李玉生，袁陽(yáng)，耿攀，左超

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分布式消磁系統(tǒng)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和同步性研究

李玉生1，袁陽(yáng)1，耿攀2，左超2

( 1．海軍駐431廠軍事代表室，武漢 430064；2．武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，武漢 430064)

為確保消磁系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)必須保證系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和同步性。本文介紹了一種含時(shí)間向量的數(shù)據(jù)信息傳輸與處理的CAN總線頂層標(biāo)準(zhǔn)框架，本協(xié)議應(yīng)用于分布式消磁系統(tǒng)，能夠確保各分區(qū)消磁繞組所產(chǎn)生的磁場(chǎng)同步性；分析了消磁系統(tǒng)響應(yīng)延時(shí)的原因，針對(duì)原因提出措施能夠確保消磁系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

分布式消磁系統(tǒng) 同步 CAN總線

0 引言

隨著現(xiàn)代大型艦船噸位、總體尺寸的日益增大，傳統(tǒng)中、小型艦船的消磁系統(tǒng)已無(wú)法適應(yīng)其磁場(chǎng)量值的增大和分布情況的復(fù)雜化，分布式消磁系統(tǒng)日益成為現(xiàn)代大型艦船消磁系統(tǒng)的發(fā)展方向。該系統(tǒng)不僅能減輕消磁系統(tǒng)的重量、提高消磁系統(tǒng)的可靠性和可維修性，還能適應(yīng)艦船分段建造要求。

然而，艦船采用分布式消磁系統(tǒng)后，相比傳統(tǒng)集中式消磁系統(tǒng)，系統(tǒng)對(duì)各個(gè)消磁繞組控制的實(shí)時(shí)性和同步性提出了更高的要求，須采取措施保證消磁系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，減小系統(tǒng)延時(shí)，才能確保消磁繞組產(chǎn)生的補(bǔ)償磁場(chǎng)與艦船的姿態(tài)和位置一致，同時(shí)還須采取措施來(lái)保證分布式消磁系統(tǒng)中各消磁電源的電流指令的時(shí)間同步性，以確保各分區(qū)消磁繞組所產(chǎn)生的磁場(chǎng)同步。

1 分布式消磁系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性分析

艦船消磁采用地磁解算控制模式，控制流程圖如圖1所示。導(dǎo)航系統(tǒng)將艦船的經(jīng)緯度、航向和姿態(tài)信息通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)給消磁電流控制儀，消磁電流控制儀進(jìn)行地磁解算和控制指令計(jì)算，并將控制指令通過(guò)CAN網(wǎng)發(fā)送給消磁電源，消磁電源接收指令，并根據(jù)指令調(diào)整輸出電流給消磁繞組供電，消磁繞組產(chǎn)生補(bǔ)償磁場(chǎng)。

由于在整個(gè)過(guò)程中艦船是出于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，必須減小各環(huán)節(jié)的延時(shí)，盡可能保證消磁繞組輸出的補(bǔ)償磁場(chǎng)與艦船當(dāng)前位置和姿態(tài)一致。

在整個(gè)消磁控制流程中有五個(gè)環(huán)節(jié)會(huì)產(chǎn)生延時(shí)，具體如下：

圖1 消磁系統(tǒng)控制流程圖

1）以太網(wǎng)傳輸延時(shí)，包括網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)1，導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)送導(dǎo)航信息間隔2，網(wǎng)絡(luò)堵塞延時(shí)3，其中1和2是可估的，3是隨機(jī)的，可通過(guò)降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載來(lái)優(yōu)化避免。

2）消磁電流控制儀解算延時(shí)，首先無(wú)論消磁電流控制儀接收導(dǎo)航信息采用查詢模式或者中斷模式，都會(huì)產(chǎn)生延時(shí)4，查詢方式產(chǎn)生的延時(shí)大于中斷模式產(chǎn)生的延時(shí)；其次，控制器內(nèi)部進(jìn)行地磁解算和控制電流換算會(huì)產(chǎn)生延時(shí)5；最后將控制指令發(fā)送給CAN網(wǎng)會(huì)產(chǎn)生延時(shí)6，其中控制指令的幀數(shù)越多，6越大，根據(jù)指令幀數(shù)估算6可達(dá)約1ms。

3）CAN網(wǎng)傳輸延時(shí)，包括網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)7，導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)送導(dǎo)航信息間隔8，網(wǎng)絡(luò)堵塞延時(shí)9，與以太網(wǎng)類似7和8是可估的，9是隨機(jī)的，需要從設(shè)計(jì)上盡量避免的。

