0 引言

嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物。嵌入式系统一般可分为处理器、存储器、输入输出（I/O）和配套软件4个部分^[1]。随着船舶推进电机技术的发展，电机节能降耗越来越受到人们重视，嵌入式系统的节能调度算法也逐渐兴起。

研究表明，空闲时间利用电机功率因数是降低异步电机能耗的关键所在，也决定了整个电机推进系统的效率。现阶段针对改善异步电机的效率因数、提高空闲时间利用率基本上有3种途径：一是改变电机的频率；二是改变电机的定子电压；三是对异步电机的整体进行优化。本文通过整合以上3种途径，提出一种基于动态电压的嵌入式系统节能调度算法，该算法对推进电机的节能调度有良好的改善作用。

1 现代船用推进电机节能技术的发展现状

现代船舶推进电机根据用途可分为以下几种：

1）用于驱动泵类和风机的稳定转速的交流异步电动机；

2）用于驱动起锚机和系泊绞车等变极式电动机；

3）用于驱动起重机械或电力推进装置等转速必须控制的电动机^[2]。

交流异步电动机的工作转速要求比较稳定，因此需要配合使用可自动调节的各种阀，对电机负载的突变做出相应的调整。而这种调整相对的会消耗能量，因此调节交流异步电机以低转速运转，是一种节能方式。

船舶上的主机冷却海水泵，通过设置闭环反馈系统，对海水水温进行实时检测，并以此调节电机转速实现节能调节。目前大规模应用的涡流耦合器，就是以此方式提高推进电机的效率实现节能的。

2 一种基于动态电压升降的嵌入式系统节能调度算法 2.1 空闲时间利用算法

空闲时间利用算法主要包括以下2种：

1）静态电压升降（SPM）算法^[3]。是一种电机运行在极端条件下得到的空闲时间算法，该算法是通过空闲时间的静态电压值来对电机进行节能调度，也就是将电机所有的执行任务赋值相同的电压。该算法可以明显提高空闲时间较短的任务利用率，但存在的问题是尽管局部时间段的利用率上升，但整个任务周期的电压会小于正常值，造成电机功率的下降。

2）动态电压升降算法。DPM-P算法^[3]将任务过程的空闲时间通过程序进行累积和再次分配的算法。该算法按照一定比例对空闲时间分配，对未完成任务的时间进行补充，提高了利用率，从而实现了电机运行的节能调度；DPM-G算法^[3]在DPM-P算法的基础上更进一步，对每个任务利用空闲时间的多少不进行限制，相当于将空闲时间最大程度赋予了任务调用，这种算法的利用率更高；而DPM-S算法^[6]是基于对电机整个任务周期的统计学规律，将空闲时间完全按照任务比例分配，利用率最高，节能效果最佳。总的来讲，动态电压升降算法中，DPM-P与DPM-G算法是对空闲时间的再分配的过程，对空闲时间的利用可以较好的实现节能调度。

根据节能调度效果检测可知，基于动态电压的嵌入式系统DPM算法节能调度更加有效率，相对于静态电压SPM算法更灵活，节能效果更好。

2.2 空闲时间利用策略

每个空闲时间对应着自己的动态电压，电压的大小也决定了该空闲时间段的任务分配。实验结果表明，并不是空闲时间的利用率越高，电机的节能效果越好，尤其是电机工作在多任务的工况下。因此，采用最优的策略来实现具体任务与具体空闲时间的匹配显得尤为重要。本文提出了基于动态电压节能调度策略，对统筹空闲时间，实现节能降耗具有显著作用。该策略的具体操作如下：

1）对任务的所有空闲时间进行汇总，在汇总过程中注意不要遗漏和重复。

2）基于动态电压参数对空闲时间进行分配。动态电压参数直观显示了电机的运行负载状况，在分配时以载荷最大的任务为首要任务，分配其电压可以降低一个等级的空闲时间（单位空闲时间），然后降低一个电压等级进行调度测试，如果调度效果明显则将电压降低，将该时间段分配给低负载的任务；如果调度效果差，则维持该动态电压，将负载设置为0，空闲时间重新归入累积函数。

