船舶主機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

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(南京林業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210037)

船舶主機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

黃峰，周國平，王鑫鑫，姚達(dá)雯，李陽

(南京林業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210037)

針對國產(chǎn)設(shè)備裝船率低，設(shè)備可靠性低的情況，結(jié)合電-氣主機(jī)控制和嵌入式主機(jī)控制對船舶設(shè)備的核心，即調(diào)速部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)了一種基于MSP430的船舶主機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，這種調(diào)速系統(tǒng)可以通過操縱桿調(diào)速，遇到報(bào)警后減速，速度檢測后對執(zhí)行功能塊進(jìn)行速度反饋。結(jié)合MSP430控制精確的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對船舶速度精確，靈活的控制。經(jīng)測試，系統(tǒng)具有極高的可靠性。

船舶調(diào)速系統(tǒng)；MSP430；速度反饋；可靠性

0 引言

近年來我國造船業(yè)呈快速發(fā)展的態(tài)勢，我國也已經(jīng)成為全球重要的造船中心之一。但裝船率低，可靠性不高，設(shè)計(jì)能力落后，大量核心裝備依賴進(jìn)口是制約我國造船業(yè)的主要瓶頸[1]。而主機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是船舶主機(jī)遙控系統(tǒng)的核心。針對這一問題，結(jié)合電-氣主機(jī)控制和嵌入式主機(jī)控制技術(shù)，研究了一種新型的主機(jī)調(diào)速綜合控制系統(tǒng)，采用該系統(tǒng)可以滿足船舶調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速精確，高可靠性的要求。

1 總體設(shè)計(jì)

主機(jī)調(diào)速綜合控制系統(tǒng)在硬件上主要包括6大模塊,控制器、調(diào)速功能塊、執(zhí)行功能塊、報(bào)警降速功能塊以及轉(zhuǎn)速檢測調(diào)節(jié)功能塊，完成對船舶速度的控制。其中，控制器處理各種情況后輸出相應(yīng)的電流；調(diào)速功能塊調(diào)節(jié)其輸出的電流，將給定的電流發(fā)送至控制器；執(zhí)行功能塊根據(jù)控制器輸出的電流的任意變化改變比例閥開口大小，從而自動改變速度；報(bào)警調(diào)速功能塊對主機(jī)出現(xiàn)一些特定報(bào)警時采取降速處理，從而降低船舶的航行速度；轉(zhuǎn)速檢測調(diào)節(jié)功能塊對船舶尾軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測和處理，將得到的轉(zhuǎn)速偏差經(jīng)過控制器處理后輸出給定電流信號，具體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 主機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)及外圍電路

系統(tǒng)控制電路以MSP430F149單片機(jī)作為主控芯片，其外圍電路主要包括晶振電路、上電復(fù)位電路以及程序下載電路等。

MSP430F149內(nèi)部集成16位ADC轉(zhuǎn)換電路，通過采樣電阻將調(diào)速模塊輸出的電流信號轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的電壓信號,ADC模塊完成電流的AD轉(zhuǎn)換，可實(shí)現(xiàn)對調(diào)速模塊輸出電流變化的實(shí)時采樣[2]。尾軸轉(zhuǎn)速檢測部分通過檢測轉(zhuǎn)速，將頻率信號轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電流信號，與調(diào)速模塊的電流比較，經(jīng)過單片機(jī)計(jì)算誤差與誤差變化率，通過PID算法計(jì)算得到PWM波形的占空比，控制產(chǎn)生相應(yīng)的PWM波，實(shí)現(xiàn)速度控制。

2.2 電源轉(zhuǎn)換電路

由于船舶上使用的指示燈和繼電器JQX-14FC-1H需要+24 V電壓，IGBT驅(qū)動電壓為9 V，MSP430F149使用的是3.3V,故系統(tǒng)需要一路電源轉(zhuǎn)換電路，輸出3組不同值的電壓。電路采用了定壓輸入雙路輸出的DC/DC模塊DCM24S9、穩(wěn)壓芯片7805及高效線性電源轉(zhuǎn)換芯片ASM1117_3.3。電源轉(zhuǎn)換電路首先通過 DCM24S9 把24 V電壓轉(zhuǎn)為9 V電壓供給IGBT,7805將9 V電壓降至5V，再經(jīng)ASM1117_3.3降壓至 3．3V電壓供給主控制器。C1的作用是消減電源中的噪聲，C2,C3一大一小2個電容對輸出+5V電壓濾波，提供穩(wěn)定的+5V電源，C4,C52個電容也是起到濾波的作用。電源轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

