基于CAN總線的調(diào)距槳控制系統(tǒng)研究

潘宇星,袁 偉,齊 亮

(江蘇科技大學(xué)南徐學(xué)院,江蘇鎮(zhèn)江 212000)

1 調(diào)距槳推進(jìn)裝置基本組成

調(diào)距槳推進(jìn)裝置一般包括 5個(gè)基本組成部分[1,2]:

(1)調(diào)距槳:包括可轉(zhuǎn)動(dòng)的槳葉、槳翼及其內(nèi)部裝設(shè)轉(zhuǎn)動(dòng)槳時(shí)的轉(zhuǎn)葉機(jī)構(gòu)等。

(2)傳動(dòng)軸:由螺旋槳軸和配油軸組成,兩者用套筒聯(lián)軸器相連。傳動(dòng)軸是中空的,內(nèi)裝調(diào)距桿,或者當(dāng)伺服油缸位于槳翼內(nèi)時(shí),中空的傳動(dòng)軸作為進(jìn)排油通道。

(3)調(diào)距機(jī)構(gòu):包括產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)槳葉動(dòng)力的伺服油缸、伺服活塞,分配壓力油給伺服油缸的配油器,槳葉定位裝置,槳葉位置反饋裝置及其附屬設(shè)備等。它的主要任務(wù)是調(diào)距、穩(wěn)距以及對螺距進(jìn)行反饋和指示。

(4)液壓系統(tǒng):主要由油泵、控制閥(換向閥)、油箱和管件等組成。它的作用是為伺服油缸提供符合要求的液壓油。

(5)操縱系統(tǒng):由操縱臺、控制和指示系統(tǒng)組成。它的作用是按照預(yù)先確定的控制程序調(diào)節(jié)主機(jī)的轉(zhuǎn)速和調(diào)距槳的螺距,從而獲得所要求的工況。

2 調(diào)距槳控制系統(tǒng)功能

同定距槳相比,調(diào)距槳控制系統(tǒng)有 2個(gè)控制量,即轉(zhuǎn)速n和螺距 p。因此,調(diào)距槳控制系統(tǒng)由 2部分組成:一是通過調(diào)速器控制柴油機(jī)轉(zhuǎn)速,二是通過螺距調(diào)節(jié)系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制螺旋槳的螺距。螺距控制原理圖如圖 1所示。

圖1 螺距控制原理圖

2.1 控制系統(tǒng)功能

2.1.1 螺距控制

操縱手柄控制信號傳送到控制單元,通過函數(shù)發(fā)生器(FG)求解操縱手柄位置信號與螺距指令的對應(yīng)關(guān)系,經(jīng)適當(dāng)?shù)闹噶钛訒r(shí)后,函數(shù)發(fā)生器給出的螺距指令與螺距實(shí)際位置反饋信號在比較器進(jìn)行比較,同時(shí)通過負(fù)荷控制處理的螺距校正信號也送到比較器。當(dāng)螺距實(shí)際值與設(shè)定值不同時(shí),螺距控制閥被激勵(lì)動(dòng)作,調(diào)整螺距實(shí)際值到設(shè)定值。操縱手柄位置信號能被主機(jī)安保系統(tǒng)的停車信號超越,當(dāng)停車信號發(fā)出,螺距就設(shè)定到零螺距。

2.1.2 轉(zhuǎn)速控制

聯(lián)控狀態(tài)下,控制系統(tǒng)根據(jù)控制手柄信號連續(xù)地對螺距及轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制;分控狀態(tài)下,轉(zhuǎn)速由轉(zhuǎn)速控制面板上的旋鈕單獨(dú)控制;恒轉(zhuǎn)速狀態(tài)下,控制手柄的轉(zhuǎn)速信號傳遞到控制單元,通過函數(shù)發(fā)生器(FG)求解控制手柄位置及轉(zhuǎn)速指令所對應(yīng)的關(guān)系,經(jīng)適當(dāng)?shù)闹噶钛訒r(shí)后,函數(shù)發(fā)生器輸出轉(zhuǎn)速指令,轉(zhuǎn)速指令通過電氣轉(zhuǎn)換送到氣動(dòng)調(diào)速器。

