單柄DP控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳相友

（日照港輪駁公司，山東日照 276826）

0 單柄DP全回轉(zhuǎn)設(shè)備控制系統(tǒng)基本原理

單柄DP全回轉(zhuǎn)設(shè)備控制系統(tǒng)基本原理是由操縱臺上單柄傾倒、帶動操縱臺下X軸方向電位器(或同步馬達(dá))和Y軸方向電位器(或同步馬達(dá))產(chǎn)生位移，變換成X和Y軸上的電信號，而后把信號送入控制計(jì)算機(jī)，進(jìn)行運(yùn)算、比較、放大，控制電磁閥動作，使液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，再通過蝸輪桿帶動導(dǎo)流管螺旋槳按設(shè)定方向運(yùn)轉(zhuǎn)[1]。單柄DP全回轉(zhuǎn)設(shè)備控制系統(tǒng)原理圖如下：

圖1 單柄DP全回轉(zhuǎn)設(shè)備控制系統(tǒng)原理圖

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟

由于裝置是船舶航行的操縱裝置， 必須具有極高的可靠性和抗惡劣環(huán)境能力， 為此采取了下述有效步驟：

1.1 硬件沒計(jì)

1) 計(jì)算機(jī)采用“軟”總線結(jié)構(gòu)，使計(jì)算機(jī)內(nèi)核部分和外圍通道隔離，外圍通道設(shè)備一旦發(fā)生故障或損壞，對計(jì)算機(jī)內(nèi)核部分的影響或損壞減小到最低。

2) 使用可靠性高的半導(dǎo)體存儲器。

3) 采用有源濾波器，減少各種各樣干擾引起的偽信號。

4) 低阻抗的線路設(shè)計(jì)，使電路在濕度大的情況下也能正常工作。

5) 采用二階無差度伺服系統(tǒng)的同步三相模擬量到數(shù)字量轉(zhuǎn)換的先進(jìn)技術(shù)。

6) 控制系統(tǒng)抗強(qiáng)干擾接口。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

1) 采用數(shù)字濾波技術(shù)。

2) 采用較強(qiáng)的容錯技術(shù)，它對外界干擾引起的差錯和自身偶然差錯必須有自動糾正能力，以保證裝置正常工作。內(nèi)容包括：自動復(fù)位技術(shù)；對各種數(shù)據(jù)、控制字和命令的自動檢測技術(shù)，自動糾錯技術(shù)；三次檢查后不能糾錯的自動報(bào)警技術(shù)，堆?；靵y自動修正技術(shù)，輸入 輸出快速刷新技術(shù)。

圖2 軟件流程圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理分析

舵槳回轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)的核心是微機(jī)控制系統(tǒng)[2]。微機(jī)控制系統(tǒng)包括發(fā)送控制信號的傳感器和發(fā)送反饋信號的傳感器，微機(jī)控制器，多路轉(zhuǎn)換器，以及舵槳轉(zhuǎn)角指示裝置。微機(jī)控制系統(tǒng)的控制對象是液壓系統(tǒng)的三位四通電磁閥(控制舵槳的轉(zhuǎn)動方向和轉(zhuǎn)動/停止)，以及二位三通電磁閥(控制舵槳的快慢速轉(zhuǎn)動)：微機(jī)與電磁閥之間的連接就是通過多路轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)的[3]。微機(jī)的多路轉(zhuǎn)換器安裝在駕駛室的操縱臺內(nèi)。為了抗干擾，在系統(tǒng)中設(shè)置了“看門狗”，在位置信號傳輸過程中采用了V/F轉(zhuǎn)換。輸入輸出電路中采用了光電隔離。

