基于ARM+DSP的船舶電力推進(jìn)動(dòng)態(tài)負(fù)荷仿真系統(tǒng)研究

1、基于ARM+DSP的船舶電力推進(jìn)動(dòng)態(tài)負(fù)荷仿真系統(tǒng)研究1陳巨濤,鄭華耀上海海事大學(xué),上海,200135摘要:本文整體介紹了用系統(tǒng)仿真的方法構(gòu)建的船舶電力推進(jìn)動(dòng)態(tài)負(fù)荷仿真系統(tǒng),并針對(duì)該系統(tǒng)的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了ARM+DSP嵌入式系統(tǒng)仿真平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)控制和實(shí)時(shí)計(jì)算都要求很高的關(guān)鍵部分。文章解釋了選取使用ARM+DSP嵌入式系統(tǒng)的理由,詳細(xì)描述了系統(tǒng)的硬件和軟件系統(tǒng)的層次及各自結(jié)構(gòu),并詳細(xì)討論了具體系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中所遇到的特殊問(wèn)題及相應(yīng)的解決方法。最后,給出了由該仿真系統(tǒng)所做的仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。關(guān)鍵詞:船舶電力推進(jìn),實(shí)時(shí)仿真,嵌入式系統(tǒng),ARM+DSPStudy of Marine Electric Pro

2、pulsion Dynamic Load Simulation System Based on ARM+DSPChen Jutao,Zheng HuayaoShanghai Maritime University,Shanghai,200135Abstract: This paper generally introduces the Marine Electric Propulsion Dynamic Load Simulation System built with system simulation, and according to the characteristic of the s

3、ystem, ARM+DSP embedded system simulation platform is designed to implement the critical part, which is required real-time control and real-time computing. Reason for selecting and using ARM+DSP embedded system is explained, system architecture and hardware and software structure are described, and

4、some specific problems in practical implementation and the corresponding solutions are also discussed in detail. Finally some simulation experiment results produced by the simulation system are also shown in the paper.Keywords:Marine Electric Propulsion, Real-Time Simulation, Embedded System, ARM+DS

5、P1.緒論在電力電子技術(shù)和大容量變頻技術(shù)迅速發(fā)展的背景下,船舶電力推進(jìn)已從軍艦、特種型船舶,推廣到商船,應(yīng)用范圍日益廣泛。船舶電力推進(jìn)因其經(jīng)濟(jì)、靈活、可靠和環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),而具有很大的市場(chǎng)潛力,被預(yù)測(cè)為民用船舶裝備的發(fā)展主流1, 2。通過(guò)系統(tǒng)仿真的方式來(lái)研究船舶電力推進(jìn)技術(shù),從可行性和效率方面是一個(gè)很好的技術(shù)路線。仿真研究的結(jié)果可以為設(shè)計(jì)院、船東對(duì)電力推進(jìn)設(shè)備的設(shè)計(jì)、研發(fā)、選型等提供參考。實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)的前提是通過(guò)系統(tǒng)仿真的方法構(gòu)建一個(gè)能真實(shí)反映船舶螺旋槳負(fù)荷特性的船舶電力推進(jìn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)負(fù)荷仿真系統(tǒng)。2.船舶電力推進(jìn)動(dòng)態(tài)負(fù)荷仿真系統(tǒng)的構(gòu)成船舶電力推進(jìn)動(dòng)態(tài)負(fù)荷仿真系統(tǒng)采用半實(shí)物在環(huán)的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng),其中既有

