桂　棟，　耿　琪

(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 艦船自動(dòng)化分所，上海 200135)

全回轉(zhuǎn)推進(jìn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

桂棟，耿琪

(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 艦船自動(dòng)化分所，上海 200135)

摘要:全回轉(zhuǎn)推進(jìn)裝置可發(fā)出全方位的推力，使船舶具有靈敏的操縱性，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于需要高靈敏度操作的特種作業(yè)船。對(duì)此，基于單片機(jī)技術(shù)和控制器局域網(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network,CAN)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，設(shè)計(jì)一種應(yīng)用于內(nèi)河LNG移動(dòng)加液船的全回轉(zhuǎn)推進(jìn)控制系統(tǒng)。從提高系統(tǒng)的控制精度和安全保護(hù)性能的角度介紹該系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計(jì)，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明：該系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了對(duì)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)裝置的精確控制和安全保護(hù)。

關(guān)鍵詞:全回轉(zhuǎn)推進(jìn)裝置；單片機(jī)；CAN總線

0引言

全回轉(zhuǎn)船舶的推進(jìn)裝置有別于常規(guī)的推進(jìn)裝置，其舵和槳是組合成一體的，且螺旋槳可在360°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)而發(fā)出全方位的推力，使船舶具有特別靈敏的操縱性。因此，這種全回轉(zhuǎn)推進(jìn)裝置被廣泛應(yīng)用于需要高靈敏度操作的特種作業(yè)船，如港作船、消防船、移動(dòng)加液船等。

設(shè)計(jì)一種全回轉(zhuǎn)推進(jìn)控制系統(tǒng)安裝在內(nèi)河液化天燃?xì)?Liquefied Natural Gas,LNG)移動(dòng)加液船上。該船長(zhǎng)度為45.00 m，型寬為8.80 m，設(shè)計(jì)吃水為2.00 m；設(shè)計(jì)安裝2套L型電力推進(jìn)全回轉(zhuǎn)舵槳裝置；在設(shè)計(jì)吃水狀態(tài)下，風(fēng)力小于蒲氏風(fēng)力三級(jí)的平靜深水區(qū)域，試航速度>8.3 kn。

1系統(tǒng)概述

為實(shí)現(xiàn)對(duì)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)裝置的遙控控制和自動(dòng)安全保護(hù)，將全回轉(zhuǎn)推進(jìn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為控制分系統(tǒng)和安保分系統(tǒng)兩大獨(dú)立分系統(tǒng)。左右舷推進(jìn)裝置均配置一套遙控控制器和一套安全保護(hù)控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)推進(jìn)裝置的遙控控制功能和自動(dòng)安全保護(hù)功能。整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)，采用分散控制、集中管理原則；各控制器采用控制器局域網(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network，CAN)現(xiàn)場(chǎng)總線聯(lián)網(wǎng)。兩大分系統(tǒng)獨(dú)立工作，互不干擾，這樣的設(shè)計(jì)不僅可以提高系統(tǒng)的生命力，而且具有良好的可維性和穩(wěn)定性，全回轉(zhuǎn)推進(jìn)控制系統(tǒng)的原理框圖見圖1。

圖1　全回轉(zhuǎn)推進(jìn)控制系統(tǒng)原理框圖

2硬件設(shè)計(jì)

全回轉(zhuǎn)推進(jìn)控制系統(tǒng)的主要功能是采集各操作面板的命令信號(hào)以及全回轉(zhuǎn)推進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)、船舶能量管理系統(tǒng)信號(hào)，經(jīng)遙控控制器和安?？刂破鬟壿嬤\(yùn)算處理后，輸出控制信號(hào)到舵槳系統(tǒng)和變頻器，實(shí)現(xiàn)對(duì)全回轉(zhuǎn)舵槳液壓電機(jī)和推進(jìn)電機(jī)的啟停、轉(zhuǎn)速和角度控制、故障報(bào)警和安全保護(hù)等。

為實(shí)現(xiàn)上述功能，選用上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所自主研發(fā)的STI-VC2100RC系列標(biāo)準(zhǔn)化模塊組成系統(tǒng)核心硬件；RCC遙控控制器的硬件與ABS安全保護(hù)控制器的硬件基本相同，都由標(biāo)準(zhǔn)的多功能CPU模塊、電源模塊及多功能輸入/輸出模塊構(gòu)成。系統(tǒng)其他硬件包括全回轉(zhuǎn)操縱手柄、顯示儀表、按鈕和指示燈等，均采用中國(guó)船級(jí)社認(rèn)證產(chǎn)品。系統(tǒng)主要硬件組成見表1。

3軟件設(shè)計(jì)