為了實(shí)現(xiàn)一只手柄操縱左右兩臺舵槳。設(shè)置了一套單手柄操縱器，它包括一組單手柄操縱頭和裝于左右舵槳上的兩套檢測設(shè)備。操縱頭實(shí)際上是一組結(jié)構(gòu)簡單的萬向機(jī)構(gòu)，在操縱頭內(nèi)按X軸和Y軸方向布置4只傳感器：其中兩只(X軸方向的1R1和Y軸方向的1R2)接微機(jī)，另兩只(X軸方向的2R1和Y軸方向的2R2)接微機(jī)。各只傳感器的轉(zhuǎn)動軸，均由安裝在萬向機(jī)構(gòu)軸伸端的小模數(shù)齒輪驅(qū)動，借助這套機(jī)構(gòu)，可將操縱手柄朝各個方向的位置移動，變化成各只傳感器的角位移。當(dāng)手柄前后傾斜時1R1和2R1轉(zhuǎn)動；而手柄左右傾斜時，1R2和2R2轉(zhuǎn)動。當(dāng)手柄轉(zhuǎn)向任意時，四只傳感器都將轉(zhuǎn)動。手柄自垂直位置向任意方向傾斜的最大角為30度。

圖3 單手柄原理示意圖

CPU控制板（簡稱主板），接口為160pin管腳。詳細(xì)由：8086CPU，程序存儲器(EPROM)，數(shù)據(jù)存儲器(RAM)，串口驅(qū)動器，中斷控制芯片，時鐘芯片，譯碼器和鎖存器，以及12bit-ADC、74系列邏輯變換電路，參考電壓源、運(yùn)放調(diào)理電路等組成。

輸入輸出接口板(簡稱I/O板)，接口為160pin管腳。詳細(xì)由：運(yùn)放振蕩電路，運(yùn)放比較和放大電路，運(yùn)放跟隨電路，光耦隔離驅(qū)動電路，達(dá)林頓驅(qū)動電路，LED邏輯指示電路，SDC模塊（自整角機(jī)到數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊），保護(hù)電路和電源組成。

單手柄操縱器的手柄被扳動時，它所聯(lián)接的兩個傳感器就分別輸出電壓信號，它們被傳送至“指令信號轉(zhuǎn)換板”，將電壓信號轉(zhuǎn)換為頻率信號(即V/F轉(zhuǎn)換)，然后再輸送到微機(jī)控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)對頻率信號計(jì)數(shù)和運(yùn)算，就得到了兩個傳感器轉(zhuǎn)軸的角度位置，經(jīng)過運(yùn)算得出操縱手柄的當(dāng)前位置。再查表根據(jù)“控制規(guī)律”進(jìn)行運(yùn)算，結(jié)合反饋的信號舵角信號進(jìn)行判斷，確定左、右舵槳應(yīng)該轉(zhuǎn)到什么角度位置。

同時，傳感器根據(jù)舵槳的當(dāng)前位置輸出電壓信號，送到集成的反饋信號“IO板”，將電壓信號轉(zhuǎn)換為12 bit并行數(shù)字信號，然后傳入控制系統(tǒng)中。此信號經(jīng)微機(jī)計(jì)數(shù)和運(yùn)算后，得到反饋信號傳感器轉(zhuǎn)軸的當(dāng)前位置，同時也得出了左、右舵槳的當(dāng)前位置。再將左、右舵槳的當(dāng)前位置與應(yīng)該轉(zhuǎn)到的位置分別進(jìn)行比較，即可得出每一舵槳應(yīng)該轉(zhuǎn)動的角度和應(yīng)該轉(zhuǎn)動的方向單片機(jī)的運(yùn)算部件得出左、右舵槳應(yīng)該轉(zhuǎn)到的角度和轉(zhuǎn)動方向后，立即通過輸出接口的大功率三極管（達(dá)林頓管），向三位四通電磁換向閥中的相應(yīng)電磁鐵輸出電流，使滑閥朝著所要求的方向移動，接通液壓馬達(dá)油路，由它驅(qū)動舵槳回轉(zhuǎn)。

舵槳帶動檢測箱中的反饋傳感器轉(zhuǎn)動，隨時改變著輸入微機(jī)的信號：單片機(jī)不斷地算出舵槳轉(zhuǎn)動中的瞬時位置，并將此位置與應(yīng)該轉(zhuǎn)到的位置進(jìn)行比較，一旦這兩種位置相同了(實(shí)際上是兩者的差值小于一個預(yù)定的誤差值時，即認(rèn)為兩者相同了)，輸出給電磁換向閥的電流就被切斷了，于是滑閥在彈簧的作用下回到中間位置，舵槳就停在所要求的位置。上述控制過程的程序動作是：左，右舵槳同時開始轉(zhuǎn)動，誰先到達(dá)所要求的位置，誰就先停；另一臺則繼續(xù)轉(zhuǎn)動，達(dá)到所要求的位置后才停下來。