6、軟件仿真部分,又有真實(shí)的物理部分,是一個(gè)集實(shí)時(shí)控制和高速運(yùn)算功能于一體的虛實(shí)結(jié)合的典型系統(tǒng)。1本文得到教育部博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)基金“船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)負(fù)荷仿真研究”(20040254002的支持。 電力推進(jìn)動(dòng)態(tài)負(fù)荷仿真系統(tǒng)是由兩大部分構(gòu)成的:推進(jìn)電機(jī)子系統(tǒng)和螺旋槳負(fù)荷仿真電機(jī)子系統(tǒng)。其中,推進(jìn)電機(jī)子系統(tǒng)由一臺(tái)三相690V ,15Hz ,11kw 的永磁同步電機(jī)和對(duì)該永磁同步電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制的變頻器直接連接而構(gòu)成;螺旋槳負(fù)荷仿真電機(jī)子系統(tǒng)由一臺(tái)與推進(jìn)電機(jī)同軸相連的三相380V ,15Hz ,15kw 的異步感應(yīng)電機(jī),控制該電機(jī)的變頻器,轉(zhuǎn)速傳感器,轉(zhuǎn)矩傳感器以及運(yùn)行螺旋槳負(fù)荷動(dòng)態(tài)模型的仿真計(jì)算機(jī)構(gòu)

7、成。推進(jìn)電機(jī)子系統(tǒng)仿真真實(shí)的船舶電力推進(jìn)主電動(dòng)機(jī),而螺旋槳負(fù)荷仿真子系統(tǒng),從兩同軸電機(jī)軸上的光電編碼盤(pán)得到轉(zhuǎn)速信號(hào),再根據(jù)船舶模型的參數(shù),經(jīng)過(guò)螺旋槳?jiǎng)討B(tài)負(fù)荷仿真平臺(tái)的實(shí)時(shí)仿真運(yùn)算得到一個(gè)與真實(shí)的螺旋槳負(fù)荷相同的負(fù)載轉(zhuǎn)矩,通過(guò)4-20mA 電流信號(hào)輸出給變頻器,變頻器控制負(fù)荷仿真電機(jī)提供推進(jìn)電機(jī)相應(yīng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩,使得推進(jìn)電機(jī)如同帶動(dòng)水中的螺旋槳運(yùn)行一樣,從而陸地上進(jìn)行電力推進(jìn)仿真實(shí)驗(yàn)。另外,系統(tǒng)中還設(shè)有一臺(tái)PC 機(jī)作為操作、監(jiān)視和數(shù)據(jù)顯示的終端,一方面它通過(guò)CAN 總線從螺旋槳負(fù)荷仿真子系統(tǒng)獲得仿真過(guò)程中的仿真數(shù)據(jù),進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯示;另一方面又通過(guò)接口卡,對(duì)推進(jìn)電機(jī)子系統(tǒng)的變頻器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制,操

8、縱推進(jìn)電機(jī),完成仿真系統(tǒng)的監(jiān)控。電力推進(jìn)動(dòng)態(tài)負(fù)荷仿真系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1 船舶電力推進(jìn)動(dòng)態(tài)負(fù)荷仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 3.用ARM+DSP 嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)螺旋槳負(fù)荷仿真3.1 螺旋槳?jiǎng)討B(tài)負(fù)荷特性及船-槳數(shù)學(xué)模型螺旋槳的推力特性和扭矩特性是螺旋槳負(fù)荷特性中最重要的兩個(gè)特性,也是建立螺旋槳負(fù)荷模型所要使用的數(shù)據(jù)3。研究螺旋槳時(shí),螺旋槳的進(jìn)速比是一個(gè)十分重要的變量,它定義為p pnD V J = (1其中,V p 為當(dāng)前螺旋槳相對(duì)于水流的速度,n 為螺旋槳轉(zhuǎn)速,D p 為螺旋槳直徑。J 的范圍為(-,+,但對(duì)實(shí)際仿真來(lái)講,一個(gè)自變量變換范圍很大的函數(shù)不論對(duì)模擬仿真還是數(shù)字仿真都是比較麻煩的。為了表

9、達(dá)螺旋槳全工況下的動(dòng)態(tài)特性,通常用有界變量來(lái)描述其數(shù)學(xué)模型,因此又定義了相對(duì)進(jìn)速比J <=<+>+>=+=0且010*以相對(duì)進(jìn)速比J 來(lái)描述螺旋槳的推力特性和扭矩特性如下222J V D K T pp p p = (3223J V D K M pp M p = (4其中,為相對(duì)推力系數(shù),p K M K 為相對(duì)扭矩系數(shù),為海水密度,V p 為螺旋槳相對(duì)于水流的速度,D p 為螺旋槳直徑。p K 和需要利用描繪所有工況下M K p K ,M K 與J 的對(duì)應(yīng)關(guān)系的螺旋槳圖譜來(lái)獲得。在該螺旋槳圖譜中,當(dāng)螺旋槳類(lèi)型和螺距比確定后,通過(guò)J 就可以從圖譜中得到相應(yīng)的兩個(gè)系數(shù),進(jìn)而得

