CN105278407A - 一种无人值守船舶直流电源控制器及无人值守船舶系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人值守船舶直流电源控制器，包括通讯相连的母板和子板，母板包括温度检测单元、模拟量信号采集单元、数字量信号采集单元和同步信号频率采集单元；同步信号频率采集单元采集无人值守船舶的直流电源的输入电源频率并发送至子板，子板识别出输入电源的频率以控制直流电源的工作模式。本发明还公开了一种无人值守船舶系统，包括依次相连的燃气轮机、发电机以及直流电源，直流电源与无人值守船舶系统的负载相连，还包括如上所述的控制器，控制器用于根据直流电源的输入电源的频率信号控制直流电源工作在岸电电源模式或者推进电源模式。本发明的控制器以及系统均具有结构简单、能够识别不同电源以适用不同工作模式等优点。

Description

一种无人值守船舶直流电源控制器及无人值守船舶系统

技术领域

本发明主要涉及无人值守船舶技术领域，特指一种无人值守船舶直流电源控制器及无人值守船舶系统。

背景技术

无人值守船舶系统在执行特定任务，情报侦察等方面都发挥着重要的作用，具有战略性的意义。在无人值守船舶系统中，无人燃动机组主要由燃气轮机、发电机和直流电源组成，发电机产生的三相交流电源频率达到三百多赫兹。

当船舶停靠在岸边的时候，直流电源充当岸电电源的作用，输入电源为三相380伏的工频交流电，此时直流电源主要为船舶的辅助电源充电；

当船舶行驶在海洋中时，直流电源为船舶推进系统供电，此时的输入电源为发电机产生的频率为三百多赫兹的交流电；而目的无人值守船舶系统中同时适用于两种不同电源的的控制器。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单、能够方便调节直流电源工作模式的无人值守船舶直流电源控制器，并相应提供一种结构简单、可方便调节直流电源工作模式的无人值守船舶系统。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种无人值守船舶直流电源控制器，包括母板和子板，所述母板与子板通讯相连，所述子板包括第一DSP单元、第二DSP单元和FPGA单元，所述第一DSP单元和第二DSP单元均与所述FPGA单元相连；所述母板包括电源单元、通讯单元、温度检测单元、模拟量信号采集单元、数字量信号采集单元和同步信号频率采集单元，所述电源单元用于给母板各单元提供电源；所述同步信号频率采集单元采集无人值守船舶的直流电源的输入电源的频率并发送至子板，所述子板识别出输入电源的频率以控制所述直流电源的工作模式。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述直流电源的输入电源的频率区间为45Hz～55Hz和300Hz～350Hz，当输入电源的频率处于45Hz～55Hz时，所述子板控制所述直流电源处于岸电工作模式，用于给无人值守船舶系统的辅助电源充电；当输入电源的频率处于300Hz～350Hz时，所述子板控制直流电源处于推进电源模式，用于给无人值守的船舶推进系统供电。

所述直流电源的输入电源的两种频率分别为50Hz和322Hz.。

所述同步信号频率采集单元用于对直流电源的输入电源的频率进行整形处理后，并将输入电源由正弦波转换为方波，由FPGA单元通过输入电源的周期计算得到输入电源的频率。

所述通讯单元包括两路RS485通讯电路和一路CAN通讯电路，所述通讯单元的通讯信号经隔离光耦与子板的第一DSP单元通讯连接。

所述模拟量信号采集单元包括依次相连的电流/电压转换电路、滤波电路、差分输入电路、光耦隔离电路和AD转换电路，所述电流/电压转换电路用于将0～5V或者4～20mA的模拟量信号转换为1～5V的电压信号。

本发明还公开了一种无人值守船舶系统，包括依次相连的燃气轮机、发电机以及直流电源，所述直流电源与无人值守船舶系统的负载相连，还包括如上所述的控制器，所述控制器分别与所述燃气轮机和所述直流电源相连，所述控制器用于根据所述直流电源的输入电源的频率信号控制所述直流电源工作在岸电电源模式或者推进电源模式。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述控制器还连接有一上位机。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的无人值守船舶直流电源控制器，能够识别不同的输入电源，从而控制直流电源处于岸电工作模式或船舶推进工作模式，其结构简单；另外控制器采用子母板的方式，使得子板和母板之间的功能区分更明显，设计合理而且方便维修更换。本发明的无人值守船舶系统同样具有如上控制器所述的优点。