4）消磁電源電力電子變換環(huán)節(jié)延時(shí)，包括CAN指令接收延時(shí)10；直流側(cè)濾波電路產(chǎn)生延時(shí)11，接收指令后PI控制器產(chǎn)生的延時(shí)12；輸出電流和負(fù)載電流檢測(cè)回路有前置低通濾波器，來(lái)對(duì)高頻分量進(jìn)行衰減，低通濾波器在濾除高頻分量的同時(shí)會(huì)引起檢測(cè)信號(hào)相位的滯后延時(shí)13；負(fù)載電流和輸出電流信號(hào)經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換，采樣延遲一個(gè)采樣周期14；電流電壓信號(hào)經(jīng)調(diào)節(jié)器產(chǎn)生指令，但是在DSP中進(jìn)行調(diào)制波和載波交截比較產(chǎn)生占空比信號(hào)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生滯后一拍的延時(shí)15。

5）消磁繞組產(chǎn)生的補(bǔ)償延時(shí)，消磁繞組敷設(shè)在殼體內(nèi)或殼體外，可以等效為一個(gè)電感，消磁繞組的電流變化將因?yàn)橄爬@組的等效電感產(chǎn)生一個(gè)延時(shí)16。

總延時(shí)delay為：

假設(shè)艦船以20°/s變化速率水平回轉(zhuǎn)，在消磁繞組穩(wěn)態(tài)補(bǔ)償誤差為0，為確保補(bǔ)償誤差小于1%，求解最大總延時(shí)tdelay。

考慮導(dǎo)航信息更新率為50次/s，即導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)送導(dǎo)航信息間隔2=20 ms，則除去2后delay允許延時(shí)余量為8.7 ms，所以在余下各個(gè)導(dǎo)致系統(tǒng)延時(shí)的環(huán)節(jié)都必須采取措施嚴(yán)格控制延時(shí)時(shí)間。須采取針對(duì)性措施，應(yīng)將系統(tǒng)延時(shí)控制在25 ms范圍內(nèi)，從而保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。針對(duì)以上分析的延時(shí)環(huán)節(jié)，可采取的措施如下：

1）以太網(wǎng)和CAN網(wǎng)環(huán)節(jié)，提高CAN網(wǎng)傳送波特率減少傳送延時(shí)，提高網(wǎng)絡(luò)冗余量以避免堵塞。

2）消磁電流控制儀環(huán)節(jié)，采用中斷方式接收導(dǎo)航信息，簡(jiǎn)化地磁解算算法和控制算法，提高地磁解算算法和控制算法程序效率，提高采用的嵌入式控制芯片的主頻。

3）消磁電源環(huán)節(jié)，采用狀態(tài)觀測(cè)器和雙環(huán)控制提高設(shè)備動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，采用主頻更高的DSP控制芯片，提高消磁電源開(kāi)關(guān)頻率，在滿足濾波效果的前提下，減小輸出濾波環(huán)節(jié)產(chǎn)生的延時(shí)，采用中斷方式接收系統(tǒng)指令。

4）消磁繞組環(huán)節(jié)，采用分步式消磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)替代集中式結(jié)構(gòu)，采用分步式消磁系統(tǒng)后消磁繞組分別由各消磁電源分別供電，各消磁繞組電感量不大。傳統(tǒng)的集中式消磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，全船縱向繞組、橫向繞組和垂向繞組分別串聯(lián)，全船縱向繞組的等效電感約100 mH，除造成響應(yīng)滯后外，還對(duì)消磁電源的安全可靠性造成影響。

2 分布式消磁系統(tǒng)的時(shí)間同步要求

分區(qū)消磁的同步技術(shù)實(shí)際上就是各分區(qū)輸出電流的同步問(wèn)題。消磁系統(tǒng)采用n個(gè)消磁電源模塊分別為n個(gè)消磁繞組供電，由于各消磁電源中串入的電感遠(yuǎn)較各分區(qū)消磁繞組電感值大，加之各分區(qū)消磁繞組電容的影響，致使各分區(qū)之間因消磁繞組電感差別對(duì)各區(qū)時(shí)間常數(shù)的影響很小，由于各消磁電源收到控制指令到輸出電流延遲是一致的，因此只要保證各分區(qū)控制指令同步的，即能夠保證各分區(qū)消磁電源輸出電流同步，從而保證各消磁繞組產(chǎn)生補(bǔ)償磁場(chǎng)同步。

圖2 基于CAN總線的消磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

基于CAN總線結(jié)構(gòu)的分布式消磁系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖2所示，消磁電流控制儀通過(guò)CAN網(wǎng)向n個(gè)消磁電源模塊下發(fā)控制指令，n個(gè)消磁電源模塊通過(guò)CAN網(wǎng)向消磁電流控制儀發(fā)送各消磁電源電壓、電流等工作狀態(tài)信息?？刂葡到y(tǒng)采用何種通訊機(jī)制保證n個(gè)模塊的控制指令實(shí)時(shí)性，是分布式消磁系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

