旋轉(zhuǎn)驅(qū)動型自動舵系統(tǒng)研究

徐 峰，梁炯炯，黃毫軍，陳岱岱,2

(1. 中電科（寧波）海洋電子研究院有限公司，浙江 寧波 315000；2. 哈爾濱工程大學(xué) 動力與能源工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

船舶自動操舵儀，可用于保持船舶在給定航向或航跡上航行，是船舶運動控制關(guān)鍵操縱設(shè)備之一[1–2]。通過應(yīng)用自動舵能使船舶航跡更接近直線，有效避免人為頻繁操舵造成的“蛇形”航跡，從而具有更好的節(jié)能和經(jīng)濟效益[3]。我國對自動舵系統(tǒng)進行了多年研究，并研制成功一批實際產(chǎn)品，但這些研究和應(yīng)用主要集中在電動液壓舵機系統(tǒng)及其控制算法方面，通過控制電磁閥啟閉來實現(xiàn)舵運動的控制[4–5,6]。

然而現(xiàn)有數(shù)量龐大的舊式船舶操舵系統(tǒng)仍然采用人力驅(qū)動舵輪，進而帶動液壓轉(zhuǎn)向器旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)船舶航向控制。在智慧航行以及節(jié)能減排的新形勢下，傳統(tǒng)船舶全液壓轉(zhuǎn)向器操舵系統(tǒng)存在的精度低、能效差、人工操舵強度大等問題日益突出，因此對傳統(tǒng)舵機系統(tǒng)改造或換裝升級的需求愈加旺盛。目前也缺少針對帶全液壓轉(zhuǎn)向器的舵機進行自動舵升級改造的研究。另一方面，如果加裝電磁閥型自動舵，則必須在現(xiàn)有舵機基礎(chǔ)上加裝電磁閥，對油路改動較大。

為了解決上述問題，本文提出了一種旋轉(zhuǎn)驅(qū)動型自動舵系統(tǒng)，通過設(shè)計基于STM32的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，對傳統(tǒng)液壓轉(zhuǎn)向器舵機改進，在不改動油路的前提下，實現(xiàn)舵機自動化升級，有效減輕操舵強度，提高航跡精度，降低船舶燃油消耗。

1 傳統(tǒng)液壓轉(zhuǎn)向舵機系統(tǒng)

傳統(tǒng)液壓轉(zhuǎn)向舵機系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖 1 傳統(tǒng)液壓換向舵機原理圖Fig. 1 Principle of traditional rudder based on hydraulic commutator

系統(tǒng)工作時，通過操舵手轉(zhuǎn)動舵輪5經(jīng)由液壓轉(zhuǎn)向器6控制高壓油流向，進而推動舵機兩側(cè)液壓缸的伸縮，實現(xiàn)對舵葉的控制。其余結(jié)構(gòu)為液壓油路部件。

裝備全液壓轉(zhuǎn)向器舵機轉(zhuǎn)舵迅速且操舵扭矩小；轉(zhuǎn)向器可定量供油，舵輪能夠在任意位置停留[7]。因此，中小型漁船、貨船、客輪上普遍使用液壓轉(zhuǎn)向器舵機。但是人工操舵作業(yè)頻次高、強度大，打舵精度差，易過量打舵，導(dǎo)致船舶航行經(jīng)濟性低，在智能航行、節(jié)能減排趨勢下亟待自動化升級。因此開展對現(xiàn)有舵機改造升級的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動型自動舵具有較強的實用價值和經(jīng)濟效益。

2 旋轉(zhuǎn)驅(qū)動型自動舵系統(tǒng)原理

設(shè)計的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動型自動舵在液壓轉(zhuǎn)向器手動舵的基礎(chǔ)上，引入角度傳感器和控制單元，構(gòu)建雙閉環(huán)自動操舵系統(tǒng)，包括舵角控制內(nèi)環(huán)和航向控制外環(huán)。圖2給出了自動操舵模式下的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動型自動舵雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)框圖。

旋轉(zhuǎn)驅(qū)動型自動舵控制系統(tǒng)的工作流程如下：

1）首向傳感器檢測船舶實際航向，舵角反饋器檢測實際舵角，并發(fā)送給主控盒；

2）自動舵主控盒比較實際航向信號和給定航向信號，計算出偏航角；

3）主控盒根據(jù)偏航角以及實際舵角采用PID算法計算出偏舵角；

4）主控盒根據(jù)偏舵角給電機控制器發(fā)送方向和角度命令；

圖 2 旋轉(zhuǎn)驅(qū)動型自動舵系統(tǒng)原理圖Fig. 2 Principle of rotary-driven autopilot

5）電機控制器根據(jù)接收的指令控制舵輪驅(qū)動器旋轉(zhuǎn)，從而帶動液壓轉(zhuǎn)向器，改變舵的方向和角度；

6）重復(fù)步驟2～步驟6過程，直至操縱船沿目標航向航行。

3 系統(tǒng)設(shè)計

旋轉(zhuǎn)驅(qū)動型自動舵系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，如圖3所示。

圖 3 旋轉(zhuǎn)驅(qū)動型自動舵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 3 Structure of rotary-driven autopilot

