基于ARM+DSP的船舶电力推进动态负荷仿真系统研究

1、基于ARM+DSP的船舶电力推进动态负荷仿真系统研究1陈巨涛,郑华耀上海海事大学,上海,200135摘要:本文整体介绍了用系统仿真的方法构建的船舶电力推进动态负荷仿真系统,并针对该系统的特点,设计了ARM+DSP嵌入式系统仿真平台来实现系统对实时控制和实时计算都要求很高的关键部分。文章解释了选取使用ARM+DSP嵌入式系统的理由,详细描述了系统的硬件和软件系统的层次及各自结构,并详细讨论了具体系统实现中所遇到的特殊问题及相应的解决方法。最后,给出了由该仿真系统所做的仿真实验的结果。关键词:船舶电力推进,实时仿真,嵌入式系统,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.绪论在电力电子技术和大容量变频技术迅速发展的背景下,船舶电力推进已从军舰、特种型船舶,推广到商船,应用范围日益广泛。船舶电力推进因其经济、灵活、可靠和环保等优点,而具有很大的市场潜力,被预测为民用船舶装备的发展主流1, 2。通过系统仿真的方式来研究船舶电力推进技术,从可行性和效率方面是一个很好的技术路线。仿真研究的结果可以为设计院、船东对电力推进设备的设计、研发、选型等提供参考。实现此目标的前提是通过系统仿真的方法构建一个能真实反映船舶螺旋桨负荷特性的船舶电力推进实时动态负荷仿真系统。2.船舶电力推进动态负荷仿真系统的构成船舶电力推进动态负荷仿真系统采用半实物在环的实时仿真系统,其中既有

6、软件仿真部分,又有真实的物理部分,是一个集实时控制和高速运算功能于一体的虚实结合的典型系统。1本文得到教育部博士学科点专项基金“船舶电力推进系统动态负荷仿真研究”(20040254002的支持。 电力推进动态负荷仿真系统是由两大部分构成的:推进电机子系统和螺旋桨负荷仿真电机子系统。其中,推进电机子系统由一台三相690V ,15Hz ,11kw 的永磁同步电机和对该永磁同步电机进行调速控制的变频器直接连接而构成;螺旋桨负荷仿真电机子系统由一台与推进电机同轴相连的三相380V ,15Hz ,15kw 的异步感应电机,控制该电机的变频器,转速传感器,转矩传感器以及运行螺旋桨负荷动态模型的仿真计算机构

7、成。推进电机子系统仿真真实的船舶电力推进主电动机,而螺旋桨负荷仿真子系统,从两同轴电机轴上的光电编码盘得到转速信号,再根据船舶模型的参数,经过螺旋桨动态负荷仿真平台的实时仿真运算得到一个与真实的螺旋桨负荷相同的负载转矩,通过4-20mA 电流信号输出给变频器,变频器控制负荷仿真电机提供推进电机相应的负载转矩,使得推进电机如同带动水中的螺旋桨运行一样,从而陆地上进行电力推进仿真实验。另外,系统中还设有一台PC 机作为操作、监视和数据显示的终端,一方面它通过CAN 总线从螺旋桨负荷仿真子系统获得仿真过程中的仿真数据,进行数据处理和显示;另一方面又通过接口卡,对推进电机子系统的变频器进行远程控制,操

8、纵推进电机,完成仿真系统的监控。电力推进动态负荷仿真系统的组成结构如图1所示。图1 船舶电力推进动态负荷仿真系统结构图 3.用ARM+DSP 嵌入式系统实现螺旋桨负荷仿真3.1 螺旋桨动态负荷特性及船-桨数学模型螺旋桨的推力特性和扭矩特性是螺旋桨负荷特性中最重要的两个特性,也是建立螺旋桨负荷模型所要使用的数据3。研究螺旋桨时,螺旋桨的进速比是一个十分重要的变量,它定义为p pnD V J = (1其中,V p 为当前螺旋桨相对于水流的速度,n 为螺旋桨转速,D p 为螺旋桨直径。J 的范围为(-,+,但对实际仿真来讲,一个自变量变换范围很大的函数不论对模拟仿真还是数字仿真都是比较麻烦的。为了表

