船舶电站新型数字同步表的设计

徐恭德，吴志良

(大连海事大学 轮机工程学院，辽宁省 大连 116026)

船舶电站新型数字同步表的设计

徐恭德，吴志良

(大连海事大学 轮机工程学院，辽宁省 大连 116026)

针对船舶电站准同步并车的要求以及特点，设计高精度新型数字同步表。以Proteus和Keil为实验平台，完成了相应的软件编程和外围硬件电路的设计，分析了主要技术环节的实现。仿真实验结果表明新型数字同步表的设计完全实现了针对待并发电机和电网电压的频差和相位差的检测与显示功能，且运行可靠，检测精度高，成本低。

船舶电站同步表相位检测频差单片机

0　引言

船舶电站由船舶发电机组和配电盘组成，是船舶电力系统的核心。为了满足船舶供电的可靠性和经济性，船舶电站通常设有三或四台同步发电机组作为主电源，规范亦要求至少设置两台船舶主发电机组。两台或两台以上的发电机同步并车过程中，通常由传统电磁式同步表承担对待并机和电网的频率及相位的检测，满足并车要求后主开关合闸，完成并车操作。

随着船舶电站自动化程度的不断提高和微机控制技术的飞速发展，传统的同步表在信息交互和精度方面已经不能满足船舶电站的并车要求，而逐步被新型数字同步表代替，因此新型高精度数字同步表的研究开发具有较高的实用价值。

新型数字同步表的设计采用89C51系列单片机作为核心控制器，可以大大降低成本。该型号单片机具有高度集成性，高可靠性，抗干扰能力强，能够满足处于机舱内工况条件恶劣的船舶电站要求。除此之外，该型号单片机控制能力强，运算速度快，I/O丰富，具有数据通信的能力，能够进行实时控制，满足船舶电站准同步并车操作的各项要求[1]。

1　新型数字同步表的工作原理

1.1同步并车要求

待并发电机投入电网运行之前，它的某些参数必须满足一定的要求才允许并车操作，否则可能会产生较大的冲击电流，严重时会造成整个船舶电力系统崩溃。

经理论和实践证明，准同步并车的三个限制条件为[2]：

1）待并发电机与电网的电压差应不得大于额定电压的10%；

2）待并发电机与电网的频率差应严格限制在±1%额定频率值以内；

3）待并发电机与电网电压的初相位差应限制在±15°以内。

1.2同步表的工作原理

由于船舶发电机调压器均能保证发电机的调压特性满足并车电压条件的要求，因此，应用同步表检测并车条件，实际上是保证频差和相位差在允许的限制条件内。同时，并车要求待并发电机频率大于电网频率即要求正频差条件并车，因此，频差方向的鉴别也是同步表应考虑的条件之一。

本设计思路是通过电压变换环节将待并发电机和电网电压信号采集后，分别进行数模转换，一路送给频差鉴别环节用于频差方向的判断，另一路直接进行差分处理后得到频差方波信号。单片机根据频差方波信号和频差方向鉴别信号运行程序来驱动指示灯旋转。同时根据频差的大小和频差的方向进行逻辑判断来鉴别合闸信号。数字同步表原理框图如图1所示。

图1　同步表原理框图

1.3电压信号的采集与处理

本文设计检测电压信号步骤如下：首先，将待并发电机侧与母排侧的电压分别经电压互感器降至100 V；然后将电压互感器的二次端再进行降压操作，将100 V电压降压到5 V；最后将同相同频率 5 V正弦弱电压送入到模数转化电路[3]。

1.4频率信号的采集与处理

频率信号的采集与处理是实现同步表准确测量待并机和电网频率的基础。本设计采用模数转化环节，将不易进行测量的正弦波信号转换成易于进行测量的方波信号[4],转换电路图2所示：

图2　模数转换电路图

电压信号将正弦波转换成方波，一是方便测量信号的周期，用于频差方向的检测，二是为信号差分做准备，在此之后将两路信号进行差分，用于频差相位的检测。

1.5相位信号的采集与处理

相位信号的采集与处理是实现自动准同步并车功能的难点和关键环节，亦是同步表设计的关键点。

本文采用放大器差分原理，将两路方波信号分别输入放大器的正相输入端和反向输入端，利用放大器的虚短和虚断原理，将两路信号差分后放大器饱和输出，得到频差相位的 PWM波[5]。PWM 波的信号脉宽是待并发电机和电网的两路方波信号直接差分所得，是一个动态的脉冲宽度由大约0 ms到10 ms变化的方波信号，不同的脉冲宽度代表不同的频差相位，单片机根据不同的脉冲宽度驱动相应的LED点亮。