这种空闲时间利用策略的特点就是针对周期内每个任务，逐级、交替的降低电压，实现对空闲时间的统筹利用。

2.3 动态电压节能调度系统

在船舶推进电机的嵌入式系统中，通过对电机动态电压进行实时监测，以调节系统的功率因数，可以实现电机节能调度^[3]。电机的动态电压升降直接影响电机的工作状态，理论上电压越高，系统的处理器频率越高，对调度信号的反应快，但是耗电增加；电压降低，耗电减少的同时电机对调度信号的反应能力大打折扣。

电机嵌入式节能控制系统的核心就是通过数据采集I/O端口，采集异步电机电压与电流，得到相位差，进而通过程序得出功率因数，以此对电压进行动态调节，适应电机的载荷。步进电机的运行效率提高，同时降低了无用功的功率损耗，实现了节能调度。其硬件结构如图 1所示。

节能调度控制器主要包括：电流电压采集、信号处理电路、光隔离模块、IPM、处理器微单元和相应的电路。微处理器采用的是TI公司TMs320F2812电机控制芯片。该节能调度控制器主要针对电机的空闲时间动态电压来对电机实时调节。整个控制系统在初始化后首先确定AD数据的采集周期，然后采集电机的定子动态工作电压，进入功率因数计算程序、电机控制子程序，实现对步进电机的节能调度。

2.4 嵌入式节能控制器

针对上述空闲时间算法和应用策略，嵌入式系统节能控制器需要充分考虑空闲时间的相对独立性、不可累积性和非线性等特点^[3]。

电机在一段时间T内消耗的电量为：

$C = \sum\limits_{k = 0}^{n - 1} {IK} \left[ {\Delta k + 2\sum\limits_{m = 1}^\infty {\frac{{{{\rm{e}}^{ - \beta {{\rm{m}}^2}\left( {T - tk} \right)}} - {{\rm{e}}^{ - {\beta ^2}{{\rm{m}}^2}\left( {T - tk} \right)}}}}{{{\beta ^2}{{\rm{m}}^2}}}} } \right]\text{。}$

(1)

式中：β为电机的非线性矫正参数；I_k 为[T_k ，T_k+1]时间段内电流的平均值；T₀=0，T_n =T，Δk=T_i+1 -T_k 。这里用n段阶跃函数来近似表示n个任务运行期间的电流。

由式（1）可知，在电机执行多个任务时，耗电量与动态电压的均值成正比例，通过检测电机的动态电压，实时调节系统的占空比，就可以改善功率因数，降低能耗。该反馈控制单元流程如图 2所示：

根据图 2，取2个相邻时刻的动态电压，计算2个动态电压的差值并计算电机的功率因数，在此基础上间接、分步地利用空闲时间、控制处理器单元的频率和运行时长。通过功率因数和占空比的反馈，控制电机的运行状态。

实现该节能调度流程的嵌入式系统硬件控制部分为TMs320F2812控制器，该控制器自带有PWM输出端口。在程序的控制过程中，首先根据步进电机的工作载荷计算出所需要的初始占空比和运行周期，将该值赋予管理器中的寄存器，并根据反馈模块对其调节，以实现电机运行状态的控制。

初始启动状态下，为了实现电机启动过程的节能（电机启动过程耗电量往往大于正常运转状态耗电量），需要将PWM占空比设置为2倍额定电流对应的占空比；当电机出现电流异常时，将占空比设置为0，让步进电机停转，与此同时接通警报电路，对电机的异常状况报警；电机正常工作时，根据上述功率因数计算程序对电机的运行状态和载荷进行判断，并计算出对应的占空比和周期，从TMs320F2812的PWM端口输出控制信号。

3 结语

本文提出了一种新型的基于动态电压升降的嵌入式系统节能调度算法，通过对控制模块TMs320F2812控制器进行编程，实现了电机功率因数的动态调节、动态电压的实时监测和电机运行状态的控制。实验结果显示，通过统筹空闲时间的调度算法对电机功耗有明显的降低作用。