3.1軟件需求

系統(tǒng)的軟件需求主要從功能需求和性能需求兩方面分析。

3.1.1功能需求分析

全回轉(zhuǎn)推進(jìn)控制系統(tǒng)既可在駕駛室進(jìn)行遙控控制，又可在機(jī)旁進(jìn)行手動(dòng)控制。機(jī)旁控制優(yōu)先于駕駛室控制，機(jī)旁與駕駛室之間的轉(zhuǎn)換只能在機(jī)旁進(jìn)行，操作部位相互聯(lián)鎖，任何時(shí)刻都只能單個(gè)部位操縱。在駕駛室遙控操作時(shí)，不僅可以通過(guò)全回轉(zhuǎn)手柄遙控操縱舵槳裝置，而且可以設(shè)置單一手柄操作雙舵槳裝置，即控制系統(tǒng)根據(jù)選中的某一手柄發(fā)出的控制命令，同步控制左右兩套舵槳轉(zhuǎn)置運(yùn)行。這種設(shè)計(jì)可提高船舶巡航時(shí)的操縱便利性。

全回轉(zhuǎn)推進(jìn)控制系統(tǒng)可接收舵槳系統(tǒng)、變頻器、推進(jìn)電機(jī)以及船舶能量管理系統(tǒng)發(fā)出的故障信號(hào)，進(jìn)行故障降速和故障停車等安全保護(hù)處理。系統(tǒng)的主要功能如下：

(1) 變頻器啟動(dòng)聯(lián)鎖功能：遙控控制器根據(jù)變頻器準(zhǔn)備就緒信號(hào)、舵槳液壓電機(jī)運(yùn)行信號(hào)和全回轉(zhuǎn)手柄在零位信號(hào)來(lái)判斷變頻器是否啟動(dòng)聯(lián)鎖，并發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)；

(2) 啟停功能：遙控控制器根據(jù)變頻器啟停按鈕信號(hào)和啟動(dòng)聯(lián)鎖的條件向變頻器輸出啟停開關(guān)量信號(hào)，根據(jù)舵槳液壓電機(jī)啟停按鈕信號(hào)向舵槳液壓電機(jī)輸出啟停開關(guān)量信號(hào)；

表1　系統(tǒng)主要硬件組成

(3) 角度和轉(zhuǎn)速控制功能：遙控控制器對(duì)全回轉(zhuǎn)手柄的角度位置信號(hào)和轉(zhuǎn)速位置信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算處理后，向舵槳系統(tǒng)發(fā)出4~20 mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)舵槳的0°~360°控制，向變頻器發(fā)出4~20 mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)舵槳的0~1 500 r/min轉(zhuǎn)速控制，同時(shí)，為提高船舶高速航行時(shí)的安全性，當(dāng)舵槳偏轉(zhuǎn)角度較大時(shí)，遙控控制器具有自動(dòng)降速保護(hù)功能；

(4) 單手柄功能：利用單/雙手柄按鈕選擇單手柄模式后，遙控控制器根據(jù)選中的單一手柄發(fā)出的控制指令同步輸出4~20 mA的電流到左右兩舷舵槳系統(tǒng)和變頻器，同時(shí)控制兩舷全回轉(zhuǎn)舵槳運(yùn)行。

(5) 功率限制功能：遙控控制器通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)接收船舶能量管理系統(tǒng)發(fā)出的功率限制信號(hào)，根據(jù)報(bào)警信號(hào)自動(dòng)降低舵槳運(yùn)行工況，以保證全船用電安全。

(6) 安全保護(hù)功能：安保控制器接收舵槳液壓電機(jī)過(guò)載信號(hào)、舵槳液壓電機(jī)失電信號(hào)等嚴(yán)重故障信號(hào)，并向變頻器發(fā)送緊急停車命令；接收舵槳滑油溫度高信號(hào)、液壓油溫度高信號(hào)等故障信號(hào)，并向遙控控制器發(fā)出故障降速信號(hào)，可越控。

3.1.2性能需求分析

在處理硬線輸入輸出信號(hào)時(shí)，既要考慮提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度又要采取濾波處理防止輸入擾動(dòng)；在處理CAN網(wǎng)絡(luò)信號(hào)時(shí)，應(yīng)盡量滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)刷新時(shí)間，保證系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)性。具體需求見表2。

表2　系統(tǒng)性能需求表

圖2　軟件流程圖

3.2軟件結(jié)構(gòu)

