小型船舶柴油機(jī)主機(jī)電動(dòng)遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(jī)主機(jī)電動(dòng)遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳先德，彭武平，趙文，占政

（洪湖航道管理處，湖北荊州，433200）

針對(duì)小型船舶使用特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套適合小型船舶柴油機(jī)的主機(jī)電動(dòng)遙控系統(tǒng)。主要闡述了系統(tǒng)的控制原理、硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)。通過設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，表明主機(jī)電動(dòng)遙控系統(tǒng)在控制柴油機(jī)離合器和油門移動(dòng)時(shí)的行程精度高達(dá)3 mm，且運(yùn)行穩(wěn)定可靠，完全符合船用各項(xiàng)指標(biāo)。

小型船舶；主機(jī)電動(dòng)遙控；柴油機(jī)；數(shù)據(jù)采集；狀態(tài)切換；電機(jī)控制

引言

近年來，中國造船業(yè)處于快速成長(zhǎng)階段，但設(shè)計(jì)能力落后，配套產(chǎn)業(yè)發(fā)展滯后，大量電子設(shè)備和核心裝備依賴進(jìn)口，一直是制約行業(yè)發(fā)展的主要瓶頸[1]。主機(jī)電動(dòng)遙控系統(tǒng)是船舶自動(dòng)化系統(tǒng)的核心，國內(nèi)該系統(tǒng)一般是針對(duì)中大型船舶而設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)復(fù)雜、價(jià)格昂貴、安裝繁瑣、操作難度大、維護(hù)成本高。小型船舶一般不需要復(fù)雜的設(shè)計(jì)和控制方法，但市場(chǎng)上很難找到合適的主機(jī)電動(dòng)遙控系統(tǒng)，而不得不進(jìn)口[2,3]。

本文根據(jù)小型船舶使用特點(diǎn)，量身設(shè)計(jì)了一套適合其柴油機(jī)的主機(jī)電動(dòng)遙控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

主機(jī)遙控是指離開機(jī)器，在駕駛臺(tái)或集中控制室對(duì)主機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)距離操縱的方式。對(duì)于小型船舶而言，只需控制臺(tái)單一控制即可，同時(shí)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(jī)電動(dòng)遙控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體框圖，CPU單元通過檢測(cè)單元1獲取控制臺(tái)操作車鐘手柄下發(fā)的控制指令，并根據(jù)控制指令分別驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)1和電動(dòng)機(jī)2，兩者通過機(jī)械裝置拖動(dòng)柴油機(jī)離合器和油門進(jìn)行移動(dòng)，檢測(cè)單元2和檢測(cè)單元3分別檢測(cè)電動(dòng)機(jī)1和電動(dòng)機(jī)2的移動(dòng)行程，發(fā)送回CPU單元，從而判斷柴油機(jī)離合器和油門是否移動(dòng)到指定位置。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 CPU單元

CPU單元是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它需要采集檢測(cè)單元的數(shù)據(jù)，并結(jié)合特定的控制算法驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)機(jī)械裝置，控制柴油機(jī)離合器和油門的移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)主機(jī)電動(dòng)遙控系統(tǒng)的所有功能。CPU單元性能越高，功能越強(qiáng)，外圍電路就可以設(shè)計(jì)得越簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)控制算法也將更容易，因此CPU單元的性能、功能、穩(wěn)定性、可靠性至關(guān)重要[6]。

采用STM32F407ZG作為CPU單元。它已廣泛應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)、應(yīng)用控制、PLC、變頻器等眾多領(lǐng)域，是基于高性能的ARM?Cortex?-M4F的32位RISC內(nèi)核，工作頻率高達(dá)168 MHz。Cortex-M4F核心功能支持所有ARM單精度數(shù)據(jù)處理指令和數(shù)據(jù)類型的單精度浮點(diǎn)單元（FPU），除此之外還實(shí)現(xiàn)了一套完整的DSP指令和內(nèi)存保護(hù)單元（MPU），從而提高應(yīng)用程序運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性。

