小型船舶柴油機主機電動遙控系統設計

吳先德，彭武平，趙文，占政

（洪湖航道管理處，湖北荊州，433200）

小型船舶柴油機主機電動遙控系統設計

吳先德，彭武平，趙文，占政

（洪湖航道管理處，湖北荊州，433200）

針對小型船舶使用特點，設計了一套適合小型船舶柴油機的主機電動遙控系統。主要闡述了系統的控制原理、硬件結構和軟件設計。通過設計實現，表明主機電動遙控系統在控制柴油機離合器和油門移動時的行程精度高達3 mm，且運行穩定可靠，完全符合船用各項指標。

小型船舶；主機電動遙控；柴油機；數據采集；狀態切換；電機控制

引言

近年來，中國造船業處于快速成長階段，但設計能力落后，配套產業發展滯后，大量電子設備和核心裝備依賴進口，一直是制約行業發展的主要瓶頸[1]。主機電動遙控系統是船舶自動化系統的核心，國內該系統一般是針對中大型船舶而設計，其設計復雜、價格昂貴、安裝繁瑣、操作難度大、維護成本高。小型船舶一般不需要復雜的設計和控制方法，但市場上很難找到合適的主機電動遙控系統，而不得不進口[2,3]。

本文根據小型船舶使用特點，量身設計了一套適合其柴油機的主機電動遙控系統。

1 系統結構與工作原理

主機遙控是指離開機器，在駕駛臺或集中控制室對主機進行遠距離操縱的方式。對于小型船舶而言，只需控制臺單一控制即可，同時去掉集控室、值班室等的控制切換功能[4,5]。如圖1所示為主機電動遙控系統結構總體框圖，CPU單元通過檢測單元1獲取控制臺操作車鐘手柄下發的控制指令，并根據控制指令分別驅動電動機1和電動機2，兩者通過機械裝置拖動柴油機離合器和油門進行移動，檢測單元2和檢測單元3分別檢測電動機1和電動機2的移動行程，發送回CPU單元，從而判斷柴油機離合器和油門是否移動到指定位置。

圖1 系統結構總體框圖

2 系統硬件設計

2.1 CPU單元

CPU單元是整個系統的核心，它需要采集檢測單元的數據，并結合特定的控制算法驅動電機帶動機械裝置，控制柴油機離合器和油門的移動，從而實現主機電動遙控系統的所有功能。CPU單元性能越高，功能越強，外圍電路就可以設計得越簡單，實現控制算法也將更容易，因此CPU單元的性能、功能、穩定性、可靠性至關重要[6]。

采用STM32F407ZG作為CPU單元。它已廣泛應用于電機驅動、應用控制、PLC、變頻器等眾多領域，是基于高性能的ARM?Cortex?-M4F的32位RISC內核，工作頻率高達168 MHz。Cortex-M4F核心功能支持所有ARM單精度數據處理指令和數據類型的單精度浮點單元（FPU），除此之外還實現了一套完整的DSP指令和內存保護單元（MPU），從而提高應用程序運行的穩定性、可靠性。

2.2 檢測單元

檢測單元主要是檢測控制臺的控制指令及柴油機離合器和油門的行程。控制臺是由操作員操作一個車鐘手柄，而車鐘手柄拖動一個電位器，根據電位器所處的不同位置為主機電動遙控系統下發指令。柴油機離合器和油門所處的位置也是由電動機通過機械裝置分別拖動一個電位器來識別的。

為了識別電位器的位置信號，本項目在電位器兩端加載一個標準的5 V電壓信號，然后檢測電位器中間點的電壓，從而獲取電位器所處位置。

檢測單元的精度直接決定了本系統控制的精細度。系統控制精細度越高，操作就越精準，控制就越準確。采用了廣泛應用于電力電子領域的高精度5 V電源芯片ADR02AR，其電壓輸出范圍為4.995 V~5.005 V，以及一個高精度模數轉換芯片AD7606BSTZ-4，其分辨率可達1/32768。

檢測單元硬件電路包括信號調理電路與AD采樣電路。信號調理電路主要把電位器中間點的電壓信號進行隔離、放大、再隔離之后送給AD采樣電路，如圖2所示。AD采樣電路的功能是把信號調理電路輸出的電壓信號進行模數轉換，然后把轉換結果送給CPU單元。

圖2 信號調理電路硬件設計圖

2.3 電機驅動

采用12 V有刷直流電機，針對不同電機應選擇相對應的驅動。簡單而言，功率大的電機應選用內阻小、電流容許大的驅動，功率小的電機反之。

電機驅動較常規的方法是采用PWM控制，該技術是利用半導體開關的通斷，使得直流電壓隨著半導體開關的通斷而變化。半導體開關導通時，直流電壓為高電平狀態，反之亦然，從而把直流電壓變成了脈沖信號，那么通過改變半導體開關通斷狀態就可以改變PWM信號的頻率或脈沖寬度，即改變了直流電壓的平均值，從而達到直流電機調速的目的[7, 8]。

采用飛思卡爾半導體公司的集成橋式驅動芯片MC33886。其最大驅動電流為5 A，導通電阻為140 mΩ，PWM頻率最大為10 kHz。芯片內置了控制邏輯、電荷泵、門驅動電路，并且集成了短路保護、欠壓保護、過溫保護等功能，體積小巧，使用簡單。