圖2 電源轉(zhuǎn)換電路

2.3 調(diào)速功能塊

調(diào)速功能塊主要功能是在操縱器進(jìn)行動作時，隨著擋位的變化，調(diào)速模塊的輸出電流可以在4～20mA內(nèi)變化。調(diào)速模塊主要使用的LM358是一種雙電壓比較器集成電路，內(nèi)含2個比較器U1A和U1B[3]。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的調(diào)速電路如圖3所示。當(dāng)操縱器有擋位變化時，比較器輸入端電壓變化，通過比較器比較電位輸出一個電壓，再經(jīng)過運(yùn)放進(jìn)行放大后通過一個鏡像電流源就可以輸出一個穩(wěn)定的電流，達(dá)到控制比例閥輸入的作用。其中，W1，W2分別調(diào)節(jié)U1A和U1B的基準(zhǔn)電壓，使操縱器空車時“+”端與“-”端電壓相等；W3調(diào)節(jié)U2A的基準(zhǔn)電壓，當(dāng)操縱器處于正車1擋時U2A的輸出電壓約為4 V;W4調(diào)節(jié)恒流源電流的輸出范圍，保證操縱器在1～4擋變化時的輸出電流在4～20mA范圍之內(nèi)。在調(diào)速功能塊上，利用相同的原理通過LM358和LED燈還可以指示操縱器的正車，空車以及倒車狀態(tài)。

圖3 調(diào)速模塊電路

2.4 執(zhí)行功能塊

系統(tǒng)執(zhí)行功能塊由氣瓶、閥門及比例閥構(gòu)成的單機(jī)氣路,氣路圖如圖4所示。氣路中用到的氣瓶由船上提供，系統(tǒng)處于工作狀態(tài)時監(jiān)測氣瓶氣壓是否低于0.8MPa，若低于0.8MPa，則給MSP430的I/O口一低電平，顯示有一路失氣報(bào)警。壓縮空氣首先通過截止閥(處于關(guān)閉狀態(tài)，使用時打開)，然后經(jīng)過過濾減壓閥，這時候氣壓可以調(diào)節(jié)，并調(diào)至0.8MPa，進(jìn)入比例閥。系統(tǒng)設(shè)置兩路減壓閥的目的是一旦出現(xiàn)有一路不能正常使用時，可以使用備用減壓閥。

控制器將調(diào)速模塊給定的電流送到比例閥。比例閥開口大小依據(jù)控制電流大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過控制比例閥進(jìn)入油缸的流量就可以控制油缸的速度。

圖4 執(zhí)行功能塊氣路

在擋位發(fā)生變化時，電流輸出的大小為4～20mA，比例閥對應(yīng)輸出0～6kg的壓力，帶氣缸時，活塞桿對應(yīng)移動0～30mm。

2.5 報(bào)警降速功能塊

報(bào)警降速功能塊在主機(jī)報(bào)警時給MSP430的I/O口一低電平，顯示有一路報(bào)警。MSP430在通過處理后改變控制IGBT的PWM波占空比來減小比例閥輸入的電流。在主機(jī)出現(xiàn)氣源低壓、錯向、主機(jī)、滑油低壓、主機(jī)滑油高溫、主機(jī)冷卻水高溫和齒輪箱滑油低壓等一系列主機(jī)報(bào)警時，轉(zhuǎn)速降低。在出現(xiàn)滑油過低壓或者超速時，緊急停車?yán)^電器閉合，切斷比例閥的輸入。

2.6 轉(zhuǎn)速檢測調(diào)節(jié)功能塊

轉(zhuǎn)速檢測調(diào)節(jié)功能塊主要是對主機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測和數(shù)字處理[4]。尾軸的對應(yīng)位置安裝2塊小磁鐵，緊靠尾軸的2個霍爾傳感器將尾軸的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成頻率信號?？刂破魍ㄟ^處理計(jì)算出對應(yīng)的電流，與給定的電流相比較。調(diào)節(jié)部分由偏差放大、放大和積分等模塊組成一個轉(zhuǎn)速復(fù)合控制系統(tǒng)，對轉(zhuǎn)速偏差作比例積分運(yùn)算后產(chǎn)生PWM控制信號，控制IGBT的通斷，調(diào)節(jié)給定的電流，以進(jìn)行速度精確控制。轉(zhuǎn)速檢測電路原理如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)速檢測電路

