基于TMS320F2812 DSP捕获单元的柴油捕获单元的柴油发电机组的转速测量系统
2010-12-18 11:25:29
来源：《半导体器件应用》2009年5月刊
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l 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[1-3]，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[4]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0.5V~6V，其频率为：
f=Zn/60 (1)
式中：Z为柴油机飞轮齿数，n为机组转速。
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=60 f0/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1500r/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。因fc=1/(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DSP TMS320F2812的捕获单元CAP1。该捕捉单元有一个专用的2级深度FIFO堆栈，顶层堆栈由CAP1FIFO组成，底层由CAP1FBOT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FIFO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宛若层寄存器。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[5-6]。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CAP1，并选其定时器T1作为CAP1的时间基准，T1工作在连续递增计数模式，并庙宇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：
void InitEv(void)
{
EvaRegs.T1PR=0xFFFF; //T1周期
EvaRegs.T1CNT=0;
EvaRegs.T1CON.all=0
EvaRegs.T1CON.bit.TMODE=2; //连续增计数模式
EvaRegs.T1CON.bit.TPS=4; //150MHz的32分频（HSPCLK已2分频，故TPS=4，即16分频）
EvaRegs.T1CON.bit.TENABLE=1; //使能T1定时器
EvaRegs.CAPCONA.all=0; 捕捉控制寄存器
EvaRegs.CAPCONA.bit.CAP12EN=1; 使能捕捉
EvaRegs.CAPCONA.bit.CAP1EDGE=1; /检测上升沿
EvaRegs.CAPCONA.bit.CAP12TSEL=1; //CAP1选定时器T1
EvaRegs.CAPFIFOA.bit.CAP1FIFO=0; //CAP1FIFO空
EvaRegs.EVAIFRC.bit.CAP1INT=1; //清CAP1中断标志位
EvaRegs.EVAIMRC.bit.CAP1INT=1; //CAP1中断使能
}
进入捕获中断子程序时，保护现场首先清CAP1中断标志位，从二级深度FIFO中依次读取两次捕获的计数值capK1和capK2。如果capK2>capK1，则capK2-capK1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<capK1，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0xFFFF后回零重新计数，因此K=capK2-capK1+0xFFFF。这里时基T1的频率为主频时钟除以分频系数，即f0=150MHz/31，因此所测速度为n=60f0/(ZK)=1768867.925/K。下面为捕获中断子程序代码：
unsigned int capK1;
unsigned int capK2;
float Speed;
interrupt void CAPINT1_ISR(void)//EV-A捕获中断子程序
{ unsigned int K;
EvaRegs.EVAIFRC.bit.CAP1INT=1; //清捕获中断1标志位
capK1=EvaRegs.CAP1FIFO;
capK2=EvaRegs.CAP1FIFO; //读新旧两次计数值
if(capK2>capK1)
K=capK2-capK1;
else
K=capK2+(0xFFFF-capK1);
Speed=1768867.925/(float)K; //计算转速
PieCtrl.PIEACK.bit.ACK3=1; //开外设中断应答
}
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。
参考文献
[1] 何伟， 陈钢. 柴油发电机组速度控制系统的仿真研究[J]. 移动电源与车辆， 2002(1): 17-20.
[2] 王维俊， 江敏， 郭军华. 小型柴油发电机电子调速系统设计[J]. 电气传动， 2008， 38(6):23-25.
[3] 汪忠海， 陆平， 宋恩哲. 柴油机数字式电子调速器的研究[J]. 自动化技术与应用， 2007， 26(9):46-47.
[4] 戴花林， 吴文海. 柴油机数字式调速系统模型建立及仿真分析[J]. 自动化技术与应用， 2007， 26(9):46-47.
[5] 万山明. TMS320F281x DSP原理及应用实例[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社， 2007.
[6] 徐科军， 张瀚， 陈智渊. TMS320F281x DSP 原理与应用[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社， 2006.
转载自《电子设计工程》2009年第3期
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[1-3]，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[4]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0.5V~6V，其频率为：
f=Zn/60 (1)
式中：Z为柴油机飞轮齿数，n为机组转速。
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=60 f0/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1500r/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。因fc=1/(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DSP TMS320F2812的捕获单元CAP1。该捕捉单元有一个专用的2级深度FIFO堆栈，顶层堆栈由CAP1FIFO组成，底层由CAP1FBOT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FIFO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宛若层寄存器。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[5-6]。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CAP1，并选其定时器T1作为CAP1的时间基准，T1工作在连续递增计数模式，并庙宇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：
void InitEv(void)
{
EvaRegs.T1PR=0xFFFF; //T1周期
EvaRegs.T1CNT=0;
EvaRegs.T1CON.all=0
EvaRegs.T1CON.bit.TMODE=2; //连续增计数模式
EvaRegs.T1CON.bit.TPS=4; //150MHz的32分频（HSPCLK已2分频，故TPS=4，即16分频）
EvaRegs.T1CON.bit.TENABLE=1; //使能T1定时器
EvaRegs.CAPCONA.all=0; 捕捉控制寄存器
EvaRegs.CAPCONA.bit.CAP12EN=1; 使能捕捉
EvaRegs.CAPCONA.bit.CAP1EDGE=1; /检测上升沿
EvaRegs.CAPCONA.bit.CAP12TSEL=1; //CAP1选定时器T1
EvaRegs.CAPFIFOA.bit.CAP1FIFO=0; //CAP1FIFO空
EvaRegs.EVAIFRC.bit.CAP1INT=1; //清CAP1中断标志位
EvaRegs.EVAIMRC.bit.CAP1INT=1; //CAP1中断使能
}
进入捕获中断子程序时，保护现场首先清CAP1中断标志位，从二级深度FIFO中依次读取两次捕获的计数值capK1和capK2。如果capK2>capK1，则capK2-capK1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<capK1，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0xFFFF后回零重新计数，因此K=capK2-capK1+0xFFFF。这里时基T1的频率为主频时钟除以分频系数，即f0=150MHz/31，因此所测速度为n=60f0/(ZK)=1768867.925/K。下面为捕获中断子程序代码：
unsigned int capK1;
unsigned int capK2;
float Speed;
interrupt void CAPINT1_ISR(void)//EV-A捕获中断子程序
{ unsigned int K;
EvaRegs.EVAIFRC.bit.CAP1INT=1; //清捕获中断1标志位
capK1=EvaRegs.CAP1FIFO;
capK2=EvaRegs.CAP1FIFO; //读新旧两次计数值
if(capK2>capK1)
K=capK2-capK1;
else
K=capK2+(0xFFFF-capK1);
Speed=1768867.925/(float)K; //计算转速
PieCtrl.PIEACK.bit.ACK3=1; //开外设中断应答
}
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。
参考文献
[1] 何伟， 陈钢. 柴油发电机组速度控制系统的仿真研究[J]. 移动电源与车辆， 2002(1): 17-20.
[2] 王维俊， 江敏， 郭军华. 小型柴油发电机电子调速系统设计[J]. 电气传动， 2008， 38(6):23-25.
[3] 汪忠海， 陆平， 宋恩哲. 柴油机数字式电子调速器的研究[J]. 自动化技术与应用， 2007， 26(9):46-47.
[4] 戴花林， 吴文海. 柴油机数字式调速系统模型建立及仿真分析[J]. 自动化技术与应用， 2007， 26(9):46-47.
[5] 万山明. TMS320F281x DSP原理及应用实例[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社， 2007.
[6] 徐科军， 张瀚， 陈智渊. TMS320F281x DSP 原理与应用[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社， 2006.
转载自《电子设计工程》2009年第3期
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