3 系統軟件設計

系統軟件主要包括：AD7606數據采集程序、狀態切換程序、電機控制程序等。

3.1 AD7606數據采集程序

AD7606數據采集程序負責讀取模數轉換的結果，從而獲取控制臺及柴油機離合器和油門所拖動電位器的具體位置。AD7606采集程序是由TIM2中斷和AD7606轉換完成觸發的外部中斷來實現的。TIM2設置的是一個定時100 μs的中斷，中斷程序內部會立即觸發AD7606開始模數轉換，同時每觸發一次模數轉換，外部中斷計數器(num)加1。AD7606的轉換時間是4 μs，如果運行正常，則4 μs以后會產生一個AD7606外部中斷。在外部中斷程序中，首先讀取AD7606數據，其次清空外部中斷計數器num，如果在TIM2中檢測到num大于5，表示AD7606連續5次未觸發外部中斷，說明AD7606已被鎖死，應立即復位，重新等待TIM2中斷的到來。如圖3所示為AD7606數據采集程序框圖。

圖3 AD7606數據采集程序框圖

3.2 狀態切換程序

狀態切換程序是根據控制臺車鐘手柄所拖動的電位器所處的位置解析出控制臺所發出的指令。

系統狀態分三種：停止、前車、倒車。分別代表目前船舶處于停止、前進、倒退狀態。這三種狀態的切換依據是檢測到的控制臺車鐘手柄所拖動的電位器中間點電壓信號實時值Actual Data：在停止狀態時，若Actual Data大于前車開始位置Forward Start Point，狀態直接切換為前車狀態，反之直接切換為倒車狀態；在前車狀態時，只有Actual Data小于或等于Forward Start Point，方切換為停止狀態；在倒車狀態時，只有Actual Data大于或等于Reverse Start Point方切換為停止狀態。為安全起見，前車和倒車狀態之間不能直接切換。

3.3 電機控制程序

電機控制程序主要是根據系統所處的狀態來控制拖動離合器和油門的電機移動。如果系統處于停止狀態，則首先檢查油門是否復位，若未復位，則驅動電機使其復位。再檢查離合器是否復位，若未復位，則驅動電機也使其復位。

圖4 電機控制程序框圖

如果系統處于前車狀態，首先檢查離合器是否處于前車位置，若否，則驅動電機使之，然后根據控制臺車鐘手柄的位移量程，按一定比例計算出油門所應處的行程，驅動電機移動油門到恰當位置。系統處于倒車狀態與前車狀態的過程一致，不再贅述。圖4所示為電機控制程序框圖。

4 設計實現

新研制出的柴油機主機電動遙控系統與ZF公司的MC2000-2控制手柄相連接，設定好離合器與油門的機械行程后，反復操作控制手柄發出前車、加油門、倒車、加油門、停機等指令，主機電動遙控系統驅動直流電機拖動機械裝置控制離合器的掛擋和油門的推進等都按照預定方式運行，且控制的離合器和油門移動的行程精度達3 mm，系統運行穩定可靠，完全符合主機電動遙控系統船用的各項指標。如圖5所示為正在運行中的主機電動遙控系統。

圖5 運行中的主機電動遙控系統

5 結束語

本文所設計的小型船用柴油機主機電動遙控系統，根據小型船舶的特點量身定做，具有成本低、操作簡單、維護方便、運行可靠等特點，解決了目前主機電動遙控系統主要依賴進口，小型船舶選擇不到適合的主機電動遙控系統的尷尬局面。

[1]曹輝,賈寶柱,張均東.嵌入式船舶主機遙控系統的設計與實現[J].中國造船, 2013(2): 158-164.

[2]趙旭,貴忠東,范杰.基于嵌入式控制器的船舶主推進控制系統設計[J].船舶工程,2015, 37(1): 146-149.

[3]周航.船舶新型主推進遙控系統的研究[D].武漢:中國艦船研究院,2013.

[4]廖承林, 陳慧巖, 孫業保,等. 動力控制系統中柴油機控制模塊的研究與開發[J]. 北京理工大學學報, 2001, 21(6):684-688.

[5]孫建波.船舶柴油主推進裝置及其控制系統的建模與仿真研究[D].大連:大連海事大學,2007.

[6]周中孝.嵌入式ARM系統開發與實戰[M].北京:電子工業出版社, 2014.

[7]王曉明.電動機的單片機控制[M].北京:北京航空航天大學出版社,2002.

[8]李維軍, 韓小剛, 李晉. 基于單片機用軟件實現直流電機PWM調速系統[J]. 機電一體化, 2004, 10(5):49-51.

Design on Electric Remote Control System for Diesel Engine in Small-scale Marine

WU Xian-de, PENG Wu-ping, ZHAO Wen, ZHAN Zheng
(Honghu Waterway Management Office, Jingzhou, Hubei,433200, China)

According to the characteristics of small-scale marine, a set of electric remote control system for its diesel engine is designed. The system control principle as well as design of hardware and software is described. Realization of design shows that the electric remote control system has stroke accuracy of up to 3 mm in the control of diesel engine clutch and throttle movement. The operation is stable and reliable, fully satisfying indicators for marine use.

Small-scale Marine; Electric Remote Control; Diesel; Data Acquisition; Status Switching; Electric Machine Control

U664.82

A

2095-8412 (2016) 06-1124-04

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.06.018

吳先德(1968-)，男，工程師，輪機工程本科。主要從事船舶設備管理工作。