自動舵固態(tài)軸角發(fā)送系統(tǒng)的研究

曹自力等

摘要： 該文提出了一種用于自動舵舵角指示系統(tǒng)的固態(tài)軸角發(fā)送系統(tǒng)，利用CAN總線接收舵角指令了，驅(qū)動軸角指示自整角機(jī)旋轉(zhuǎn)，通過數(shù)字接口方式大大擴(kuò)展了軸角顯示應(yīng)用范圍，可以用于任何具有微機(jī)控制領(lǐng)域的角度顯示，具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢，在自動舵系統(tǒng)中應(yīng)用該固態(tài)軸角發(fā)送系統(tǒng)大大減少系統(tǒng)噪聲，提高自動舵整體性能。

關(guān)鍵詞： 自動舵；固態(tài)發(fā)送；自整角機(jī)

中圖分類號：TP21 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）04-0206-03

操舵儀有自動操舵儀（俗稱電羅經(jīng)或磁羅經(jīng)操舵自動跟蹤操舵儀）、隨動操舵儀（俗稱舵輪操舵，包括遙控操舵）和應(yīng)急操舵儀（俗稱手動操舵、手柄操舵），自動操舵儀是按照設(shè)定的航向直線運(yùn)行；隨動操舵儀是按照駕駛員的指令，按一定的舵角做回轉(zhuǎn)運(yùn)動，只要合理使用，能使船舶處于最佳航行狀態(tài)；為了保證自動舵的航行控制精度，必須要保證航向和舵角的采集精度和復(fù)示精度[1]。傳統(tǒng)應(yīng)用中，利用力矩式自整角機(jī)驅(qū)動舵角指令或者航向接收電機(jī)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的大量應(yīng)用無法與數(shù)字系統(tǒng)匹配，無法直接使用現(xiàn)有數(shù)字接口通信。

本文提出的使用微控制器和乘法型DAC設(shè)計(jì)的固態(tài)軸角發(fā)送模塊，可以直接驅(qū)動自整角機(jī)，代替了發(fā)送電機(jī)，使得系統(tǒng)更加容易接入數(shù)字系統(tǒng)。

1 乘法型DAC應(yīng)用技術(shù)

所有數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）都提供與數(shù)字設(shè)置增益和所施加基準(zhǔn)電壓之積成比例的輸出。乘法DAC與固定基準(zhǔn)電壓DAC不同，因?yàn)樗梢詫⒏叻直媛蕯?shù)字設(shè)置增益應(yīng)用施加到可變帶寬模擬信號上[2]。該文將討論電阻梯乘法DAC及其對交流信號處理應(yīng)用的適用性。電阻（R-2R）梯用于運(yùn)算放大器反饋電路，提供數(shù)字控制電流，電流經(jīng)RFB轉(zhuǎn)換成輸出電壓，放大器以低阻抗提供此輸出[3]?；鶞?zhǔn)電壓輸入具有恒定的對地電阻R。圖2顯示了該工作原理。圖2a中，源電流VREF/R的一半由開關(guān)S1導(dǎo)引連接至放大器負(fù)輸入（虛地側(cè)）的IOUT1或?qū)б恋兀ㄒ话惴QIOUT2） 。同理，剩余電流的一半由開關(guān)S2導(dǎo)引……如此類推。如果開關(guān)由一個數(shù)字字D（S1是MSB）激活，則流經(jīng)RFB（=R）的IOUT1端電流之和為D ×2^n ×VREF/R。此配置的重要優(yōu)勢包括：可最大程度地降低瞬態(tài)，因?yàn)殚_關(guān)在地和虛地之間切換；RFB與梯形電阻片

內(nèi)匹配，具備出色的溫度跟蹤性能。AD5544/AD5554分別是16/14位、電流輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC），工作電壓范圍為2.7 V至5.5 V。滿量程輸出電流由所施加的外部基準(zhǔn)輸入電壓（VREFX）決定。與外部電流至電壓精密放大器配合使用時，集成的反饋電阻（RFB）可提供溫度跟蹤和滿量程電壓輸出。

自整角機(jī)激磁交流信號通過電子變壓器隔離作為AD5544參考電壓，根據(jù)自整角機(jī)信號函數(shù)關(guān)系，三相信號呈對稱三角關(guān)系，相位與激磁信號相同，幅值滿足對稱三角形關(guān)系。利用AD5544可以實(shí)現(xiàn)16位精度的幅值控制。

2 功率放大電路

由于自整角機(jī)三相信號電壓幅值最大可以達(dá)到90V，而AD5544通過運(yùn)放輸出電壓最高為15V，幅值與功率都要放大。為了實(shí)現(xiàn)滿角度范圍內(nèi)的幅值控制必須采用高壓高功率放大。根據(jù)功率要求選用APEX公司的P58A大功率高壓運(yùn)放，最大輸出電流可達(dá)2A，滿足系統(tǒng)的功率要求。

由于功率輸出受負(fù)載影響較大，負(fù)載電機(jī)由于受到外部環(huán)境的影響，阻力和負(fù)載會變化很大。造成輸出電流波動較大，而且負(fù)載又是感性負(fù)載，更容易造成尖峰電壓的波動。為此，功率輸出電路的保護(hù)亦為重要，輸出采用過流過壓保護(hù)雙重保護(hù)，使用雙向TVS管和自恢復(fù)保險(xiǎn)絲，對輸出電壓進(jìn)行瞬態(tài)保護(hù)。為了提高輸出功率還可以增加調(diào)諧電容，使得并聯(lián)電容與電感達(dá)到諧振，改善輸出負(fù)載品質(zhì)因數(shù)，降低輸出電流。功率輸出電路如圖4所示。

3 結(jié)束語

本文所提出的自整角機(jī)固態(tài)發(fā)送模塊已經(jīng)用于自動舵舵角和航向復(fù)示系統(tǒng)，可以直接和現(xiàn)有的數(shù)字系統(tǒng)通信匹配，大大提高了系統(tǒng)的靈活性。通過實(shí)際使用驗(yàn)證，該固態(tài)發(fā)送模塊可以代替自整角機(jī)發(fā)送機(jī)，可以應(yīng)用于更多使用測量角度的場合。

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