如果待并发电机频率ff大于电网频率fw，在一个频差周期里，频差相位的PWM波是一个脉冲宽度由窄变宽再变窄的周期信号；如果待并机的频率小于电网的频率，在一个频差周期里，频差相位的PWM波同样也是一个脉冲宽度由窄变宽再变窄的周期信号。我们取以上两种情况的前半个周期如图3所示。UF代表待并发电机电压信号，UW代表电网电压信号，代表待并发电机电压方波信号，代表电网电压方波信号，最下面的UM是频差信号。

假设待并机频率大于电网频率，那么他们的频差PWM是一个由窄变宽再变窄的周期。在这一个周期内，势必在0点到6点的某一个脉宽值和6点到12点的某一个脉宽值相等，为了解决同步表的的LED的对应问题，我们必须连续取相邻的两个脉宽，如果前一个脉宽小于后面一个脉宽，那么该脉宽肯在0点到6点的某一个位置；如果前面一个脉宽大于后面一个脉宽，那么此时该脉宽定在6点到12点的某一位置。这样就解决了一个脉宽可能对应两个指示灯的情况。

图3　相位差PWM波的形成

1.6频差方向信号的处理

同步表既可以顺时针方向旋转，又可以逆时针方向旋转，通常顺时针旋转时为正频差可以进行并车操作，旋转方向的鉴别需要对两路信号频率大小进行判断。这里我们采用单片机的定时计数器，对两路信号的方波脉宽进行计数，通过比较两路计数器的数值来判断电网频率和待并机频率的大小，进而来区分同步表LED灯的正反转。

2　系统的工作流程

数字同步表工作流程如图4所示。

1）检测待并机频率是否满足要求，对数字同步表进行上电初始化设置。

2）经过数模变换环节后，将方波信号分别输入2号单片机和数字差分环节[6]。

3）对待并机脉宽信号进行测量，如果脉宽信号符合要求，一号单片机将进行频差脉宽的测量并运行内部程序，同时二号单片机采集两路电压信号的脉宽，判断频差方向[7]。

4）最后如果频差周期在符合的要求范围内，同时频差方向为正频差，同步表将指示可以进行并车操作[8]。

3C主要技术环节的实现与分析

3.1S频差信号的产生

采用最简单的处理方式，将两路方波信号运用放大器差分，利用放大器的高倍增益和饱和输出特性得到0 V和5 V的方波频差PWM波[8]。

3.2双单片机的分工合作

为了保证在并车过程中对频差相位和频差方向测量的实时性，采用双51单片机并联运行的方式，用来减少单片机运行程序对测量带来的系统误差。一号单片机只负责频差相位的检测与处理，驱动LED指示灯；二号单片机则负责频差方向的检测以及合闸操作指示。

图4　系统工作流程图

两台单片机分工独立合作，运行两套独立的程序。二号单片机以一号单片机为主，运行的频差方向结果作为一号单片机程序的预备条件；一号单片机的运行结果直接驱动LED灯。

二号单片机实现功能相对简单，所需要运行的程序语句相对较少，为了保证程序的可读性，测量的实时性，采用汇编语言。一号单片机是程序运行的主机器，所需要运行的程序语句量大，为了减小程序内存，减少程序运行的时间，采用C语言编程[9]。

3.3单片机基准时钟设置

因为采用双单片机控制和两个独立的单片机最小系统，所以采用两个独立的晶振脉冲。由于两台单片机子运行的程序不同，实现的功能也不同，两台单片机对应的晶振不同。

一般来说，要想实现同步表的高精度测量，一号机的晶振脉冲越高越好，这样程序运行时间短，系统误差可大大降低；另一方面，单片机存在晶振限制，所以不可能无限的提高晶振频率，再者，晶振频率的选择要与单片机定时计数器相匹配，过高的晶振频率可能要超过单片机计数器的最大值。除此之外，晶振频率过高还可能导致同步表程序编程的困难，使同步表运行的现象不理想。如果频率过低，则系统误差将会大大增加，同步表的准确度将大大折扣，实时性也大大减弱，很可能出现程序跑不完的现象。