3 消磁系統(tǒng)CAN總線同步控制設(shè)計(jì)

分布式消磁系統(tǒng)CAN網(wǎng)采用CAN 2.0B協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀延時(shí)要求，通訊波特率設(shè)定為250 kbps，通訊數(shù)據(jù)格式低字節(jié)在前，高字節(jié)在后。假設(shè)分布式消磁系統(tǒng)由1臺(tái)消磁電流控制儀控制M臺(tái)消磁電源，同時(shí)由M臺(tái)消磁電源給N套消磁繞組供電。消磁電流控制儀需要向M臺(tái)消磁電源發(fā)送總起停指令，每臺(tái)消磁電源（共M臺(tái)）的起停指令，每套繞組（共N套）所需電流指令（每套繞組的電流指令送至消磁電源的監(jiān)控單元，然后監(jiān)控單元將指令處理后分發(fā)給消磁電源內(nèi)部的電源模塊）。

在每臺(tái)消磁電源中，各消磁電源模塊將各自輸出電壓、電流信號(hào)，工作、停機(jī)、故障信號(hào)（故障信號(hào)包括：短路、輸出過(guò)載、過(guò)溫、輸入欠壓、輸出過(guò)壓）發(fā)送至電源監(jiān)控單元，監(jiān)控單元將信息匯總再反饋信息給消磁電流控制儀，包括每組電源的輸出電壓、電流信號(hào)（即對(duì)應(yīng)某套繞組的電壓、電流），工作、停機(jī)、故障信號(hào)（故障信號(hào)包括：短路、輸出過(guò)載、過(guò)溫、輸入欠壓、輸出過(guò)壓）。

基于上述的通訊協(xié)議和要求，本文借鑒TTCAN時(shí)間觸發(fā)機(jī)制特點(diǎn)，針對(duì)消磁系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制需求和傳輸大量數(shù)據(jù)的需要，根據(jù)CAN的底層協(xié)議，采用數(shù)字分布系統(tǒng)時(shí)間同步總線協(xié)議完成了消磁系統(tǒng)的CAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)議編制。圖3給出基于CAN總線的消磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。為了交換數(shù)據(jù)與同步時(shí)間，消磁電流控制儀作為授時(shí)單元為消磁電源等工作電源提供時(shí)間基準(zhǔn)。消磁電源都嵌入了通訊單元，各通訊單元均包括一個(gè)24位的時(shí)間寄存器，用于保存工作時(shí)間。

圖3 基于CAN總線的消磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1）消磁系統(tǒng)CAN總線協(xié)議數(shù)據(jù)幀

消磁系統(tǒng)CAN網(wǎng)協(xié)議采用CAN數(shù)據(jù)幀擴(kuò)展幀來(lái)完成所述通訊功能。本協(xié)議將擴(kuò)展幀的29位標(biāo)識(shí)符的分配格式如表1所示，數(shù)據(jù)幀包含優(yōu)先級(jí)類型、通訊單元標(biāo)識(shí)ID、流水號(hào)、授時(shí)標(biāo)識(shí)、信息功能碼、時(shí)間信息。

表1 數(shù)據(jù)幀ID結(jié)構(gòu)示意圖

2）消磁系統(tǒng)同步CAN總線協(xié)議流程

如圖4所示，消磁電流控制儀作為授時(shí)單元工作時(shí)發(fā)送廣播校時(shí)幀至各消磁電源工作單元，各消磁電源工作單元根據(jù)廣播校時(shí)幀的時(shí)間信息校正各自的時(shí)間，保持與授時(shí)單元的時(shí)間同步。在時(shí)間同步的基礎(chǔ)上，各消磁電源工作單元發(fā)送工況信息幀傳送至消磁電流控制儀，消磁電流控制儀作為授時(shí)單元根據(jù)工況參數(shù)值決定是否發(fā)出相應(yīng)的控制指令給各消磁電源工作單元。

消磁電流控制儀作為授時(shí)單元將其時(shí)間信息通過(guò)廣播校時(shí)幀對(duì)全網(wǎng)廣播以進(jìn)行統(tǒng)一授時(shí)，廣播校時(shí)幀包含仲裁域的29位標(biāo)識(shí)符的格式如表2所示。優(yōu)先級(jí)類型中00最高優(yōu)先級(jí)，授時(shí)標(biāo)識(shí)字段設(shè)置為0，表示為授時(shí)功能使能；信息功能碼字段設(shè)置為100，表示該幀為校時(shí)幀。時(shí)間分辨率當(dāng)置為00時(shí)表示時(shí)間細(xì)調(diào)，時(shí)間信息寫入到其內(nèi)部的時(shí)間寄存器的低12位。時(shí)間粗調(diào)與時(shí)間細(xì)調(diào)的周期可根據(jù)消磁系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求作相應(yīng)調(diào)整。