10、出T p 和M p 的值。以上討論的是螺旋槳的敞水特性,但當(dāng)螺旋槳置于船體后面工作時(shí),船和槳會(huì)相互影響根據(jù)船對(duì)槳的影響,引入了伴流系數(shù);根據(jù)槳對(duì)船的影響,引入了推力減額系數(shù)t 。船舶在水中向前航行時(shí),會(huì)有摩擦伴流、位差伴流和波浪伴流三種伴流對(duì)螺旋槳產(chǎn)生影響。由于伴流,流過(guò)螺旋槳的水流速度V p 并不等于船的航行速度V S ,而是要小于V S ,即V p =V S (1- (5其中,為伴流系數(shù)。同時(shí),槳的吸水作用使得船尾的水流速度比無(wú)槳時(shí)要大,從而導(dǎo)致船尾壓力重新分布,船體增加了的額外的阻力。螺旋槳產(chǎn)生的推力T p 要提供一部分作為克服該額外阻力的力,這樣實(shí)際用于推進(jìn)船舶的有效推力P e 就比T

11、 p 要小?？杀硎緸镻 e =T p (1-t (6其中,t 推力減額系數(shù)。t 和都會(huì)隨著航行狀態(tài)的變化而變化,實(shí)際應(yīng)用時(shí)一般采用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)得這兩個(gè)參數(shù)。 另外,根據(jù)流體力學(xué)知識(shí)和牛頓運(yùn)動(dòng)定律,可以建立船槳系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程為: 221S f AV C R = (7 dtdV kM R P S S f e = (8 圖2 式中,M S 為船體質(zhì)量,V S 為船舶當(dāng)前航速,R f 為船舶所受阻力,為海水密度,為附水系數(shù)。式(2(8即船槳數(shù)學(xué)模型,以圖形結(jié)構(gòu)表示如圖2所示。k 3.2 設(shè)計(jì)ARM+DSP 嵌入式系統(tǒng)仿真平臺(tái)的理由仿真螺旋槳特性的負(fù)荷仿真子系統(tǒng)是整個(gè)電力推進(jìn)動(dòng)態(tài)負(fù)荷仿真系統(tǒng)的最關(guān)鍵的部分

12、,它擔(dān)負(fù)真實(shí)地模擬仿真母型船在不同工況、海況和船況下螺旋槳的特性,實(shí)時(shí)地把螺旋槳負(fù)載轉(zhuǎn)矩加載至推進(jìn)電機(jī)的輸出軸上,使得推進(jìn)電機(jī)能帶動(dòng)仿真的螺旋槳運(yùn)行。由上可見(jiàn),螺旋槳?jiǎng)討B(tài)負(fù)荷特性是十分復(fù)雜的,涉及到大量的計(jì)算,并且系統(tǒng)又是半實(shí)物在環(huán)的,涉及到處理器與實(shí)際信號(hào)的接口。從圖2可以看出,模型需要的輸入量為螺旋槳的轉(zhuǎn)速,在該仿真系統(tǒng)中即兩臺(tái)同軸電機(jī)的公共轉(zhuǎn)速,而模型需要把仿真計(jì)算得到的實(shí)時(shí)螺旋槳負(fù)荷信號(hào)輸出給執(zhí)行設(shè)備(變頻器來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)荷仿真電機(jī)在軸上提供所需的轉(zhuǎn)矩。要實(shí)現(xiàn)如此模型的實(shí)時(shí)仿真,選取一個(gè)合適的仿真平臺(tái)是十分基礎(chǔ)和重要的。在各種處理器中,基于ARM 核的32位RISC 微控制器被公認(rèn)為當(dāng)今世界