2.1.3 負(fù)荷控制

為了防止主機(jī)過載設(shè)置了負(fù)荷控制系統(tǒng)。系統(tǒng)測量槳的轉(zhuǎn)速并從負(fù)荷曲線計(jì)算一個(gè)對應(yīng)的最大許可燃油泵設(shè)定值FPSmax。FPSmax與實(shí)際FPS值比較,如果實(shí)際 FPS值太高,則降低螺距設(shè)定值。負(fù)荷限制設(shè)定能被來自主機(jī)安全系統(tǒng)的降速信號超越,此時(shí)負(fù)荷限制設(shè)定到預(yù)置輸入值。當(dāng)負(fù)荷控制系統(tǒng)有故障時(shí),將產(chǎn)生負(fù)荷控制失效報(bào)警信號,來自主機(jī)安全系統(tǒng)的過載觸點(diǎn)被用來自動(dòng)減小螺距。

2.1.4 螺距指示

螺距指示系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng),用于實(shí)際螺距位置的檢測。螺距指示系統(tǒng)將檢測信號調(diào)節(jié)到±10 V的電壓,然后分配到各控制臺上的螺距表。

2.1.5 操作責(zé)任轉(zhuǎn)換

可調(diào)槳裝置設(shè)有 2個(gè)操縱點(diǎn),駕駛室操縱臺和機(jī)艙集中控制臺。通過機(jī)艙集中控制臺上“駕控/集控”轉(zhuǎn)換開關(guān)可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換控制。

2.1.6 操縱手柄隨動(dòng)控制

駕駛室與集控室控制面板上在每個(gè)操縱手柄的軸上都設(shè)置了 1個(gè)手柄位置傳送器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)。手柄位置傳送器將當(dāng)前的該手柄位置轉(zhuǎn)換為電信號送入控制單元,經(jīng)運(yùn)算輸出控制信號驅(qū)動(dòng)電機(jī),實(shí)現(xiàn)操縱手柄的隨動(dòng)控制。當(dāng)駕駛室操作手柄為主控手柄時(shí),集控室操作手柄為隨動(dòng)手柄,此時(shí)駕駛室操作手柄置于任一位置,隨動(dòng)手柄也將跟蹤到主控手柄位置,反之亦然。

2.2 基于CAN總線調(diào)距槳控制系統(tǒng)軟硬件組成

2.2.1 硬件系統(tǒng)

基于CAN總線的調(diào)距槳控制系統(tǒng)按功能分為4大模塊:駕控模塊、集控模塊、處理模塊、機(jī)艙模塊。4大模塊之間采用 CAN總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),每個(gè)模塊都具備獨(dú)立運(yùn)算處理的能力,將采集到的信號經(jīng)過運(yùn)算處理后再進(jìn)行模塊之間的通訊,可以減少信息傳輸量提高運(yùn)算和響應(yīng)速度。總線控制模塊通過安裝不同的軟件,即可完成駕控模塊、集控模塊、處理模塊和機(jī)艙模塊的功能,而總線控制器的硬件是通用的。

基于CAN總線的調(diào)距槳控制系統(tǒng)通過CAN現(xiàn)場總線將分散在駕駛室和機(jī)艙的 4個(gè)控制模塊連接起來,實(shí)現(xiàn)信息共享,其總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖 2所示。各控制模塊功能描述如下:

(1)駕控模塊功能:駕控模塊主要完成駕駛室控制面板按鍵信號的采集、運(yùn)行及報(bào)警信號的顯示、負(fù)荷表的轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)、操作手柄信號的采集或手柄隨動(dòng)的驅(qū)動(dòng)。

(2)集控模塊功能:集控模塊主要完成集控室控制面板按鍵信號的采集、運(yùn)行及報(bào)警信號的顯示、負(fù)荷表的轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)、操作手柄信號的采集或手柄隨動(dòng)的驅(qū)動(dòng)。

(3)處理模塊功能:處理模塊主要完成主機(jī)負(fù)荷信號的采集、處理和油門的輸出驅(qū)動(dòng)。

(4)機(jī)艙模塊功能:機(jī)艙模塊主要完成機(jī)艙螺距信號的采集、處理和螺距的輸出驅(qū)動(dòng)。

圖2 總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

2.2.2 模塊輸入/輸出信號

(1)駕控模塊控制量

AI(4～20mADC):控制螺距手柄信號。

AO(4～20mADC):備用。

PWM:手柄隨動(dòng)電機(jī)。

DI:系統(tǒng)復(fù)位;100%功率開/關(guān);LIC開/關(guān)(LIC:負(fù)荷增加控制程序);恒轉(zhuǎn)速開/關(guān);駕控接受;集控認(rèn)可;試燈;面板電源監(jiān)測。

DO:蜂鳴器;控制失效;負(fù)荷控制失效;主機(jī)過載;100%功率;LIC螺距減小;LIC接通;恒轉(zhuǎn)速指示;駕駛室操作;集控室操作;主機(jī)旁操作。

(2)集控模塊控制量:

