艦船液壓系統(tǒng)超壓自動切斷模塊的設(shè)計與實現(xiàn)

吳根平，王 浩，劉志宏，華鍇瑋

（武漢第二船舶設(shè)計研究所，武漢 430064）

液壓傳動系統(tǒng)在船舶領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。由于液壓系統(tǒng)在工作中可能會因運動部件突然卡死、油路突然堵塞、溢流閥主閥芯卡死等原因出現(xiàn)液壓系統(tǒng)壓力突然升高[1-2]。當(dāng)壓力升高超過允許極限時，就可能會造成各種嚴(yán)重的事故。為保障液壓系統(tǒng)安全，一般采用人工監(jiān)視壓力并切斷保護的方式，即當(dāng)觀察到液壓系統(tǒng)壓力超過允許壓力極限時，手動關(guān)閉切斷閥將油路切斷。此方式，一是增加了人員配置，人力成本高，二是人工監(jiān)視并動作的方式，反應(yīng)時間較慢。為此，需考慮液壓系統(tǒng)超壓自動切斷問題。超壓自動切斷裝置一般主要由壓力變送器傳感壓力信號、切斷閥切斷管路及超壓自動切斷模塊控制切斷閥等部分組成[3-4]。針對液壓系統(tǒng)超壓自動切斷需求，本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種高精度的、快速反應(yīng)的超壓自動切斷模塊，以實現(xiàn)液壓系統(tǒng)壓力超過允許極限時的及時切斷，提升液壓系統(tǒng)的安全性。

1 系統(tǒng)總體方案

超壓自動切斷模塊主要包括電源變換電路、微處理器電路、信號調(diào)理電路、超壓切斷電路等部分，總體結(jié)構(gòu)功能如圖1所示。電源變換電路將外部直流電源轉(zhuǎn)換為不同等級電源供微處理器電路、信號調(diào)理電路等使用。外部壓力變送器4 mA～20 mA 電流信號經(jīng)過信號調(diào)理電路，將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號送入微處理器電路，微處理器電路通過自帶的模數(shù)轉(zhuǎn)換器將電壓信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換并完成濾波、信號處理，最后通過超壓切斷電路采集切斷閥狀態(tài)并控制切斷閥切斷液壓油路。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall system structure diagram

1.1 電源變換電路設(shè)計

如圖2所示，電源變換電路主要負責(zé)將外部輸入的直流24 V 電源轉(zhuǎn)換為不同等級電源供其他電路部分使用。通過WRB2405S 芯片將直流24 V 電源轉(zhuǎn)換為直流5 V 電源供微處理器電路使用，發(fā)光二極管D1用來判斷電源變換狀態(tài)，如圖2（a）所示；通過MAU129 芯片將直流24 V 電源轉(zhuǎn)換為直流±15 V電源供信號調(diào)理電路使用，如圖2（b）所示。

圖2 系統(tǒng)電源工作原理圖Fig.2 Schematic diagram of system power supply

1.2 微處理器電路設(shè)計

微處理器電路主要實現(xiàn)微處理器工作運行[5]。微處理器采用飛思卡爾公司16 位MC9XS128 系列單片機芯片。該芯片為直流5 V 電源供電，內(nèi)含16通道12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器及CAN 通信控制器。復(fù)位電路采用復(fù)位芯片TPS3808G50，可在上電后產(chǎn)生一個幾百毫秒的復(fù)位信號送給微處理器。晶振電路采用16 MHz 無源晶振方式，外接18 pF 對稱電容。微處理器電路原理如圖3所示。

圖3 微處理器電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of microcontroller circuit

1.3 信號調(diào)理電路設(shè)計

信號調(diào)理電路主要負責(zé)將4 mA～20 mA 直流電流信號轉(zhuǎn)換調(diào)理為合適的電壓信號送入微處理器[6]。將外部輸入的4 mA～20 mA 標(biāo)準(zhǔn)電流信號通過高精度10 Ω 采樣電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號，電壓范圍為40 mV～200 mV。為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，采用差分輸入、8 倍信號放大的隔離電流傳感芯片AMC1100，實現(xiàn)輸入/輸出的完全電氣隔離及信號放大。后級通過運算放大器OPA2251 信號調(diào)理及差分放大電路實現(xiàn)信號的放大和極性轉(zhuǎn)換，將輸入的雙極性信號轉(zhuǎn)換為0～5 V 的單極性信號送入微處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。信號調(diào)理電路原理如圖4所示。

圖4 信號調(diào)理電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of signal conditioning circuit

1.4 超壓切斷電路設(shè)計

超壓切斷電路主要負責(zé)根據(jù)微處理器指令驅(qū)動切斷閥關(guān)閉。當(dāng)系統(tǒng)上電后，PP2_OUT1 信號默認(rèn)狀態(tài)為低電平，此時繼電器U7 不動作，切斷閥控制端EX_DOUT1 沒有接通到電路內(nèi)部直流電源，切斷閥不動作。當(dāng)微處理器發(fā)出命令時，PP2_OUT1 信號為高電平，此時繼電器U7 動作，切斷閥控制端EX_DOUT1 通過二極管D12 和快恢復(fù)保險F2 送到外部切斷閥端子，切斷閥動作關(guān)閉。D12 的作用是保證電流方向單向流動，D14 的作用是閥關(guān)斷時泄放電感上的電壓，保護切斷閥內(nèi)電磁線圈。同時，設(shè)置了檢測電路來檢測繼電器輸出端OUT-端的電平情況，以判斷繼電器輸出狀態(tài)。電路原理如圖5所示。

