輸出信號調理后變成速度頻率的數字信號輸入TMS320F2812 DSP的捕獲單元，捕獲被測信號電平的跳變沿(比如上升沿)，從而可在被測信號的一個周期內，對標準時鐘f0的周期數計數，若得到的周期數為K，則顯然被測信號的周期(T)可表示為：

　　T=K/f0 (2)
　　

　　于是，由(1)式和(2)式可得柴油發電機組的轉速為：

　　n=60f0/ZK (3)

　　通過DSP程序按(3)式即可計算機組轉速。


3 轉速測量系統設計

3．1 硬件電路設計

　　若飛輪齒數Z為159，柴油機額定轉速為1 500 r／min，根據上述測量原理，給出以TMS320F2812 DSP為核心的轉速測量系統的硬件設計，如圖2所示。

　　磁電式轉速傳感器的輸出信號首先由R1和C組成的濾波電路濾波，其截止頻率fc根據柴油機在額定轉速時傳感器輸出信號的頻率確定，而因fc=l／(2πR1C)，從而確定R1和C，可見這兩者的取值與柴油機轉速和飛輪齒數有關。需要注意的是這兩者取值應按實際設備參數確定。傳感器輸出模擬信號，要送入DSP需將其轉換為數字信號，因此采用VQ開關狀態，經VQ轉換后其集電極輸出信號需由反相施密特觸發器變換后(即經過信號整形后)再送入DSPTMS320F2812的捕獲單元CAPl。該捕捉單元有一個專用的2級深度FIF0堆棧．頂層堆棧由CAPI FIF0組成，底層由CAPlFBOT組成。測速分兩次捕捉．第一次捕捉到引腳發生的指定變化時，捕獲單元將捕捉所選用計數器的計數值并把該值寫入FIF0堆棧的頂層寄存器．如果在第一次捕捉的值讀取之前發生第二次捕捉．新的捕捉值會被送入底層寄存器。捕獲單元捕捉到數值后．相應的中斷標志位置1，如果沒有屏蔽中斷，則產生外圍設備中斷請求。響應中斷，通過中斷服務程序讀取一對捕捉的數值。該捕捉值正好是被測信號一個周期的兩次計數。根據這兩次捕獲值，計算標準時鐘的周期數K，進而得出被測轉速。

3．2 軟件程序設計

　　由于采用DSP的事件管理器EVA的捕獲單元CAPl，并選其定時器T1作為CAPl的時間基準，T1工作在連續遞增計數模式，并設定捕獲單元捕獲被測信號的上升沿。捕獲前要清中斷標志位，開捕獲中斷。相應初始化事件管理器EVA的程序代碼為：

　　進入捕獲中斷子程序時，保護現場首先清CAPl中斷標志位，從二級深度FIF0中依次讀取兩次捕獲的計數值capKl和capK2。如果capK2>capKl，則capK2一capKl即為在被測信號的一個周期內記的標準時鐘的周期數K。若capK2capKl，則說明在計數過程中有計數溢出，即計數到周期寄存器T1PR內寫入的OxFFFF后回零重新計數，因此K=capK2一capKl+0xFFFF。這里時基T1的頻率為主頻時鐘除以分頻系數，即f0=150 MHz／32，因此所測速度為n=60f0/(ZK)=1768 867．925／K。下面為捕獲中斷子程序代碼：

4 結語

　　基于磁電式轉速傳感器和TMS320F2812 DSP的捕獲單元實現的柴油發電機組轉速數字控制器的轉速測量系統，其硬件設計簡單，測量精度較高。經實驗測試，在機組轉速80～1500 r／min時，測量誤差均低于0．2％，完全滿足柴油機發電機組轉速測量和控制的要求，有較高的實際應用價值。