2.2 檢測(cè)單元

檢測(cè)單元主要是檢測(cè)控制臺(tái)的控制指令及柴油機(jī)離合器和油門的行程。控制臺(tái)是由操作員操作一個(gè)車鐘手柄，而車鐘手柄拖動(dòng)一個(gè)電位器，根據(jù)電位器所處的不同位置為主機(jī)電動(dòng)遙控系統(tǒng)下發(fā)指令。柴油機(jī)離合器和油門所處的位置也是由電動(dòng)機(jī)通過機(jī)械裝置分別拖動(dòng)一個(gè)電位器來識(shí)別的。

為了識(shí)別電位器的位置信號(hào)，本項(xiàng)目在電位器兩端加載一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的5 V電壓信號(hào)，然后檢測(cè)電位器中間點(diǎn)的電壓，從而獲取電位器所處位置。

檢測(cè)單元的精度直接決定了本系統(tǒng)控制的精細(xì)度。系統(tǒng)控制精細(xì)度越高，操作就越精準(zhǔn)，控制就越準(zhǔn)確。采用了廣泛應(yīng)用于電力電子領(lǐng)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(gè)高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7606BSTZ-4，其分辨率可達(dá)1/32768。

檢測(cè)單元硬件電路包括信號(hào)調(diào)理電路與AD采樣電路。信號(hào)調(diào)理電路主要把電位器中間點(diǎn)的電壓信號(hào)進(jìn)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(hào)調(diào)理電路輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后把轉(zhuǎn)換結(jié)果送給CPU單元。

圖2 信號(hào)調(diào)理電路硬件設(shè)計(jì)圖

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)

采用12 V有刷直流電機(jī)，針對(duì)不同電機(jī)應(yīng)選擇相對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)。簡(jiǎn)單而言，功率大的電機(jī)應(yīng)選用內(nèi)阻小、電流容許大的驅(qū)動(dòng)，功率小的電機(jī)反之。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)較常規(guī)的方法是采用PWM控制，該技術(shù)是利用半導(dǎo)體開關(guān)的通斷，使得直流電壓隨著半導(dǎo)體開關(guān)的通斷而變化。半導(dǎo)體開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，直流電壓為高電平狀態(tài)，反之亦然，從而把直流電壓變成了脈沖信號(hào)，那么通過改變半導(dǎo)體開關(guān)通斷狀態(tài)就可以改變PWM信號(hào)的頻率或脈沖寬度，即改變了直流電壓的平均值，從而達(dá)到直流電機(jī)調(diào)速的目的[7, 8]。

采用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的集成橋式驅(qū)動(dòng)芯片MC33886。其最大驅(qū)動(dòng)電流為5 A，導(dǎo)通電阻為140 mΩ，PWM頻率最大為10 kHz。芯片內(nèi)置了控制邏輯、電荷泵、門驅(qū)動(dòng)電路，并且集成了短路保護(hù)、欠壓保護(hù)、過溫保護(hù)等功能，體積小巧，使用簡(jiǎn)單。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包括：AD7606數(shù)據(jù)采集程序、狀態(tài)切換程序、電機(jī)控制程序等。

3.1 AD7606數(shù)據(jù)采集程序

AD7606數(shù)據(jù)采集程序負(fù)責(zé)讀取模數(shù)轉(zhuǎn)換的結(jié)果，從而獲取控制臺(tái)及柴油機(jī)離合器和油門所拖動(dòng)電位器的具體位置。AD7606采集程序是由TIM2中斷和AD7606轉(zhuǎn)換完成觸發(fā)的外部中斷來實(shí)現(xiàn)的。TIM2設(shè)置的是一個(gè)定時(shí)100 μs的中斷，中斷程序內(nèi)部會(huì)立即觸發(fā)AD7606開始模數(shù)轉(zhuǎn)換，同時(shí)每觸發(fā)一次模數(shù)轉(zhuǎn)換，外部中斷計(jì)數(shù)器(num)加1。AD7606的轉(zhuǎn)換時(shí)間是4 μs，如果運(yùn)行正常，則4 μs以后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)AD7606外部中斷。在外部中斷程序中，首先讀取AD7606數(shù)據(jù)，其次清空外部中斷計(jì)數(shù)器num，如果在TIM2中檢測(cè)到num大于5，表示AD7606連續(xù)5次未觸發(fā)外部中斷，說明AD7606已被鎖死，應(yīng)立即復(fù)位，重新等待TIM2中斷的到來。如圖3所示為AD7606數(shù)據(jù)采集程序框圖。