附图说明

图1为本发明的控制器结构示意图。

图2为本发明的母板电路原理框图。

图3为本发明的电源单元方框图。

图4为本发明的通讯单元方框图。

图5为本发明的温度检测单元方框图。

图6为本发明的模拟量信号采集单元方框图。

图7为本发明的同步电压检测单元方框图。

图8为本发明的脉冲输出单元方框图。

图9为本发明的数字量信号采集单元方框图。

图10为本发明的同步信号频率判断流程图。

图11为本发明的控制器工作流程图。

图12为本发明的船舶系统的方框图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图1至图11所示，本实施例的无人值守船舶直流电源控制器，包括母板和子板，母板与子板通讯相连，子板包括第一DSP单元、第二DSP单元和FPGA单元，第一DSP单元和第二DSP单元均与FPGA单元相连；母板包括电源单元、通讯单元、温度检测单元、模拟量信号采集单元、数字量信号采集单元和同步信号频率采集单元，电源单元用于给母板各部件提供电源；同步信号频率采集单元采集无人值守船舶的直流电源的输入电源的频率并发送至子板，子板识别出输入电源的频率以控制直流电源的工作模式。本发明的无人值守船舶直流电源控制器，能够识别不同的输入电源，从而控制直流电源处于岸电工作模式或船舶推进工作模式，其结构简单；另外控制器采用子母板的方式，使得子板和母板之间的功能区分更明显，设计合理而且方便维修更换。

本实施例中，直流电源的输入电源的频率区间为45Hz～55Hz和300Hz～350Hz，当输入电源的频率处于45Hz～55Hz时，子板控制直流电源处于岸电工作模式，用于给无人值守船舶系统的辅助电源充电；当输入电源的频率处于300Hz～350Hz时，子板控制直流电源处于推进电源模式，用于给无人值守的船舶推进系统供电，本实施例中，直流电源的输入电源的两种频率具体分别为50Hz和322Hz。

本实施例中，同步信号频率采集单元对直流电源的输入电源的频率进行整形处理后，并将输入电源由正弦波转换为方波，控制器的将实时计算两次捕获的时间差，两次捕获的时间差即为同步信号的周期，由FPGA单元通过输入电源的周期计算得到输入电源的频率，如图10所示。

如图1所示，本实施例中，子板具体以双DSP（TMS320F28335）和FPGA（XC6SLX45）为核心控制器，其中SDSP负责控制器对外的通讯功能，集成了两路RS485通讯和1路Can通讯，可根据要求选用相应通讯功能，CDSP负责控制器算法的实现；FPGA负责两个DSP芯片的数据交互、数字信号入出、模拟信号采集、同步信号输入等信号处理、PWM脉冲的移相、分配和产生，达到对整套装置的实时控制，子板各部分功能描述如下：

1）核心控制电路

核心控制电路由双28335和XC6SLX45组成。两个28335的总线分别和FPGA连接，具有极大的灵活性，通过控制策略实现对直流电源的控制。

2）光纤通讯电路

光纤通讯外扩在FPGA上，通过高速的通讯速率，实现程序的下载和更新，或者是在线调试。

3）实时时钟

子板的实时时钟也外扩在SDSP芯片上，实现向外界提供带有时间信息的数据，供数据分析和检索。实时时钟芯片使用DS1340Z，在2.7V～3.6V的电压范围内工作，并能够提供足够的能量保证掉电时的工作。

4）SRAM电路

SRAM存储器主要用于存储数据总线、端口配置信息以及外部寄存器信息等，SRAM选用CY7C1051DV33-10ZSXI，容量为512k×16。外扩在FPGA上，控制信号和总线均连接至FPGA。

5）Flash电路

Flash主要用于存储程序和故障数据，启动代码也可以在Flash中直接运行。选用Micron公司的N25Q064A13ESF40F，串行接口方式，容量为64M。外扩在FPGA上，所有控制信号均连接至FPGA。

6）RS232通讯电路

RS232通讯电路用来调试或者下载和更新程序，作为辅助性借口，形成交互的环境，能够提高调试效率。RS232通讯电路可以选择SCI启动模式，实现下载或者更新。

7）电源处理电路

由电源处理电路提供处理器和逻辑芯片等工作需要的3.3V、1.9V、1.2V、2.5V电源，效率达到85%以上。

如图1至图11所示，母板主要由以下几个部分组成：电源单元、485通讯单元、CAN通讯单元、温度检测单元、模拟量信号采集单元、同步电压检测单元、同步信号频率采集单元、脉冲输出单元、数字量信号采集单元、AD处理单元，各单元功能简述如下：

电源单元，如图3所示：

电源单元将输入的+24V电源转换成以下几种电源：

VCC：数字电路部分使用的5V电源；

V485：485通讯专用5V电源；

VCAN：CAN通讯专用5V电源；

±15SV：隔离前级用±15V电源；

±15V：隔离后级用±15V电源；

+15V1：脉冲输出用+15V电源

485通讯单元，CAN通讯单元，如图4所示：

包含两路485通讯处理单元，一路CAN通讯处理单元。通讯信号经保护、阻抗匹配等处理后由专用通讯芯片处理，经过光耦隔离后与子板的DSP进行通讯。

温度检测单元，如图5所示：

PT100的温度信号本身为电阻信号，经电桥后转换成电压信号，通过差分放大和光耦隔离后送至AD，转换为数字信号并最终送至子板的DSP。

模拟量信号采集单元，如图6所示：

0-5V和4-20mA的模拟量信号可以通过相同的采集电路来处理。对于4-20mA信号，经电流/电压转换后变为1-5V的电压信号，而对于0-5V的信号，电流/电压转换对其无影响，从而实现两类信号的输入。