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要涉及兩方面的改動：

1）布置角度傳感器。安裝首向傳感器7，并在舵葉附近安裝舵角反饋器9，作為雙閉環(huán)控制的信息輸入；

2）改造控制驅(qū)動單元。配置主控盒6、電機控制器5；在舵輪4和液壓轉(zhuǎn)向器2之間以機械方式安裝舵輪驅(qū)動器3。主控盒設(shè)置手動/自動模式，接收來自首向傳感器和舵角反饋器的信息后，發(fā)送控制指令給電機控制器。在手動操舵基礎(chǔ)模式下，舵輪4直接帶動液壓轉(zhuǎn)向器2；在改進的自動操舵模式下，舵輪4與液壓轉(zhuǎn)向器2傳動分離，通過舵輪驅(qū)動器3帶動液壓轉(zhuǎn)向器。

3.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

旋轉(zhuǎn)驅(qū)動型自動舵控制系統(tǒng)硬件由PWM輸出電路、逆變電路、轉(zhuǎn)速控制環(huán)節(jié)構(gòu)成。

相比有刷直流電機以及交流電機，無刷直流電機（Brushless Direct Current, BLDC）具有更好的速度/扭矩性能，其動態(tài)響應(yīng)快，調(diào)速性能好，壽命長等優(yōu)點[8–9]。本文設(shè)計的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動型自動舵控制系統(tǒng)選用無刷直流電機。

以STM32F103CBT6為主控制器，采用PWM控制電機轉(zhuǎn)速，MOSFET驅(qū)動電機，霍爾傳感器檢測電機轉(zhuǎn)子位置。系統(tǒng)同時通過CAN與主控盒進行通信，接收來自上位機的控制命令。STM32不斷采集實時轉(zhuǎn)速及電流，通過速度外環(huán)以及電流內(nèi)環(huán)達到設(shè)定轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)對BLDC的雙閉環(huán)控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖 4 旋轉(zhuǎn)驅(qū)動型自動舵控制框圖Fig. 4 Control flow chart of rotary-driven autopilot

3.1.1 驅(qū)動電路設(shè)計

STM32F103CBT6采用Cortex-M3內(nèi)核，芯片集成了一個高級定時器TIM1，能夠輸出6路互補帶死區(qū)控制的PWM波；驅(qū)動電路將定時器輸出的6路PWM波經(jīng)過驅(qū)動芯片IR2136后用以驅(qū)動IRF4105 MOSFET.STM32接收電機輸出的HA，HB，HC代表轉(zhuǎn)子位子的3個霍爾信號，經(jīng)過組合邏輯運算，輸出按一定持續(xù)控制的6個MOSFET導(dǎo)通與關(guān)斷的信號，進而實現(xiàn)整個系統(tǒng)的控制。

IR2136是功率MOSFE和IGBT專用柵極集成驅(qū)動電路，其控制邏輯輸入和CMOS、LSTTL電平兼容，同時輸入帶有噪聲濾波器，具有良好的噪聲抑制能力[10]。其驅(qū)動電路及MOSFET逆變橋電路如圖5和圖6所示。

圖中逆變橋用于將直流電源轉(zhuǎn)換為可以驅(qū)動BLDC運行的三相交流電。

3.1.2 轉(zhuǎn)速檢測電路設(shè)計

圖 5 驅(qū)動電路圖Fig. 5 Drive circuit diagram

圖 6 MOSFET逆變橋電路圖Fig. 6 MOSFET inverter bridge circuit diagram

大多數(shù)無刷直流電機在定子的非驅(qū)動端都嵌有3個霍爾傳感器，當轉(zhuǎn)子磁極經(jīng)過霍爾傳感器時，霍爾傳感器將會產(chǎn)生高低電平的變換。通過3個霍爾傳感器輸出信號的組合可以得到電機的當前位置，從而得到電機的換相時序。STM32F103CBT6具有3個通用定時器以及一個高級定時器，每個定時器的TIMX_CH1、TIMX_CH2、TIMX_CH3三個輸入捕獲引腳在定時器內(nèi)部經(jīng)過異或后再將結(jié)果送給輸入捕獲邏輯執(zhí)行單元，大大簡化了STM32與霍爾傳感器接口電路的設(shè)計[11]。其檢測電路如圖7所示。

3.1.3 電流檢測電路設(shè)計

對于高轉(zhuǎn)速、大慣量的電機，為提高系統(tǒng)控制效率，引入電流環(huán)為電機提供相對恒定的驅(qū)動電流。電流檢測常見的有霍爾電流傳感器和電阻采樣的方法[12]。本文采用的是電阻采樣法來測量的電機電流，檢測電路如圖8所示。