13、先進(jìn)的微控制器,它在輸入/輸出端口管理和操作方面的功能非常完善4;而數(shù)字信號(hào)處理器(DSP 在數(shù)字運(yùn)算和數(shù)字信號(hào)處理方面的能力十分強(qiáng)大。但ARM 在數(shù)字運(yùn)算功能上不如DSP ,而DSP 在輸入/輸出控制能力上也不如ARM 。因此,為同時(shí)滿足仿真螺旋槳特性的負(fù)載子系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制和實(shí)時(shí)運(yùn)算的要求,需要采用ARM+DSP 的結(jié)構(gòu)組合,來(lái)充分發(fā)揮兩種處理器的優(yōu)勢(shì),同時(shí)彌補(bǔ)各自的不足之處,以獲得更加高的性能,來(lái)實(shí)時(shí)運(yùn)行螺旋槳?jiǎng)討B(tài)負(fù)荷的數(shù)學(xué)模型,實(shí)時(shí)的從外部采集實(shí)際信號(hào)和輸出控制信號(hào)到外部設(shè)備,從而實(shí)現(xiàn)高速實(shí)時(shí)的半實(shí)物在環(huán)的仿真系統(tǒng)。針對(duì)實(shí)時(shí)半實(shí)物在環(huán)的仿真的應(yīng)用,自行設(shè)計(jì)了ARM+DSP 嵌入式系統(tǒng)仿真平

14、臺(tái)來(lái)構(gòu)成螺旋槳負(fù)荷仿真子系統(tǒng)的核心部分,該仿真平臺(tái)現(xiàn)已獲得發(fā)明專(zhuān)利。3.3 ARM+DSP 嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)螺旋槳?jiǎng)討B(tài)負(fù)荷仿真模型的仿真平臺(tái)是以ARM+DSP 雙核處理器作為核心的。從簡(jiǎn)單、可靠和雙核易于聯(lián)調(diào)的角度考慮,實(shí)際上使用的是TI 的集成ARM7和C54x DSP 的雙核處理器芯片TMS320VC5470。ARM 側(cè)連接接收轉(zhuǎn)速編碼盤(pán)脈沖信號(hào)的光耦輸入電路。使用光耦是因?yàn)橐环矫嬗捎诠怆娋幋a盤(pán)的輸出脈沖邏輯電平較仿真平臺(tái)邏輯電平要高,這樣可實(shí)現(xiàn)電平匹配;另一方面實(shí)現(xiàn)兩種信號(hào)的隔離,防止互相干擾。ARM 側(cè)還連接著DA 轉(zhuǎn)換器,用以把仿真得出的螺旋槳轉(zhuǎn)矩值轉(zhuǎn)化為4-20mA

15、的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)輸出給變頻器,變頻器以此為參考信號(hào)驅(qū)動(dòng)負(fù)載電機(jī)在軸上提供相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩。另外,仿真平臺(tái)還配有CAN 收發(fā)器,這也連接在ARM 側(cè),用以將仿真數(shù)據(jù)通過(guò)CAN 總線傳遞給上位機(jī),顯示仿真結(jié)果。仿真平臺(tái)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。在軟件方面,實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)運(yùn)行在主處理器核ARM 上面,采用著名的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)µC/OS-II ,負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的管理。C/OS-II 實(shí)際上只是一個(gè)操作系統(tǒng)內(nèi)核5,它本身只是運(yùn)行于ARM 的CPU 上的程序,要完成操作系統(tǒng)對(duì)外圍設(shè)備的管理和驅(qū)動(dòng),必須要把相應(yīng)的外圍設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序與操作系統(tǒng)內(nèi)核連接起來(lái),讓C/OS- II 能管理和控制外圍設(shè)備。要達(dá)到這個(gè)目的