9、达螺旋桨全工况下的动态特性,通常用有界变量来描述其数学模型,因此又定义了相对进速比J <=<+>+>=+=0且010*以相对进速比J 来描述螺旋桨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,为相对推力系数,p K M K 为相对扭矩系数,为海水密度,V p 为螺旋桨相对于水流的速度,D p 为螺旋桨直径。p K 和需要利用描绘所有工况下M K p K ,M K 与J 的对应关系的螺旋桨图谱来获得。在该螺旋桨图谱中,当螺旋桨类型和螺距比确定后,通过J 就可以从图谱中得到相应的两个系数,进而得

10、出T p 和M p 的值。以上讨论的是螺旋桨的敞水特性,但当螺旋桨置于船体后面工作时,船和桨会相互影响根据船对桨的影响,引入了伴流系数;根据桨对船的影响,引入了推力减额系数t 。船舶在水中向前航行时,会有摩擦伴流、位差伴流和波浪伴流三种伴流对螺旋桨产生影响。由于伴流,流过螺旋桨的水流速度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,为伴流系数。同时,桨的吸水作用使得船尾的水流速度比无桨时要大,从而导致船尾压力重新分布,船体增加了的额外的阻力。螺旋桨产生的推力T p 要提供一部分作为克服该额外阻力的力,这样实际用于推进船舶的有效推力P e 就比T

11、 p 要小。可表示为P e =T p (1-t (6其中,t 推力减额系数。t 和都会随着航行状态的变化而变化,实际应用时一般采用实验方法测得这两个参数。 另外,根据流体力学知识和牛顿运动定律,可以建立船桨系统的运动方程为: 221S f AV C R = (7 dtdV kM R P S S f e = (8 图2 式中,M S 为船体质量,V S 为船舶当前航速,R f 为船舶所受阻力,为海水密度,为附水系数。式(2(8即船桨数学模型,以图形结构表示如图2所示。k 3.2 设计ARM+DSP 嵌入式系统仿真平台的理由仿真螺旋桨特性的负荷仿真子系统是整个电力推进动态负荷仿真系统的最关键的部分

12、,它担负真实地模拟仿真母型船在不同工况、海况和船况下螺旋桨的特性,实时地把螺旋桨负载转矩加载至推进电机的输出轴上,使得推进电机能带动仿真的螺旋桨运行。由上可见,螺旋桨动态负荷特性是十分复杂的,涉及到大量的计算,并且系统又是半实物在环的,涉及到处理器与实际信号的接口。从图2可以看出,模型需要的输入量为螺旋桨的转速,在该仿真系统中即两台同轴电机的公共转速,而模型需要把仿真计算得到的实时螺旋桨负荷信号输出给执行设备(变频器来驱动负荷仿真电机在轴上提供所需的转矩。要实现如此模型的实时仿真,选取一个合适的仿真平台是十分基础和重要的。在各种处理器中,基于ARM 核的32位RISC 微控制器被公认为当今世界

13、先进的微控制器,它在输入/输出端口管理和操作方面的功能非常完善4;而数字信号处理器(DSP 在数字运算和数字信号处理方面的能力十分强大。但ARM 在数字运算功能上不如DSP ,而DSP 在输入/输出控制能力上也不如ARM 。因此,为同时满足仿真螺旋桨特性的负载子系统实时控制和实时运算的要求,需要采用ARM+DSP 的结构组合,来充分发挥两种处理器的优势,同时弥补各自的不足之处,以获得更加高的性能,来实时运行螺旋桨动态负荷的数学模型,实时的从外部采集实际信号和输出控制信号到外部设备,从而实现高速实时的半实物在环的仿真系统。针对实时半实物在环的仿真的应用,自行设计了ARM+DSP 嵌入式系统仿真平