同步电压检测单元，如图7所示：

同步电压信号经电阻转成电流，电流经电流互感器隔离，电流/电压转换，电压放大、调理后送至AD处理完成同步电压的采集。

脉冲输出单元，如图8所示：

由DSP发出的控制信号通过控制绝缘栅型场效应管实现数字量到模拟量的转换，模拟信号通过变压器隔离后输出，控制外部晶闸管的动作

数字量信号采集输入单元，格雷码信号采集单元，如图9所示：

数字量输入单元和格雷码信号采集单元采用成熟的数字量信号采集电路，信号经防反保护、光耦隔离、滤波、反向处理后送至DSP。

本实施例中，控制器的同步输入信号有两种频率类型。一种是工频50赫兹，一种是中频322赫兹。当同步信号的频率为工频50赫兹时，船舶直流电源工作在岸电电源模式。当同步信号的频率为322赫兹时，船舶直流电源工作在船舶推进电源模式。

如图12所示，本发明还公开了一种无人值守船舶系统，包括依次相连的燃气轮机、发电机以及直流电源（即图12中所示的整流器），直流电源与无人值守船舶系统的负载相连，还包括如上所述的控制器，控制器分别与燃气轮机和直流电源相连，控制器用于根据直流电源的输入电源的频率信号控制直流电源工作在岸电电源模式或者推进电源模式。其中图12中的整流器为直流电源，其负载为船舶推进系统，燃气轮机在工作时首先将能量储存起来，然后带动发电机进行发电，发电机的输出为频率为322赫兹、有效值为600V的交流电，其中直流电源采用快速晶闸管调压整流方案，额定输出DC750V，DC1330A，额定功率1MW。另外控制器还连接有一上位机，用于使用者与控制器之间的信息交互。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种无人值守船舶直流电源控制器，其特征在于，包括母板和子板，所述母板与子板通讯相连，所述子板包括第一DSP单元、第二DSP单元和FPGA单元，所述第一DSP单元和第二DSP单元均与所述FPGA单元相连；所述母板包括电源单元、通讯单元、温度检测单元、模拟量信号采集单元、数字量信号采集单元和同步信号频率采集单元，所述电源单元用于给母板各单元提供电源；所述同步信号频率采集单元采集无人值守船舶的直流电源的输入电源的频率并发送至子板，所述子板识别出输入电源的频率以控制所述直流电源的工作模式。

2.根据权利要求1所述的无人值守船舶直流电源控制器，其特征在于，所述直流电源的输入电源的频率区间为45Hz～55Hz和300Hz～350Hz，当输入电源的频率处于45Hz～55Hz时，所述子板控制所述直流电源处于岸电工作模式，用于给无人值守船舶系统的辅助电源充电；当输入电源的频率处于300Hz～350Hz时，所述子板控制直流电源处于推进电源模式，用于给无人值守的船舶推进系统供电。

3.根据权利要求2所述的无人值守船舶直流电源控制器，其特征在于，所述直流电源的输入电源的两种频率分别为50Hz和322Hz.。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的无人值守船舶直流电源控制器，其特征在于，所述同步信号频率采集单元用于对直流电源的输入电源的频率进行整形处理后，并将输入电源由正弦波转换为方波，由FPGA单元通过输入电源的周期计算得到输入电源的频率。

5.根据权利要求1至3中任意一项所述的无人值守船舶直流电源控制器，其特征在于，所述通讯单元包括两路RS485通讯电路和一路CAN通讯电路，所述通讯单元的通讯信号经隔离光耦与子板的第一DSP单元通讯连接。

6.根据权利要求1至3中任意一项所述的无人值守船舶直流电源控制器，其特征在于，所述模拟量信号采集单元包括依次相连的电流/电压转换电路、滤波电路、差分输入电路、光耦隔离电路和AD转换电路，所述电流/电压转换电路用于将0～5V或者4～20mA的模拟量信号转换为1～5V的电压信号。

7.一种无人值守船舶系统，其特征在于，包括依次相连的燃气轮机、发电机以及直流电源，所述直流电源与无人值守船舶系统的负载相连，还包括如权利要求1至6中任意一项所述的控制器，所述控制器分别与所述燃气轮机和所述直流电源相连，所述控制器用于根据所述直流电源的输入电源的频率信号控制所述直流电源工作在岸电电源模式或者推进电源模式。

8.根据权利要求7所述的无人值守船舶系统，其特征在于，所述控制器还连接有一上位机。