圖4 單手柄控制規(guī)律圖

上圖中所示的左槳和右槳反饋值分別為：Pf和Sf。左、右槳轉(zhuǎn)角(位置)與其對應(yīng)的反饋值Pf和Sf的關(guān)系，設(shè)手柄在Y軸上從中心推到正車全速。

給出對應(yīng)的電壓值PTy從0 V～10 V。相應(yīng)的槳轉(zhuǎn)動的角度為0°- 90°，左槳對應(yīng)的反饋電壓值為5 V～7.5 V。所以螺旋槳每轉(zhuǎn)過1°，反饋值變化(2.5 V／90°=0.0277 V。手柄位PTy與螺旋槳應(yīng)轉(zhuǎn)角度反饋電壓值Pf(Sf)的關(guān)系為：

若手柄推到第一象限任意位置時，由單手柄位置與左右槳轉(zhuǎn)角的關(guān)系可以得出公式：

左、右槳轉(zhuǎn)過的角度應(yīng)為如下兩部分之代數(shù)和：

該系統(tǒng)是帶有反饋裝置的閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制電位器安裝在由駕駛?cè)藛T操縱的手柄上，舵角反饋電位器安裝在全回轉(zhuǎn)舵槳上，與舵槳本體同步回轉(zhuǎn)。控制電壓和反饋電壓經(jīng)濾波處理后送入單片機(jī)。在單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換和角度運(yùn)算，然后由單片機(jī)輸出左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)(即左舵和右舵)的控制信號，經(jīng)過隔離驅(qū)動電路，控制液壓電磁閥，最終由液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動舵槳回轉(zhuǎn)。

選用精密導(dǎo)電薄膜旋轉(zhuǎn)電位器作為控制和反饋傳感器，由于全回轉(zhuǎn)舵槳360匠死區(qū)連續(xù)回轉(zhuǎn)，而一般的旋轉(zhuǎn)電位器都有死區(qū)，因此選用雙聯(lián)同軸電位器，上下聯(lián)錯開精確的角度，互相覆蓋死區(qū)，上下聯(lián)的輸入信號通過軟件計(jì)算為連續(xù)的角度，實(shí)現(xiàn)無死區(qū)的控制。

隔離驅(qū)動電路。由于電磁閥屬于電感性負(fù)載，為避免其干擾，在實(shí)際控制中采用光耦和大功率固態(tài)繼電器進(jìn)行隔離放大驅(qū)動。轉(zhuǎn)舵控制信號由單片機(jī)的口輸出，經(jīng)光電耦合器隔離后，送入固態(tài)繼電器K1和K2，由固態(tài)繼電器直接驅(qū)動電磁閥。

3 結(jié)論

本系統(tǒng)研發(fā)設(shè)計(jì)在國內(nèi)領(lǐng)先，系統(tǒng)研發(fā)過程中突破了多項(xiàng)關(guān)鍵性技術(shù)，如：計(jì)算機(jī)采用“軟”總線結(jié)構(gòu)，采用二階無差度伺服系統(tǒng)的同步三相模擬量到數(shù)字量轉(zhuǎn)換的先進(jìn)技術(shù)，采用數(shù)字濾波技術(shù)，自動復(fù)位技術(shù)；對各種數(shù)據(jù)、控制字和命令的自動檢測技術(shù)，自動糾錯技術(shù)；三次檢查后不能糾錯的自動報(bào)警技術(shù)，堆?；靵y自動修正技術(shù)，輸入、輸出快速刷新技術(shù)等。研發(fā)試驗(yàn)成功后，可以有效取代對日本技術(shù)的依賴，可以縮短備件采購周期、節(jié)省費(fèi)用、保障船舶設(shè)備安全，可以達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平，創(chuàng)造廣泛的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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[1]Niigata Instruction manual. Japan, 2010.

[2]姜錦范. 船舶電站及自動化. 大連：海事大學(xué)出版社，2005.

[3]孫旭清 何吉慶. 船舶電機(jī)與電氣控制系統(tǒng). 大連：海事大學(xué)出版社, 2009.