為保證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和實(shí)時(shí)性，根據(jù)系統(tǒng)控制器的硬件環(huán)境，選用C語(yǔ)言作為程序開發(fā)語(yǔ)言。同時(shí)，為提高程序的可維性和可讀性，軟件盡量采用模塊化設(shè)計(jì)，將一些獨(dú)立、通用的函數(shù)功能封裝成模塊。系統(tǒng)通電后，先進(jìn)行系統(tǒng)初始化和設(shè)備初始化，隨后開始主程序循環(huán)，對(duì)開關(guān)量和模擬量進(jìn)行采樣并刷新數(shù)據(jù)；經(jīng)標(biāo)志處理和給定處理后，將啟停信號(hào)、故障報(bào)警信號(hào)、舵槳角度和轉(zhuǎn)速命令等信號(hào)經(jīng)開關(guān)量或模擬量輸出到全回轉(zhuǎn)推進(jìn)系統(tǒng)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)刷新。軟件流程見圖2。

3.3全回轉(zhuǎn)手柄位置算法設(shè)計(jì)

全回轉(zhuǎn)舵槳裝置可以360°旋轉(zhuǎn)，能為船舶提供全方位的推力，進(jìn)而使船舶具有更好的操縱性。因此，對(duì)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)裝置最主要的控制就是對(duì)舵槳角度和轉(zhuǎn)速的控制。要提高全回轉(zhuǎn)舵槳的控制精度，最主要的就是精確計(jì)算全回轉(zhuǎn)手柄的位置，并將手柄位置信息精確轉(zhuǎn)換為4~20 mA的電流信號(hào)輸出到舵槳系統(tǒng)和變頻器。下面將對(duì)全回轉(zhuǎn)手柄的位置算法進(jìn)行詳細(xì)論述。

3.3.1全回轉(zhuǎn)手柄輸出特性

系統(tǒng)選用的全回轉(zhuǎn)手柄共向遙控控制器輸出3路0~2.5 kΩ的電阻信號(hào)，其中：轉(zhuǎn)速位置信號(hào)為一路線性信號(hào)，角度位置信號(hào)為一路正弦信號(hào)和一路余弦信號(hào)。全回轉(zhuǎn)手柄的轉(zhuǎn)速位置有零位、半程和全速等3檔，角度位置有零位、90°、180°和270°等4檔，檔位之外為無(wú)級(jí)區(qū)。為實(shí)現(xiàn)檔位計(jì)算零誤差并提高手柄無(wú)級(jí)區(qū)位置的計(jì)算精度，將全回轉(zhuǎn)手柄位置各檔位算法設(shè)計(jì)為按標(biāo)定參數(shù)計(jì)算，將手柄無(wú)級(jí)區(qū)位置算法設(shè)計(jì)為按檔位區(qū)間分段計(jì)算。

3.3.2全回轉(zhuǎn)手柄輸出信號(hào)標(biāo)定

遙控控制器的多功能D/A模塊將采樣到的電阻信號(hào)經(jīng)12位AD轉(zhuǎn)換變?yōu)?~4 096內(nèi)的數(shù)值。系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，先將全回轉(zhuǎn)手柄打到各檔位，通過(guò)CAN網(wǎng)讀取遙控控制器采樣到的全回轉(zhuǎn)手柄各檔位AD值，隨后將讀取到的各檔位AD值寫入到遙控控制器CPU模塊的可編程存儲(chǔ)器(EEPROM)中。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，遙控控制器程序?qū)?shí)時(shí)采樣到的AD值與可編程存儲(chǔ)器中的參數(shù)進(jìn)行比對(duì)，以此確定全回轉(zhuǎn)手柄的檔位值。若采樣值不在任何檔位，則確定其檔位區(qū)間按相應(yīng)曲線計(jì)算即可。可編程存儲(chǔ)器中標(biāo)定參數(shù)定義及一組試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

表3　可編程存儲(chǔ)器中標(biāo)定參數(shù)定義及一組試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

經(jīng)過(guò)上述軟件設(shè)計(jì)后，只要在設(shè)備調(diào)試時(shí)設(shè)定好參數(shù)，遙控控制器就可以對(duì)全回轉(zhuǎn)手柄檔位進(jìn)行零誤差計(jì)算。由于轉(zhuǎn)速位置信號(hào)為線性信號(hào)，因此只需對(duì)手柄無(wú)級(jí)區(qū)的轉(zhuǎn)速位置信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單線性計(jì)算即可保證其計(jì)算精度；而手柄無(wú)級(jí)區(qū)的角度位置信號(hào)為兩路三角函數(shù)輸出，故需要運(yùn)用相對(duì)復(fù)雜的反三角函數(shù)算法計(jì)算。

