基于TMS320F2812 DSP捕獲單元的柴油發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)

1 引言
    應(yīng)用于高層建筑、銀行、機(jī)場和油田等場合的柴油發(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，滿足應(yīng)用要求。其頻率控制一般是通過轉(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)字控制器的測速功能系統(tǒng)設(shè)計．該設(shè)計方案是進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速數(shù)字控制的基礎(chǔ)。

2 轉(zhuǎn)速測量原理
    在測量和控制柴油發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速時，需用轉(zhuǎn)速傳感器檢測機(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)線圈．并將傳感器安裝于柴油機(jī)飛輪附近．與柴油機(jī)的測速飛輪構(gòu)成一個磁回路。當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)動時．由于飛輪帶有齒槽，就會使回路磁阻發(fā)生變化，從而在轉(zhuǎn)速傳感器的線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，即轉(zhuǎn)速電壓信號，轉(zhuǎn)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(jī)飛輪齒數(shù)，n機(jī)組轉(zhuǎn)速。
    將傳感器輸出信號調(diào)理后變成速度頻率的數(shù)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(nèi)，對標(biāo)準(zhǔn)時鐘f0的周期數(shù)計數(shù)，若得到的周期數(shù)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(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速為：

    n=60f0/ZK    (3)
    通過DSP程序按(3)式即可計算機(jī)組轉(zhuǎn)速。

3 轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設(shè)計
3．1 硬件電路設(shè)計
    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)上述測量原理，給出以TMS320F2812 DSP為核心的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的硬件設(shè)計，如圖2所示。

    磁電式轉(zhuǎn)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(jù)柴油機(jī)在額定轉(zhuǎn)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(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，要送入DSP需將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，因此采用VQ開關(guān)狀態(tài)，經(jīng)VQ轉(zhuǎn)換后其集電極輸出信號需由反相施密特觸發(fā)器變換后(即經(jīng)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(fā)生的指定變化時，捕獲單元將捕捉所選用計數(shù)器的計數(shù)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(fā)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(shù)值后．相應(yīng)的中斷標(biāo)志位置1，如果沒有屏蔽中斷，則產(chǎn)生外圍設(shè)備中斷請求。響應(yīng)中斷，通過中斷服務(wù)程序讀取一對捕捉的數(shù)值。該捕捉值正好是被測信號一個周期的兩次計數(shù)。根據(jù)這兩次捕獲值，計算標(biāo)準(zhǔn)時鐘的周期數(shù)K，進(jìn)而得出被測轉(zhuǎn)速。
3．2 軟件程序設(shè)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(zhǔn)，T1工作在連續(xù)遞增計數(shù)模式，并設(shè)定捕獲單元捕獲被測信號的上升沿。捕獲前要清中斷標(biāo)志位，開捕獲中斷。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，保護(hù)現(xiàn)場首先清CAPl中斷標(biāo)志位，從二級深度FIF0中依次讀取兩次捕獲的計數(shù)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(nèi)記的標(biāo)準(zhǔn)時鐘的周期數(shù)K。若capK2<capKl，則說明在計數(shù)過程中有計數(shù)溢出，即計數(shù)到周期寄存器T1PR內(nèi)寫入的OxFFFF后回零重新計數(shù)，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(shù)，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(jié)語
    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)速測量系統(tǒng)，其硬件設(shè)計簡單，測量精度較高。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，在機(jī)組轉(zhuǎn)速80～1500 r／min時，測量誤差均低于0．2％，完全滿足柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速測量和控制的要求，有較高的實(shí)際應(yīng)用價值。