AI(4～20mADC):控制手柄器信號。

AO(4～20mADC):備用。

PWM:手柄隨動(dòng)電機(jī)。

DI:系統(tǒng)復(fù)位;100%功率開/關(guān);LIC開/關(guān);恒轉(zhuǎn)速開/關(guān);轉(zhuǎn)速分控開/關(guān);駕/集轉(zhuǎn)換開關(guān);試燈;面板電源監(jiān)測。

DO:蜂鳴器;控制失效;負(fù)荷控制失效;主機(jī)過載;100%功率;LIC螺距減小;LIC接通;恒轉(zhuǎn)速;轉(zhuǎn)速分控;駕駛室操作;集控室操作;主機(jī)旁操作。

(3)處理模塊采集信號

AI(4～20 mADC):主機(jī)負(fù)荷信號;轉(zhuǎn)速信號。

AO(4～20mADC):轉(zhuǎn)速指令信號;負(fù)荷顯示信號。

DI:主機(jī)過載;主機(jī)運(yùn)行;零螺距;自動(dòng)降螺距;緊急停車。

DO:100%功率;轉(zhuǎn)速分控。

(4)機(jī)艙模塊采集控制量

AI(4～20mADC):螺距反饋信號;主機(jī)負(fù)荷信號(隔離);螺距指示信號(隔離)。

DI:液壓泵油壓低;主油箱油溫高;主油箱油位低;濾器阻塞;槳轂油壓低;泄油箱油位高;機(jī)旁遙控轉(zhuǎn)換開關(guān);試燈;面板電源監(jiān)視;零螺距信號;主泵P1電機(jī)過載;主泵P2電機(jī)過載;保壓泵電機(jī)過載;泄油泵電機(jī)過載。

DO:正車電磁閥;倒車電磁閥;正車加速閥;倒車加速閥;主機(jī)旁操作;遙控操作;集控室操作;駕駛室操作。

2.2.3 軟件系統(tǒng)

主推遙控系統(tǒng)的軟件由處理模塊軟件、駕控模塊軟件、集控模塊軟件、機(jī)艙模塊軟件以及手持模塊軟件組成。各軟件之間通過CAN協(xié)議互相通訊,傳送命令、狀態(tài)以及數(shù)據(jù)信息。

(1)處理模塊軟件

執(zhí)行主機(jī)轉(zhuǎn)速控制、主機(jī)報(bào)警信號采集與傳送。

(2)駕控模塊軟件

完成控制命令判斷、傳送,手柄數(shù)據(jù)的變換傳送或手柄隨動(dòng)操作,對收到的運(yùn)行狀態(tài)以及報(bào)警狀態(tài)進(jìn)行顯示。

(3)集控模塊軟件

完成操作權(quán)限切換,控制命令判斷、傳送,手柄數(shù)據(jù)的變換傳送或手柄隨動(dòng)操作,對收到的運(yùn)行狀態(tài)以及報(bào)警狀態(tài)進(jìn)行顯示。

(4)機(jī)艙模塊軟件

執(zhí)行控制命令,采集運(yùn)行狀態(tài)、報(bào)警狀態(tài)和運(yùn)行數(shù)據(jù)參與負(fù)荷及螺距控制,并傳送到其他模塊和安保系統(tǒng),采集運(yùn)行數(shù)據(jù)參與負(fù)荷和螺距控制。

(5)手持模塊軟件

完成調(diào)試命令的選擇、顯示和傳送,以達(dá)到調(diào)試各模塊的目的。

3 遙控系統(tǒng)算法

3.1 手柄基本控制算法

圖3 控制偏差劃分區(qū)域圖

在連動(dòng)區(qū)時(shí),偏差較大,為盡快減小偏差應(yīng)輸出較大控制量,即同時(shí)開通正車閥(或倒車閥)與正車加速閥(或倒車加速閥)。在微調(diào)區(qū)時(shí),偏差較小,為了防止出現(xiàn)過沖現(xiàn)象,應(yīng)輸出較小控制量,即開通正車閥(或倒車閥),同時(shí)關(guān)閉正車加速閥(或倒車加速閥)。在保持區(qū)時(shí),考慮到系統(tǒng)存在死區(qū)并且偏差已達(dá)到控制精度要求,此時(shí)輸出控制量為 0,即關(guān)斷所有閥。

手柄跟蹤隨動(dòng)控制和螺距角閉環(huán)控制都是以偏差大小為基準(zhǔn)進(jìn)行的。當(dāng)偏差大時(shí),進(jìn)行正向或反向驅(qū)動(dòng);當(dāng)偏差為 0或偏差在保持區(qū)內(nèi)時(shí),則停止驅(qū)動(dòng)。