3.3.3信號(hào)處理及誤差修正

圖3　全回轉(zhuǎn)手柄輸出特性圖

數(shù)學(xué)意義上的角度正弦值和余弦值均只能在180°范圍內(nèi)單調(diào)變化，故需要利用一路信號(hào)計(jì)算角度值，另一路信號(hào)確定角度象限，經(jīng)修正計(jì)算后確定出0~360°位置。按照該設(shè)想，采用正弦信號(hào)計(jì)算角度值，余弦信號(hào)確定角度象限。但是在軟件測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，運(yùn)用該算法計(jì)算時(shí)，在90°和270°這些關(guān)鍵位置附近會(huì)產(chǎn)生較大誤差；換作余弦算法后又發(fā)現(xiàn)在0°和180°附近存在類似問(wèn)題。分析后發(fā)現(xiàn)，這些誤差的產(chǎn)生是由手柄的正弦輸出和余弦輸出特性決定的(見圖3)。

由圖3可知，在90°和270°附近，正弦輸出斜率平緩，較小的輸出電阻波動(dòng)即可引起計(jì)算角度產(chǎn)生較大波動(dòng)，正弦算法誤差明顯比余弦算法誤差大，故采用余弦算法可明顯改善控制精度；同理，在0°和180°附近時(shí)，采用正弦算法可有效提高計(jì)算精度。綜上分析，遙控控制器軟件最終采用正弦余弦交叉算法確定全回轉(zhuǎn)角度位置，在45°~135°和225°~315°區(qū)間用余弦信號(hào)計(jì)算手柄角度，其他區(qū)間用正弦信號(hào)計(jì)算手柄角度。

通過(guò)以上軟件設(shè)計(jì)的遙控控制器不僅可以適應(yīng)不同全回轉(zhuǎn)手柄的輸出特性，而且采用了兩路輸出信號(hào)的最優(yōu)計(jì)算區(qū)間，大大提高了對(duì)全回轉(zhuǎn)手柄位置的計(jì)算精度，為整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)裝置的精確控制奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證

全回轉(zhuǎn)推進(jìn)控制系統(tǒng)試驗(yàn)主要包括功能試驗(yàn)和性能試驗(yàn)。其中：功能試驗(yàn)主要測(cè)試系統(tǒng)遙控控制功能和安全保護(hù)功能的完整性與正確性；系統(tǒng)性能試驗(yàn)主要測(cè)試系統(tǒng)輸入/輸出信號(hào)處理精度和CAN網(wǎng)收發(fā)處理實(shí)時(shí)性。試驗(yàn)時(shí)，利用實(shí)驗(yàn)室主推進(jìn)模擬裝置和全回轉(zhuǎn)推進(jìn)控制系統(tǒng)搭建試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行各項(xiàng)功能試驗(yàn)，并通過(guò)CAN網(wǎng)接收數(shù)據(jù)測(cè)試系統(tǒng)的性能。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)的輸入/輸出信號(hào)及CAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的刷新時(shí)間和計(jì)算精度均符合表2中的系統(tǒng)性能需求，遙控控制功能和安全保護(hù)功能均正確完整，整個(gè)系統(tǒng)性能滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，特別是全回轉(zhuǎn)角控制精度得到了較大提高。部分測(cè)試結(jié)果見表4。

表4　全回轉(zhuǎn)角控制試驗(yàn)表

5結(jié)語(yǔ)

全回轉(zhuǎn)推進(jìn)裝置在為船舶提供360°全方位動(dòng)力的同時(shí)也對(duì)船舶操縱精度和航行安全提出了更高的要求。將成熟的單片機(jī)和can現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)作為硬件技術(shù)基礎(chǔ)，并在軟件設(shè)計(jì)中注重提高系統(tǒng)的控制精度和安全保護(hù)性能，實(shí)現(xiàn)了一種實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高、控制性能優(yōu)良的全回轉(zhuǎn)推進(jìn)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)目前已投入生產(chǎn)并通過(guò)了中國(guó)船級(jí)社的檢驗(yàn)和用戶的驗(yàn)收，在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了對(duì)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)裝置的精確控制和安全保護(hù)。

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中圖分類號(hào)：U664.3；U664.82

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：2015-06-12

作者簡(jiǎn)介：傅明初(1960—)，男，浙江鎮(zhèn)海人,輪機(jī)長(zhǎng),主要從事機(jī)務(wù)管理工作。

文章編號(hào)：1674-5949(2015)03-034-06

Design of Rotary Propulsion Control System on Mobile LNG Refueling Ship

GuiDong,GengQi

(Ship Automation Branch, Shanghai Ship &Shipping Research Institute, Shanghai 200135, China)

Abstract:The mobile LNG refueling ship is equipped with the rotary propulsion device, which is widely used on special workboats which need high manoeuverability. The rotary propulsion control system for the mobile LNG refueling ship is designed with SCM technology and CAN field bus technology. The hardware and software design of this system are described from the angle of improving system control accuracy and safe protection performance.

Key words:rotary propulsion device; single chip microcomputer; controller area network