圖4 總線協(xié)議時(shí)間同步流程

3）消磁系統(tǒng)CAN總線協(xié)議同步模式

a. 消磁系統(tǒng)CAN網(wǎng)廣播同步模式

表2 廣播校時(shí)幀

b. 消磁系統(tǒng)CAN網(wǎng)單元初始化同步

當(dāng)有新的工作單元，如消磁電源、絕緣監(jiān)測(cè)模塊等加入到CAN總線上時(shí)，該工作單元首先發(fā)送單元初始化幀至消磁電流控制儀，該單元初始化幀包括仲裁域的29位標(biāo)識(shí)符與數(shù)據(jù)域兩部分，該單元初始化幀包括仲裁域的29位標(biāo)識(shí)符與數(shù)據(jù)域兩部分，該初始化幀的格式如表2所示，29位標(biāo)識(shí)符全為1，該工作單元的標(biāo)識(shí)符ID寫入到數(shù)據(jù)域的從高位到低位的第一個(gè)字節(jié)，如表3所示。

表3 單元初始化幀

c. 消磁系統(tǒng)單元初始化同步校時(shí)

如表4所示，消磁電流控制儀接收到該單元初始化幀后將新工作單元的標(biāo)識(shí)符ID和發(fā)送單元校時(shí)幀的指令通知給消磁電流儀授時(shí)單元。

d. 消磁系統(tǒng)單元信息傳送模式

在廣播校時(shí)或單元校時(shí)完成后，各消磁電源將自己的工況信息通過(guò)工況信息幀傳送給消磁電流控制儀，該工況信息幀包括仲裁域的29位標(biāo)識(shí)符與數(shù)據(jù)域兩部分，其格式如表5所示。

表4 單元校時(shí)幀

表5 工況信息幀

4 結(jié)論

實(shí)時(shí)性和同步性對(duì)艦船分布式消磁系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)起到關(guān)鍵作用。艦船分布式消磁系統(tǒng)采用含時(shí)間向量的數(shù)據(jù)信息傳輸與處理的CAN總線頂層標(biāo)準(zhǔn)框架，可為全船現(xiàn)場(chǎng)單元提供一種時(shí)間向量的數(shù)據(jù)幀定義、同步和異步信息權(quán)限分配、可實(shí)現(xiàn)消磁系統(tǒng)BIT故障自診斷，保證控制指令和電源上傳信息完整性和實(shí)時(shí)性；嚴(yán)格控制網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)節(jié)、消磁控制解算環(huán)節(jié)、消磁電源電力電子變換環(huán)節(jié)的響應(yīng)延時(shí)；從實(shí)時(shí)性和同步性兩個(gè)方面保證分布式消磁系統(tǒng)繞組磁場(chǎng)補(bǔ)償精度。

[1] 胡文生. 中型艦船分區(qū)消磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用淺析[J ]. 水雷戰(zhàn)與艦船防護(hù), 2010.

[2] 肖存龍，肖昌漢，李光磊. 分布式消磁系統(tǒng)繞組補(bǔ)償電流快速調(diào)整[J ]. 海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2011.

[3] 唐申生, 周耀忠, 莊清華. 大型艦船分區(qū)消磁理論研究[J ] . 海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2003.

[4] 肖錦棟,費(fèi)敏銳. CAN 現(xiàn)場(chǎng)總線性能評(píng)價(jià)[J ] . 上海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版) ,1997.

[5] 陽(yáng)憲惠. 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其應(yīng)用[M] . 北京:清華大學(xué)出版社,1999.

[6] 劉墩東，周文博.基于CAN總線的智能斷路器控制器設(shè)計(jì)[J].廈門大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2006，45(6):783-788.

[7] 李文華，李可維，余躍聽(tīng)，高原. 數(shù)字分布式系統(tǒng)時(shí)間同步CAN總線協(xié)議研究[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2010.

Design of Synchronization and Real time in Ships Distributed Degaussing System

Li Yusheng1, Yuan Yang1, Geng Pan2, Zuo Chao2

(1. Naval Representatives Office in 431 Factory, Wuhan 430064, China; 2. Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064, China)

U665.18 TP273

A

1003-4862（2014）12-0005-04

2014-10-08

李玉生(1977- )，男，工程師。研究方向：電力系統(tǒng)。