基于数字信号处理器实现发电机测速功能系统的设计

作者：闫宏亮 , 闫苏利

1 引言

应用于高层建筑、银行、机场和油田等场合的柴油发电机组，必须采用相应方法控制其供电电压和频率，以确保在机组运行中具有良好的电气性能，满足应用要求。其频率控制一般是通过转速控制实现，目前应用较多的为模拟式转速调节器。由于模拟式调节器不易实现复杂控制规律、结构复杂。故采用数字式控制器。数字式控制器具有算法灵活．可实现复杂控制规律、抗干扰能力强等特点，是实现柴油发电机组转速的高精度调节的理想选择。因此，这里提出了一种以TMS320F2812 DSP为核心的转速数字控制器的测速功能系统设计．该设计方案是进一步实现转速数字控制的基础。

2 转速测量原理

在测量和控制柴油发电机组转速时，需用转速传感器检测机组转速．柴油发电机组经常使用磁电式转速传感器（图1），该转换传感器是在永久磁铁上安装一感应线圈．并将传感器安装于柴油机飞轮附近．与柴油机的测速飞轮构成一个磁回路。当柴油发电机组转动时．由于飞轮带有齿槽，就会使回路磁阻发生变化，从而在转速传感器的线圈中产生感应电势，即转速电压信号，转速传感器线圈输出的平均电压值为0．5~6 V，其频率为：

f=Zn/60 （1）

式中：Z为柴油机飞轮齿数，n机组转速。

将传感器输出信号调理后变成速度频率的数字信号输入TMS320F2812 DSP的捕获单元，捕获被测信号电平的跳变沿（比如上升沿），从而可在被测信号的一个周期内，对标准时钟f0的周期数计数，若得到的周期数为K，则显然被测信号的周期（T）可表示为：

T=K/f0 （2）

于是，由（1）式和（2）式可得柴油发电机组的转速为：

n=60f0/ZK （3）

通过DSP程序按（3）式即可计算机组转速。

3 转速测量系统设计

3．1 硬件电路设计

若飞轮齿数Z为159，柴油机额定转速为1 500 r／min，根据上述测量原理，给出以TMS320F2812 DSP为核心的转速测量系统的硬件设计，如图2所示。

磁电式转速传感器的输出信号首先由R1和C组成的滤波电路滤波，其截止频率fc根据柴油机在额定转速时传感器输出信号的频率确定，而因fc=l／（2πR1C），从而确定R1和C，可见这两者的取值与柴油机转速和飞轮齿数有关。需要注意的是这两者取值应按实际设备参数确定。传感器输出模拟信号，要送入DSP需将其转换为数字信号，因此采用VQ开关状态，经VQ转换后其集电极输出信号需由反相施密特触发器变换后（即经过信号整形后）再送入DSPTMS320F2812的捕获单元CAPl。该捕捉单元有一个专用的2级深度FIF0堆栈．顶层堆栈由CAPI FIF0组成，底层由CAPlFBOT组成。测速分两次捕捉．第一次捕捉到引脚发生的指定变化时，捕获单元将捕捉所选用计数器的计数值并把该值写入FIF0堆栈的顶层寄存器．如果在第一次捕捉的值读取之前发生第二次捕捉．新的捕捉值会被送入底层寄存器。捕获单元捕捉到数值后．相应的中断标志位置1，如果没有屏蔽中断，则产生外围设备中断请求。响应中断，通过中断服务程序读取一对捕捉的数值。该捕捉值正好是被测信号一个周期的两次计数。根据这两次捕获值，计算标准时钟的周期数K，进而得出被测转速。

3．2 软件程序设计

由于采用DSP的事件管理器EVA的捕获单元CAPl，并选其定时器T1作为CAPl的时间基准，T1工作在连续递增计数模式，并设定捕获单元捕获被测信号的上升沿。捕获前要清中断标志位，开捕获中断。相应初始化事件管理器EVA的程序代码为：

进入捕获中断子程序时，保护现场首先清CAPl中断标志位，从二级深度FIF0中依次读取两次捕获的计数值capKl和capK2。如果capK2》capKl，则capK2一capKl即为在被测信号的一个周期内记的标准时钟的周期数K。若capK2《capKl，则说明在计数过程中有计数溢出，即计数到周期寄存器T1PR内写入的OxFFFF后回零重新计数，因此K=capK2一capKl+0xFFFF。这里时基T1的频率为主频时钟除以分频系数，即f0=150 MHz／32，因此所测速度为n=60f0/（ZK）=1768 867．925／K。下面为捕获中断子程序代码：

4 结语

基于磁电式转速传感器和TMS320F2812 DSP的捕获单元实现的柴油发电机组转速数字控制器的转速测量系统，其硬件设计简单，测量精度较高。经实验测试，在机组转速80～1500 r／min时，测量误差均低于0．2％，完全满足柴油机发电机组转速测量和控制的要求，有较高的实际应用价值。