圖 7 轉(zhuǎn)速檢測電路圖Fig. 7 Speed detection circuit

圖 8 電流檢測電路圖Fig. 8 Current detection circuit

3.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

為了保證旋轉(zhuǎn)驅(qū)動型自動舵控制系統(tǒng)的控制精度和動態(tài)響應(yīng)特性，系統(tǒng)選用電流內(nèi)環(huán)、速度外環(huán)的雙閉環(huán)控制策略。電流內(nèi)環(huán)的作用是提高系統(tǒng)的快速響應(yīng)，提供過流保護保障系統(tǒng)安全運行。電流內(nèi)環(huán)采用變速積分的PI調(diào)節(jié)器，基本思想是通過改變積分項的累加速度，使其與偏差大小相適應(yīng)。速度外環(huán)的作用是提高系統(tǒng)抗負載擾動的能力，抑制速度波動，保證系統(tǒng)靜態(tài)精度和動態(tài)跟蹤的能力。速度環(huán)采用積分分離PI算法，開始時僅使用比例控制使速度快速達到設(shè)定值范圍內(nèi)，當速度接近設(shè)定值后才引入積分作用[13]。其控制策略如圖9所示。

圖 9 控制策略圖Fig. 9 Control strategy diagram

3.3 舵輪驅(qū)動器設(shè)計

根據(jù)應(yīng)用對象的不同，電磁閥型自動舵主要用于大中型船舶，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動型自動舵主要用于中小型船舶[14–15]。而舵輪驅(qū)動器屬于旋轉(zhuǎn)驅(qū)動型自動舵的核心模塊，其主要由驅(qū)動電機、傳動機構(gòu)、離合機構(gòu)及控制單元等4部分組成。

本文設(shè)計的舵輪驅(qū)動器包括直流無刷行星減速電機、手電連接器以及電機控制單元3個部件。其中，手電連接器中內(nèi)置簡化后的傳動與離合機構(gòu)，通過一體化設(shè)計，集成了控制單元與手電連接器，減小了體積，增加了可靠性，并大大降低了接線工作量。手電連接器的結(jié)構(gòu)主要由外殼、機械傳動離合機構(gòu)以及電機3部分組成，如圖10所示。

根據(jù)鏈傳動的效率定義[16]，可計算舵輪驅(qū)動器主軸輸出端的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速：

圖 10 所設(shè)計手電連接器結(jié)構(gòu)剖面圖Fig. 10 Structure of manual-automatic connector

設(shè)定無刷電機的額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，額定力矩為0.191 N.m，額定功率60 W，選用行星二級減速機，減速比為45。經(jīng)計算減速電機輸出軸轉(zhuǎn)速為67 r/min，允許轉(zhuǎn)矩為6.96 N.m。根據(jù)全液壓轉(zhuǎn)向器的設(shè)計要求，其輸入轉(zhuǎn)速應(yīng)不大于75 r/min，輸入扭矩范圍應(yīng)控制在1～5 N.m。舵輪驅(qū)動器主軸輸出端的輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩須滿足上述要求。

4 性能測試

通過船舶運動模擬方法對旋轉(zhuǎn)驅(qū)動型自動舵進行200°轉(zhuǎn)向測試。

1）假定主機轉(zhuǎn)速不變，無風(fēng)、浪和流。

2）模擬船舶參數(shù)，如表1所示。

3）初始航向200°，初始船速14 kn。

舵機主控盒上選擇自動模式，設(shè)置目標航向為230°，轉(zhuǎn)向測試結(jié)果如圖11所示。

圖11(a)給出了轉(zhuǎn)向測試的舵角響應(yīng)曲線，舵角響應(yīng)曲線較為平穩(wěn)，且為了保證航行安全，激活了20°的舵角閾值。

如圖11(b)所示，轉(zhuǎn)向測試中航向角的變化曲線，角度變化平穩(wěn)，過調(diào)量極大值為229.6°，4 min后航向角穩(wěn)定在229.5°，綜上所述本文設(shè)計的舵系統(tǒng)轉(zhuǎn)向控制精度較高。

表 1 船舶模擬參數(shù)表Tab. 1 Parameters of ship

圖 11 測試結(jié)果Fig. 11 Test results

5 結(jié) 語

針對手力換向舵機的升級，本文提出一種旋轉(zhuǎn)驅(qū)動型自動舵系統(tǒng)，闡明了系統(tǒng)原理和控制原理；詳細描述了基于STM32主控制器電路以及傳動系統(tǒng)設(shè)計方案。

最后通過仿真實驗驗證，表明所設(shè)計的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動型自動舵操舵性能穩(wěn)定、精度高，所設(shè)計的舵輪驅(qū)動器可直連全液壓轉(zhuǎn)向器，在不改變原有的液壓回路前提下，實現(xiàn)船舶自動操舵，有效減輕操舵強度，提高航跡精度，降低船舶燃油消耗，滿足市場需求。