圖3 AD7606數(shù)據(jù)采集程序框圖

3.2 狀態(tài)切換程序

狀態(tài)切換程序是根據(jù)控制臺(tái)車鐘手柄所拖動(dòng)的電位器所處的位置解析出控制臺(tái)所發(fā)出的指令。

系統(tǒng)狀態(tài)分三種：停止、前車、倒車。分別代表目前船舶處于停止、前進(jìn)、倒退狀態(tài)。這三種狀態(tài)的切換依據(jù)是檢測(cè)到的控制臺(tái)車鐘手柄所拖動(dòng)的電位器中間點(diǎn)電壓信號(hào)實(shí)時(shí)值A(chǔ)ctual Data：在停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，若Actual Data大于前車開始位置Forward Start Point，狀態(tài)直接切換為前車狀態(tài)，反之直接切換為倒車狀態(tài)；在前車狀態(tài)時(shí)，只有Actual Data小于或等于Forward Start Point，方切換為停止?fàn)顟B(tài)；在倒車狀態(tài)時(shí)，只有Actual Data大于或等于Reverse Start Point方切換為停止?fàn)顟B(tài)。為安全起見，前車和倒車狀態(tài)之間不能直接切換。

3.3 電機(jī)控制程序

電機(jī)控制程序主要是根據(jù)系統(tǒng)所處的狀態(tài)來控制拖動(dòng)離合器和油門的電機(jī)移動(dòng)。如果系統(tǒng)處于停止?fàn)顟B(tài)，則首先檢查油門是否復(fù)位，若未復(fù)位，則驅(qū)動(dòng)電機(jī)使其復(fù)位。再檢查離合器是否復(fù)位，若未復(fù)位，則驅(qū)動(dòng)電機(jī)也使其復(fù)位。

圖4 電機(jī)控制程序框圖

如果系統(tǒng)處于前車狀態(tài)，首先檢查離合器是否處于前車位置，若否，則驅(qū)動(dòng)電機(jī)使之，然后根據(jù)控制臺(tái)車鐘手柄的位移量程，按一定比例計(jì)算出油門所應(yīng)處的行程，驅(qū)動(dòng)電機(jī)移動(dòng)油門到恰當(dāng)位置。系統(tǒng)處于倒車狀態(tài)與前車狀態(tài)的過程一致，不再贅述。圖4所示為電機(jī)控制程序框圖。

4 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

新研制出的柴油機(jī)主機(jī)電動(dòng)遙控系統(tǒng)與ZF公司的MC2000-2控制手柄相連接，設(shè)定好離合器與油門的機(jī)械行程后，反復(fù)操作控制手柄發(fā)出前車、加油門、倒車、加油門、停機(jī)等指令，主機(jī)電動(dòng)遙控系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)拖動(dòng)機(jī)械裝置控制離合器的掛擋和油門的推進(jìn)等都按照預(yù)定方式運(yùn)行，且控制的離合器和油門移動(dòng)的行程精度達(dá)3 mm，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，完全符合主機(jī)電動(dòng)遙控系統(tǒng)船用的各項(xiàng)指標(biāo)。如圖5所示為正在運(yùn)行中的主機(jī)電動(dòng)遙控系統(tǒng)。

圖5 運(yùn)行中的主機(jī)電動(dòng)遙控系統(tǒng)

5 結(jié)束語

本文所設(shè)計(jì)的小型船用柴油機(jī)主機(jī)電動(dòng)遙控系統(tǒng)，根據(jù)小型船舶的特點(diǎn)量身定做，具有成本低、操作簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、運(yùn)行可靠等特點(diǎn)，解決了目前主機(jī)電動(dòng)遙控系統(tǒng)主要依賴進(jìn)口，小型船舶選擇不到適合的主機(jī)電動(dòng)遙控系統(tǒng)的尷尬局面。

[1]曹輝,賈寶柱,張均東.嵌入式船舶主機(jī)遙控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[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(jìn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].船舶工程,2015, 37(1): 146-149.

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[6]周中孝.嵌入式ARM系統(tǒng)開發(fā)與實(shí)戰(zhàn)[M].北京:電子工業(yè)出版社, 2014.

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[8]李維軍, 韓小剛, 李晉. 基于單片機(jī)用軟件實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)[J]. 機(jī)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(jī)工程本科。主要從事船舶設(shè)備管理工作。