單柄DP控制系統設計

陳相友

（日照港輪駁公司，山東日照 276826）

0 單柄DP全回轉設備控制系統基本原理

單柄DP全回轉設備控制系統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)和Y軸方向電位器(或同步馬達)產生位移，變換成X和Y軸上的電信號，而后把信號送入控制計算機，進行運算、比較、放大，控制電磁閥動作，使液壓馬達旋轉，再通過蝸輪桿帶動導流管螺旋槳按設定方向運轉[1]。單柄DP全回轉設備控制系統原理圖如下：

圖1 單柄DP全回轉設備控制系統原理圖

1 系統設計步驟

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境能力， 為此采取了下述有效步驟：

1.1 硬件沒計

1) 計算機采用“軟”總線結構，使計算機內核部分和外圍通道隔離，外圍通道設備一旦發生故障或損壞，對計算機內核部分的影響或損壞減小到最低。

2) 使用可靠性高的半導體存儲器。

3) 采用有源濾波器，減少各種各樣干擾引起的偽信號。

4) 低阻抗的線路設計，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的同步三相模擬量到數字量轉換的先進技術。

6) 控制系統抗強干擾接口。

1.2 軟件設計

1) 采用數字濾波技術。

2) 采用較強的容錯技術，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。內容包括：自動復位技術；對各種數據、控制字和命令的自動檢測技術，自動糾錯技術；三次檢查后不能糾錯的自動報警技術，堆棧混亂自動修正技術，輸入 輸出快速刷新技術。

圖2 軟件流程圖

2 系統設計原理分析

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

為了實現一只手柄操縱左右兩臺舵槳。設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備。操縱頭實際上是一組結構簡單的萬向機構，在操縱頭內按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，另兩只(X軸方向的2R1和Y軸方向的2R2)接微機。各只傳感器的轉動軸，均由安裝在萬向機構軸伸端的小模數齒輪驅動，借助這套機構，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。當手柄前后傾斜時1R1和2R1轉動；而手柄左右傾斜時，1R2和2R2轉動。當手柄轉向任意時，四只傳感器都將轉動。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。詳細由：8086CPU，程序存儲器(EPROM)，數據存儲器(RAM)，串口驅動器，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、運放調理電路等組成。

輸入輸出接口板(簡稱I/O板)，接口為160pin管腳。詳細由：運放振蕩電路，運放比較和放大電路，運放跟隨電路，光耦隔離驅動電路，達林頓驅動電路，LED邏輯指示電路，SDC模塊（自整角機到數字轉換模塊），保護電路和電源組成。

單手柄操縱器的手柄被扳動時，它所聯接的兩個傳感器就分別輸出電壓信號，它們被傳送至“指令信號轉換板”，將電壓信號轉換為頻率信號(即V/F轉換)，然后再輸送到微機控制系統。控制系統對頻率信號計數和運算，就得到了兩個傳感器轉軸的角度位置，經過運算得出操縱手柄的當前位置。再查表根據“控制規律”進行運算，結合反饋的信號舵角信號進行判斷，確定左、右舵槳應該轉到什么角度位置。

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

舵槳帶動檢測箱中的反饋傳感器轉動，隨時改變著輸入微機的信號：單片機不斷地算出舵槳轉動中的瞬時位置，并將此位置與應該轉到的位置進行比較，一旦這兩種位置相同了(實際上是兩者的差值小于一個預定的誤差值時，即認為兩者相同了)，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，右舵槳同時開始轉動，誰先到達所要求的位置，誰就先停；另一臺則繼續轉動，達到所要求的位置后才停下來。

圖4 單手柄控制規律圖

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

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

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角的關系可以得出公式：

左、右槳轉過的角度應為如下兩部分之代數和：

該系統是帶有反饋裝置的閉環控制系統，控制電位器安裝在由駕駛人員操縱的手柄上，舵角反饋電位器安裝在全回轉舵槳上，與舵槳本體同步回轉。控制電壓和反饋電壓經濾波處理后送入單片機。在單片機內進行A／D轉換和角度運算，然后由單片機輸出左轉或右轉(即左舵和右舵)的控制信號，經過隔離驅動電路，控制液壓電磁閥，最終由液壓執行機構驅動舵槳回轉。

選用精密導電薄膜旋轉電位器作為控制和反饋傳感器，由于全回轉舵槳360匠死區連續回轉，而一般的旋轉電位器都有死區，因此選用雙聯同軸電位器，上下聯錯開精確的角度，互相覆蓋死區，上下聯的輸入信號通過軟件計算為連續的角度，實現無死區的控制。

隔離驅動電路。由于電磁閥屬于電感性負載，為避免其干擾，在實際控制中采用光耦和大功率固態繼電器進行隔離放大驅動。轉舵控制信號由單片機的口輸出，經光電耦合器隔離后，送入固態繼電器K1和K2，由固態繼電器直接驅動電磁閥。

3 結論

本系統研發設計在國內領先，系統研發過程中突破了多項關鍵性技術，如：計算機采用“軟”總線結構，采用二階無差度伺服系統的同步三相模擬量到數字量轉換的先進技術，采用數字濾波技術，自動復位技術；對各種數據、控制字和命令的自動檢測技術，自動糾錯技術；三次檢查后不能糾錯的自動報警技術，堆棧混亂自動修正技術，輸入、輸出快速刷新技術等。研發試驗成功后，可以有效取代對日本技術的依賴，可以縮短備件采購周期、節省費用、保障船舶設備安全，可以達到國內領先水平，創造廣泛的社會效益和經濟效益。

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[1]Niigata Instruction manual. Japan, 2010.

[2]姜錦范. 船舶電站及自動化. 大連：海事大學出版社，2005.

[3]孫旭清 何吉慶. 船舶電機與電氣控制系統. 大連：海事大學出版社, 2009.