14、台来构成螺旋桨负荷仿真子系统的核心部分,该仿真平台现已获得发明专利。3.3 ARM+DSP 嵌入式系统的硬件和软件结构实现螺旋桨动态负荷仿真模型的仿真平台是以ARM+DSP 双核处理器作为核心的。从简单、可靠和双核易于联调的角度考虑,实际上使用的是TI 的集成ARM7和C54x DSP 的双核处理器芯片TMS320VC5470。ARM 侧连接接收转速编码盘脉冲信号的光耦输入电路。使用光耦是因为一方面由于光电编码盘的输出脉冲逻辑电平较仿真平台逻辑电平要高,这样可实现电平匹配;另一方面实现两种信号的隔离,防止互相干扰。ARM 侧还连接着DA 转换器,用以把仿真得出的螺旋桨转矩值转化为4-20mA

15、的标准电流信号输出给变频器,变频器以此为参考信号驱动负载电机在轴上提供相应的转矩。另外,仿真平台还配有CAN 收发器,这也连接在ARM 侧,用以将仿真数据通过CAN 总线传递给上位机,显示仿真结果。仿真平台的硬件结构如图3所示。在软件方面,实时操作系统运行在主处理器核ARM 上面,采用著名的嵌入式实时操作系统µC/OS-II ,负责整个系统的管理。C/OS-II 实际上只是一个操作系统内核5,它本身只是运行于ARM 的CPU 上的程序,要完成操作系统对外围设备的管理和驱动,必须要把相应的外围设备的驱动程序与操作系统内核连接起来,让C/OS- II 能管理和控制外围设备。要达到这个目的

16、就要在图3 ARM+DSP 仿真平台硬件结构 C/OS-II 和外围硬件设备之间加入一层硬件抽象层,即驱动程序层,如图4所示。由于C/OS-II 并没有给出驱动程序的任何规定,要自己按照实际情况设计驱动程序的结构以及其与C/OS-II 的连接关系。本ARM+DSP 嵌入式仿真平台采用了比较简单的驱动程序结构,仅提供了一些操作外围设备的函数,这些函数由C/OS-II 直接调用即可,目的在于提高系统的响应时间,便于系统充分利用外围设备,而且也减小了程序结构的复杂。螺旋桨动态模型的仿真由实时仿真应用程序真正实现,这部分程序运行在实时操作系统的上层,实际包括两部分:ARM 侧的仿真接口处理程序和DSP

17、 侧的螺旋桨动态仿真模型求解计算程序。其中,ARM 侧的仿真接口处理程序主要实现从捕获端口定时获得计数脉冲来计算电机轴的转速,然后把该转速值作为输入量传递给DSP 侧的螺旋桨动态仿真模型,经过模型求解计算,再获得其输出量(包括螺旋桨阻力矩、螺旋桨推力、船速等实时变量,并把其中的螺旋桨阻力矩送至DA 转换器,转化为4-20mA 的电流信号至变频器。另外,把模型的全部输出量以CAN 总线协议进行封装,发送至上位机。在ARM 核的C/OS-II 操作系统运行起来之后,其应用程序都是在操作系统上层的,所以ARM 侧的仿真接口处理程序是基于C/OS-II 环境的,均是以C/OS-II 任务的形式实现,里

18、面的定时采样也使用C/OS-II 的延时函数完成。 图4 仿真平台的硬软件层次DSP 侧螺旋桨动态仿真模型求解计算程序,它是一个由单任务构成的典型的前后台程序。该程序从ARM 侧得到输入量,代入以数学方程描述的螺旋桨动态仿真数学模型中求得模型的输出量并将其传回ARM 侧。两部分程序之间通过ARM 和DSP 两核共享的双访问RAM (DARAM 进行数据交换。双访问RAM 配置为两个通道,一个用于从ARM 向DSP 传递数据,另一个用于从DSP 向ARM 传递数据。每个通道都组织成为先进先出(FIFO 的队列。3.4 螺旋桨动态负荷模型实现中涉及的一些特殊问题及解决方法螺旋桨动态负荷模型中的推力系数p K 和扭矩系数M K 是由实际螺旋桨的敞水实验测得,用图谱的形式给出的。在数学模型的仿真求解计算中,可以事先对图谱进行曲线拟合,得到和的解析表达式。可以采用多项式最小二乘拟合、Chebyshev 多项式拟合等拟合方式,但从结果来看,无论哪种拟合方法,要达到整个范围内比较精确的拟合,拟合多项式的次数都是相当高的