圖5 切斷電路原理圖Fig.5 Schematic diagram of sever circuit

2 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件采用C 語言開發(fā)，開發(fā)環(huán)境選用飛思卡爾公司微處理器對應(yīng)的軟件開發(fā)環(huán)境CodeWarrior v5.9.0 完成程序編寫、編譯、調(diào)試及下載[7]。系統(tǒng)軟件主要由初始化與定期中斷程序模塊、模/數(shù)轉(zhuǎn)換與處理程序模塊、超壓自動切斷程序模塊等組成。

2.1 初始化與定期中斷程序模塊設(shè)計

初始化與定期中斷程序模塊主要完成系統(tǒng)初始化及定時中斷服務(wù)程序執(zhí)行。整體軟件流程如圖6所示。系統(tǒng)上電后，首先完成看門狗、時鐘、GPIO、ADC 等模塊系統(tǒng)初始化并開啟定時器配置定時器中斷，如圖6（a）所示；其次，定時中斷程序定時周期性地采集模擬信號并將信號量化處理，后執(zhí)行超壓自動切斷程序模塊，根據(jù)模擬信號大小自動關(guān)閉切斷閥，如圖6（b）所示。

圖6 初始化與定時中斷程序模塊流程Fig.6 Flow chart of initialization and timing interrupt program module

2.2 模/數(shù)轉(zhuǎn)換與處理程序模塊設(shè)計

模/數(shù)轉(zhuǎn)換與處理程序模塊主要實現(xiàn)模/數(shù)轉(zhuǎn)換與處理。選擇微處理器芯片自帶模/數(shù)轉(zhuǎn)換通道AN01～AN03 三路輸入作為模/數(shù)采集通道。其中有效信號為AN01、AN02 輸入，AN03 輸入主要目的是采集5 V 基準(zhǔn)電壓，從而校正模/數(shù)轉(zhuǎn)換精度。將模/數(shù)采集工作模式配置為獨立模式、開啟單通道轉(zhuǎn)換、軟件觸發(fā)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)右對齊，設(shè)置ADC 的采樣周期為50 ms。對模/數(shù)轉(zhuǎn)換值進行數(shù)據(jù)處理，利用滑動窗口濾波方式選擇最新的10 組模/數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，去掉最大值和最小值，然后將其余值求平均值，最后進行分段線性校準(zhǔn)，將結(jié)果存入特定寄存器用于數(shù)據(jù)傳輸。模/數(shù)轉(zhuǎn)換與處理模塊流程如圖7所示。

圖7 模/數(shù)轉(zhuǎn)換與處理程序模塊流程Fig.7 Flow chart of A/D conversion and processing program module

2.3 超壓自動切斷程序模塊設(shè)計

超壓自動切斷程序模塊主要實現(xiàn)根據(jù)采集到的液壓系統(tǒng)壓力信號，向外部給出控制信號。開關(guān)信號的輸入通過微處理器的GPIO 口設(shè)置為輸入來實現(xiàn)。為了防止誤開關(guān)動作過程中的抖動引起誤動作，多次讀取切斷閥開關(guān)輸入信號，然后采用“取9判5”策略：獲取最近9 次切斷閥狀態(tài)值，同狀態(tài)多者視為最終狀態(tài)。當(dāng)切斷閥已開啟且液壓系統(tǒng)壓力變送器輸入信號的壓力值超過設(shè)定的切斷閾值時，超壓保護控制模塊啟動，然后開始控制閥的輸出狀態(tài)，關(guān)閉切斷閥，切斷閥切斷保護；當(dāng)切斷閥已關(guān)閉且液壓系統(tǒng)壓力變送器輸入信號的壓力值低于設(shè)定的切斷閾值的90%，那么重新改變控制閥的輸出狀態(tài)，打開切斷閥。超壓自動切斷程序模塊軟件流程如圖8所示。

圖8 超壓自動切斷程序模塊流程Fig.8 Flow chart of over-pressure auto-sever program module

3 系統(tǒng)測試試驗結(jié)果

為了驗證超壓自動切斷模塊的功能性能，制作了超壓自動切斷模塊并開展了相關(guān)試驗，超壓自動切斷模塊實際效果，如圖9所示。

圖9 超壓自動切斷模塊實際效果圖Fig.9 Picture of over-pressure auto-sever module

為了驗證超壓自動切斷模塊模擬量采集的精確度，完成了4 mA～20 mA 全電流范圍內(nèi)信號采集精度測試，如圖10所示。結(jié)果表明，4 mA～20 mA 全電流范圍內(nèi)的信號采集誤差均在0.35%FS 內(nèi)，采集精度高，滿足超壓切斷使用要求。

圖10 模擬信號采集誤差Fig.10 Analog signal acquisition error diagram

為驗證超壓自動切斷的快速性，完成了傳統(tǒng)超壓人工切斷及本文超壓自動切斷的切斷時間多次對比測試，如表1所示。結(jié)果表明，人工切斷時間平均為0.55 s，本文超壓自動切斷時間為0.167 s，本文超壓自動切斷時間要遠低于傳統(tǒng)超壓人工切斷時間，反應(yīng)迅速，滿足超壓切斷使用要求。

表1 超壓切斷動作時間測試對比Tab.1 Comparison of over-pressure sever time

4 結(jié)語

傳統(tǒng)依靠人工監(jiān)視液壓系統(tǒng)壓力并在超壓時手動切斷的方式耗費人力、反應(yīng)較慢，已逐漸不能滿足液壓系統(tǒng)超壓時快速切斷的安全性需求。針對該問題，本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種高精度的、快速反應(yīng)的超壓自動切斷模塊，并完成了系統(tǒng)測試試驗。試驗結(jié)果表明，該超壓自動切斷模塊與壓力變送器及切斷閥接口匹配性好，全范圍模擬信號采集精度高，反應(yīng)快速準(zhǔn)確，可有效提升液壓系統(tǒng)超壓時的安全性。