二号单片机晶振频率的选择，满足在规定的频差范围内能够判断频差方向即可。二号单片机对实时性和精度要求没有一号单片机高，所以晶振频率可以低于一号单片机的晶振频率。

3.4程序运行时间与系统误差

单片机运行模式是实时控制的，程序的运行周期与单片机的机器周期有关，所以单片机是否能够实时的测量脉宽取决于机器周期的大小。

由于本设计只利用频差信号的高电平，所以程序的运行是否顺利运行完全取决于程序运行的时间和频差信号低电平时间的大小。一方面要控制运行时间的大小，就得控制程序的大小，另一方面可以提高运行速度，减小机器周期的大小。

在同步并车过程中，并车操作的相位差在±15˚以内就算符合要求，也就是说指示灯的个数不得少于24个。本设计采用36个LED指示灯，理论指示精度为10˚，完全符合要求。

本设计采用指示灯均分的原理，将36个LED指示灯平均分配，半个频差周期里有 18个指示灯。为方便计算，假设采用晶振频率为12 MHz,一号单片机机器周期为t0=1 μs，电网电压频率为工频50 Hz，当待并机的频率大于50 Hz时，频差最大脉宽为

在误差最大处分析数据，误差仅为1.817˚完全能够满足并车要求。

4　仿真实验结果

综上所述，我们利用Proteus软件和Keil软件进行仿真[10]，仿真结果和预期结果完全一致，即：该数字同步表设计能够实现并车过程中对频差的实时监测，同时能够完成对频差方向和合闸信号的鉴别，误差精度完全符合要求。同步表示意图如图5所示，整体实验电路图如图6所示。

图5　同步表示意图

5　结论

本文设计思想新颖，运用数模转换技术将模拟信号变换成数字信号驱动同步表，能够有效抑制机舱中各种干扰模拟信号及其谐波的干扰。同时由于采用单片机控制，实时性强，精度高，且预留丰富的I/O口，为以后的功能扩展提供了硬件基础的保障。

图6　实验电路图

［1］ 肖看， 李群芳. 单片机原理、接口及应用：嵌入式系统技术基础［M］. 北京： 清华大学出版社， 2010.

［2］ 吴志良. 船舶电站［M］. 大连： 大连海事大学出版社，2012.

［3］ 戴文进等. 电机学［M］. 北京： 清华大学出版社，2008.

［4］ 康华光， 陈大钦， 张林. 电子技术基础北京（模拟部分）［M］. 北京： 高等教育出版社， 2006.

［5］ 夏永明等， 船用智能同步表检测、指示控制仪表［J］.上海海事大学学报， 2010， 31（4）41-44.

［6］ 夏永明.智能化多功能数字式整步表. 31［P］cn200962527.上海海事大学学报， 2007-10-17.

［7］ 孙仁勇等. 用单片机实现轮机模拟器电站仿真同步表［J］. 大连海事大学学报， 2002， 28（4）： 9-12.

［8］ 康华光， 陈大钦， 张林. 电子技术基础（数字部分）［M］. 北京： 高等教育出版社， 2009.

［9］ 张小兵等. C/C++程序设计.［M］.北京：中国铁道出版社，2007.

［10］ 陈海宴. 51单片机原理及其应用： 基于 Keil C与Proteus［M］. 北京： 北京航空航天大学出版社， 2010.

The Design of a Digital Dual MCUs Synchronoscope

Xu Gongde，Wu Zhiliang
（Marine Engineering College，Dalian Maritime University，Dalian 116026，Liaoning，China）

According to the requirements and characteristics of automatic control of ship’s power station，the new high-precision digital synchronoscope is designed. Using Proteus and Keil as experimental platform，the corresponding design of software programming and peripheral hardware circuits are completed，and the realization of main technology is analyzed. Simulation results show that the design of new digital synchronization table makes sure that the frequency difference and phase difference of generators and grid voltage can be detected during generator connecting in parallel with system，and it operates reliably with high precision.

marine power station; synchronoscope; phase detection; frequency difference; MCU;

U665 TP36

A

1003-4862（2015）12-0061-04

2015-09-11

国家自然科学基金重大项目（51490681）、国家重点基础研究发展计划（973计划）（2015CB251004）

徐恭德（1992-），男，在读硕士研究生。研究方向：船舶电力系统。