3 主機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的控制程序主要由主程序與中斷服務(wù)程序2部分組成。主程序主要包括單片機(jī)初始化，各種報(bào)警服務(wù)程序調(diào)用，各種參數(shù)數(shù)據(jù)的采集，PID算法計(jì)算PWM波的占空比及中斷響應(yīng)；中斷程序包括報(bào)警中斷，PWM控制中斷等。系統(tǒng)初始化完畢后，進(jìn)入主程序檢測主機(jī)調(diào)速系統(tǒng)狀態(tài)。若系統(tǒng)一直處于穩(wěn)定狀態(tài)，則一直在主程序循環(huán)，處于監(jiān)測狀態(tài)；若系統(tǒng)有變化，則根據(jù)各模塊的狀態(tài)做相應(yīng)的處理。其中包括操縱器動作引起的調(diào)速模塊電流的升高或降低；系統(tǒng)運(yùn)行故障引起的報(bào)警降速；以及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)模塊對給定電流與檢測電流偏差的計(jì)算，調(diào)節(jié)比例閥輸入電流。系統(tǒng)主程序流程圖如圖6所示。

圖6 主程序流程

尾軸轉(zhuǎn)速檢測調(diào)節(jié)的軟件部分主要是利用PID算法對誤差進(jìn)行比例、積分和微分的運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果作為控制器的輸出[5]。在單片機(jī)控制中，通常使用的是數(shù)字PID，其表達(dá)式為:

(1)

船舶主機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)具有一定的滯后性和非線性，采用增量式PID算法，由式(1)經(jīng)計(jì)算可得：

Δu(k) =u(k)-u(k-1)

=KP[e(k)-e(k-1)]+KIe(k)+

KD[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

(2)

MSP430單片機(jī)控制電路將經(jīng)過轉(zhuǎn)速檢測模塊檢測的反饋轉(zhuǎn)速對應(yīng)的電流與調(diào)速模塊給定的電流相比，計(jì)算差值，并將近3次的差值代入到式(2)中，計(jì)算得到相應(yīng)的輸出脈寬增量，再經(jīng)過一定的幅度限制計(jì)算就可以求得控制IGBT管的PWM波占空比。系統(tǒng)將該占空比值送入PWM產(chǎn)生程序中，PWM產(chǎn)生程序產(chǎn)生相應(yīng)的PWM波形?？梢酝ㄟ^單片機(jī)控制功率開關(guān)管的導(dǎo)通和截止調(diào)節(jié)執(zhí)行功能塊的輸入電流，從而精確控制船舶的航行速度。

4 系統(tǒng)性能測試

船舶主機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行組裝后，各個功能運(yùn)行正常。經(jīng)過多次試驗(yàn)調(diào)整各項(xiàng)參數(shù)，調(diào)速系統(tǒng)的輸出電流在4～20mA近似程線性變化，比例閥位移的控制精度為±1%，可以滿足系統(tǒng)的要求，測試結(jié)果如表1所示。

表1 測試結(jié)果

5 結(jié)束語

簡要介紹了基于MSP430的船舶主機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的基本原理，以及系統(tǒng)硬件和軟件的開發(fā)流程。將嵌入式技術(shù)以及電-氣主機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用在船舶調(diào)速系統(tǒng)，極大地提高了系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時性，而且具有開發(fā)價格低、維護(hù)簡單的特點(diǎn)，提高了船舶調(diào)速系統(tǒng)的自動化程度。此外還引入了PID控制算法，提高了系統(tǒng)的精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，系統(tǒng)可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，具有比較高的可靠性、穩(wěn)定性。

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Research and Design of Ship’s Main Engine Control System

HUANGFeng,ZHOUGuopin,WANGXinxin,YAODawen，LIYang

(College of Information Science and Technology,Nanjing Forestry University,Nanjing 210037,China)

For domestic equipment of our country shipping rate is low, the reliability of the equipment is lower, this article combines the electro pneumatic control and embedded host control to design the core of ship equipment which namely the speed control part.Design of a marine main engine speed control system based on MSP430,this control system can be controlled through the joystick,reduce the speed after the alarm and speed feedback on executive function block after speed detection.This system can control the speed of ship precisely and flexibly that combined with the MSP430control accuracy.After testing,the system has high reliability.

speed control system;MSP430;speed feedback;reliability

2014-03-27

TP23

A

1001-2257(2014)08-0014-04

黃峰(1990-),男，江蘇張家港人，碩士研究生，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)及應(yīng)用。