3.2 轉(zhuǎn)速控制算法

當(dāng)控制手柄操縱時(shí),對于不同的控制手柄位置,由芯片生成一個(gè)對應(yīng)的最佳轉(zhuǎn)速。手柄位置與最佳轉(zhuǎn)速的對應(yīng)關(guān)系由設(shè)定的轉(zhuǎn)速曲線確定。此轉(zhuǎn)速曲線對于不同的船舶有不同的要求。與螺距曲線類同,通常按船—機(jī)—槳的最佳匹配要求給定。本系統(tǒng)在單片機(jī)軟件中,設(shè)計(jì)一個(gè)轉(zhuǎn)速函數(shù)發(fā)生器,通過多段折線逼近給定的轉(zhuǎn)速曲線。對應(yīng)不同的手柄位置給出的轉(zhuǎn)速控制量與轉(zhuǎn)速曲線要求的轉(zhuǎn)速基本吻合。

主機(jī)恒速:主機(jī)處于恒定轉(zhuǎn)速運(yùn)行,該恒定轉(zhuǎn)速按用戶要求預(yù)置,并可在額定轉(zhuǎn)速的 60%～100%內(nèi)調(diào)節(jié)。

轉(zhuǎn)速分控:當(dāng)轉(zhuǎn)速分控方式下,轉(zhuǎn)速與螺距具有分別控制功能。主機(jī)轉(zhuǎn)速由設(shè)置在集控室的轉(zhuǎn)速控制面板控制。在轉(zhuǎn)速控制板上設(shè)置手動(dòng)調(diào)節(jié)電位器,改變旋鈕位置,對應(yīng)的模擬量經(jīng)數(shù)據(jù)處理后輸出到電氣轉(zhuǎn)換器,用以獲得對應(yīng)的轉(zhuǎn)速。

轉(zhuǎn)速限定與停機(jī):主機(jī)運(yùn)行時(shí),由于某種原因引起主機(jī)減速時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)速限定環(huán)節(jié)。在控制手柄控制轉(zhuǎn)速時(shí),一旦系統(tǒng)檢測到來自主機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的減速信號時(shí),轉(zhuǎn)速控制立即由控制手柄切換到由軟件設(shè)定的轉(zhuǎn)速限定值。

當(dāng)系統(tǒng)接到停機(jī)指令時(shí),系統(tǒng)將轉(zhuǎn)速控制由原來的控制手柄或恒轉(zhuǎn)速切換到停機(jī)轉(zhuǎn)速模式,使主機(jī)轉(zhuǎn)速降為怠速。

3.3 負(fù)荷控制

主機(jī)在某螺距下運(yùn)行時(shí),對于每一轉(zhuǎn)速,有一個(gè)與其對應(yīng)的最大負(fù)荷限定值(即主機(jī)油門限制量)。船舶航行時(shí)由于各種外界條件的影響和變化,有可能使運(yùn)行在某一轉(zhuǎn)速的主機(jī)負(fù)荷超出負(fù)荷范圍,這時(shí)只有通過調(diào)整螺距角,使當(dāng)前工況下的主機(jī)負(fù)荷和轉(zhuǎn)速,維持其原來設(shè)定的負(fù)荷和轉(zhuǎn)速。

與螺距曲線、轉(zhuǎn)速曲線類同,負(fù)荷曲線首先由船—機(jī)—槳的最佳匹配給出,確定后的負(fù)荷曲線以軟件形式儲(chǔ)存于負(fù)荷曲線函數(shù)發(fā)生器中。

主機(jī)轉(zhuǎn)速由感應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器轉(zhuǎn)換為電信號送入處理模塊,經(jīng)計(jì)算得出對應(yīng)的最大允許油門限制量。此限制量可以用負(fù)荷限制電位器加以變更。負(fù)荷限制電位器配置在集控室內(nèi)的負(fù)荷控制面板上,通過旋鈕可在 50%～110%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。此整定值送入模塊后與油門限制量進(jìn)行乘運(yùn)算,其乘積與當(dāng)前實(shí)際負(fù)荷的油門量比較后給出螺距修正信號,使得在各種工況下,螺距、轉(zhuǎn)速和負(fù)荷相互匹配,保證系統(tǒng)處于良好的運(yùn)行狀態(tài)。

[1] 張志華.船舶動(dòng)力裝置概論[M].黑龍江:哈爾濱工程大學(xué)出版社,2002.

[2] 高鍵,李眾,石建華,等.可調(diào)螺距螺旋槳模糊控制系統(tǒng)[J].船舶工程,2000,(1):32-35.