近年来随着半导体技术迅猛发展以AM架构为核心的微控制单元(Micro Controller UnitMCU)和现场可编程门列(Field-Programmable GateArrayFPGA)因具有性能优异、功能完善、供货稳定和成本较低等优势1而在工业现场控制领域得到广泛应用在船舶机舱自动化领域的应用也在不断深入具有广阔的应用前景。以往的船舶电站控制器通常以PLC设备为核心同时需要配备相应的电量变送器、同步并车模块和开关量输入输出模块等基本模块。因此以往的单台发电机组控制单元是在以PLC为核心的船舶电站控制器的基础上组建的而这样的电站控制系统组网极其复杂所需的安装空间也非常大很大程度上限制了其在现代舰船尤其是在电网容量巨大的全电力推进船舶上应用的前景。2为适应现代舰船电站控制系统的发展亟需一种可在单个模块中完成以往船舶电站控制器所有功能的电站控制器。现代嵌入式处理器尤其是AM架构的MCU和可编程逻辑器件FPGA的组合架构完全可以使其变为现实。1 AM FPGA架构设计1 1船舶电站控制器功能需求船舶电站控制器所需的控制功能接口类型繁多包括对原动机及发电机进行基本控制和安全保护所需的开关量接口、模拟量接口及与船舶电站系统内其他设备互联互通的接口等。图1为单台传统柴油发电机主要接口信号。由图1可知电站控制器所需的功能接口主要包括模拟量(交流量和直流量)接口、开关量(开关量输入输出)接口和通信总线(S485和CAN等)接口等。1 2 AM FPGA架构选型针对电站控制器功能接口的需求选用AM FPGA架构作为单模块电站控制器的基本架构。STM32F437是基于高性 能AMCortex-M432位ISC内核 的MCU:集 成 了FPU自 适 应 实 时(AT)加 速 度 器MPU225 DMIPS /1 25 DMIPS /MHz(Dhrystone 2 1) 256 4KB SAM和32位数据总线及DSP指令;闪存高达2 MB工作频率高达180 MHz主要应用于工业控制领域可满足电站控制器对核心CPU运算能力及外设的要求。FPGA是在PALGAL和CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物在逻辑控制和时序控制方面有着其他类型控制器不可比拟的优势。电站控制器所要处理的逻辑信号数量较大且关键的安全保护逻辑不容有丝毫差错。FPGA独立于MCU的运行体系及可靠的逻辑处理能力使其成为电站控制器逻辑处理单元的最佳选择。3EP2C5Q208C8是ALTEA公司的Cyclone II系列FPGA拥 有4 608个LEs(片 上AM共 计119 808 bits)、13个18 × 18硬件乘法器、2个高性能PLL及142个用户自定义IO在逻辑门数量和运算速度方面完全可以满足电站控制器的功能需求。2控制器硬件设计电站控制器的硬件是基于电站控制器对接口资源的需求设计的可满足大部分电站控制系统对单机控制器的接口需求并针对行业未来的发展预留了部分可扩展的接口。硬件设计结构框图见图2。2 1模拟量采集部分硬件设计电站控制器需要处理的模拟量包括交流电量采集和直流电量输入采集。1)交流电量采集将AD7606作为采集主体与MCU间通过SPI总线连接。AD7606由ADI公司设计生产内部集成有16位、200 kSPS的AD转换器可实现对6路交流信号的同步采样。AD7606模拟前端具有箝位保护、输入缓冲器和二阶抗混叠模拟滤波 器能保证对交流信号的调理精度。基 于AD7606的交流电量采集硬件设计拓扑结构见图3。2)直流电量采集部分主要采集标准4 20 mA的电流环信号。其模拟前端采用差分输入结构可有效降低共模干扰并提高采集精度;其后端采样通过MCU自身集成AD转换器完成采样精度为12位。结合STM32F437的集成AD转换器支持多种采样模式的特点在MCU算法中加入数字滤波器以进一步提高直流电量的采集精度。直流电量采集硬件设计拓扑结构见图4。3控制器软件设计电站控制器软件可分为应用层、应用接口层和驱动层。软件的分层设计可使开发人员仅关注整个结构中的某一层即可完成所有内容从而大大提高开发效率;同时减弱层与层之间的依赖关系可逐层对软件进行更新迭代更有利于各层间逻辑的复用。图7为电站控制器软件设计框图。图7电站控制器软件设计框图电站控制器软件设计中较为关键的算法主要有电站控制器核心控制算法、交流电量测量算法和准同步并车算法。3 1电站控制器核心控制算法设计应用层主要实现电站控制器的核心控制算法其主要功能有:1)发电机组根据负载的需要自动启动、投入运行和停车;2)发电机与电网母线自动同步和并车;3)电网电压与频率自动恒定;4)并联运行机组间自动实现负载(有功和无功)的分配和转移;5)按电站负载情况自动卸除或投入次要负载;6)重载控制;7)故障的自行报警和自动保护及按一定程序自动投入相应的完好机组并解除故障机组。电站控制器核心控制算法的各个功能模块均固化于MCU内同时提供配置接口用以实现对各功能模块的使能和禁用并配置相应参数。在实际应用中可针对不同船型的组网形式灵活配置不同功能模块的工作模式。3 2交流电量测量算法设计在电站控制器中交流电量的测量是最基础的功能是保证其他功能稳定、可靠的前提。电站控制器通过采集3相电压和3相电流信号来计算交流电量参数包括电压和电流有效值、有功功率、无功功率、功率因数及频率等。4