16、就要在圖3 ARM+DSP 仿真平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu) C/OS-II 和外圍硬件設(shè)備之間加入一層硬件抽象層,即驅(qū)動(dòng)程序?qū)?如圖4所示。由于C/OS-II 并沒(méi)有給出驅(qū)動(dòng)程序的任何規(guī)定,要自己按照實(shí)際情況設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)程序的結(jié)構(gòu)以及其與C/OS-II 的連接關(guān)系。本ARM+DSP 嵌入式仿真平臺(tái)采用了比較簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu),僅提供了一些操作外圍設(shè)備的函數(shù),這些函數(shù)由C/OS-II 直接調(diào)用即可,目的在于提高系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間,便于系統(tǒng)充分利用外圍設(shè)備,而且也減小了程序結(jié)構(gòu)的復(fù)雜。螺旋槳?jiǎng)討B(tài)模型的仿真由實(shí)時(shí)仿真應(yīng)用程序真正實(shí)現(xiàn),這部分程序運(yùn)行在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的上層,實(shí)際包括兩部分:ARM 側(cè)的仿真接口處理程序和DSP

17、 側(cè)的螺旋槳?jiǎng)討B(tài)仿真模型求解計(jì)算程序。其中,ARM 側(cè)的仿真接口處理程序主要實(shí)現(xiàn)從捕獲端口定時(shí)獲得計(jì)數(shù)脈沖來(lái)計(jì)算電機(jī)軸的轉(zhuǎn)速,然后把該轉(zhuǎn)速值作為輸入量傳遞給DSP 側(cè)的螺旋槳?jiǎng)討B(tài)仿真模型,經(jīng)過(guò)模型求解計(jì)算,再獲得其輸出量(包括螺旋槳阻力矩、螺旋槳推力、船速等實(shí)時(shí)變量,并把其中的螺旋槳阻力矩送至DA 轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)化為4-20mA 的電流信號(hào)至變頻器。另外,把模型的全部輸出量以CAN 總線協(xié)議進(jìn)行封裝,發(fā)送至上位機(jī)。在ARM 核的C/OS-II 操作系統(tǒng)運(yùn)行起來(lái)之后,其應(yīng)用程序都是在操作系統(tǒng)上層的,所以ARM 側(cè)的仿真接口處理程序是基于C/OS-II 環(huán)境的,均是以C/OS-II 任務(wù)的形式實(shí)現(xiàn),里

18、面的定時(shí)采樣也使用C/OS-II 的延時(shí)函數(shù)完成。 圖4 仿真平臺(tái)的硬軟件層次DSP 側(cè)螺旋槳?jiǎng)討B(tài)仿真模型求解計(jì)算程序,它是一個(gè)由單任務(wù)構(gòu)成的典型的前后臺(tái)程序。該程序從ARM 側(cè)得到輸入量,代入以數(shù)學(xué)方程描述的螺旋槳?jiǎng)討B(tài)仿真數(shù)學(xué)模型中求得模型的輸出量并將其傳回ARM 側(cè)。兩部分程序之間通過(guò)ARM 和DSP 兩核共享的雙訪問(wèn)RAM (DARAM 進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。雙訪問(wèn)RAM 配置為兩個(gè)通道,一個(gè)用于從ARM 向DSP 傳遞數(shù)據(jù),另一個(gè)用于從DSP 向ARM 傳遞數(shù)據(jù)。每個(gè)通道都組織成為先進(jìn)先出(FIFO 的隊(duì)列。3.4 螺旋槳?jiǎng)討B(tài)負(fù)荷模型實(shí)現(xiàn)中涉及的一些特殊問(wèn)題及解決方法螺旋槳?jiǎng)討B(tài)負(fù)荷模型中的推力系數(shù)p K 和扭矩系數(shù)M K 是由實(shí)際螺旋槳的敞水實(shí)驗(yàn)測(cè)得,用圖譜的形式給出的。在數(shù)學(xué)模型的仿真求解計(jì)算中,可以事先對(duì)圖譜進(jìn)行曲線擬合,得到和的解析表達(dá)式?？梢圆捎枚囗?xiàng)式最小二乘擬合、Chebyshev 多項(xiàng)式擬合等擬合方式,但從結(jié)果來(lái)看,無(wú)論哪種擬合方法,要達(dá)到整個(gè)范圍內(nèi)比較精確的擬合,擬合多項(xiàng)式的次數(shù)都是相當(dāng)高的