基于DSP的船舶液壓系統電氣控制裝置設計

方 斌，王子磊，許國軍，熊啟發

(1.武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064;2.海軍××工程辦公室，北京 100841)

0 引言

液壓系統在現代船舶上有著廣泛的應用，工程上有專業的液壓工程船舶，如全液壓挖泥船、打撈船、打樁船，其他船舶上的舵機轉向、平臺升降、艙蓋啟閉、閥門開關等動作實現也通常是由液壓系統提供動力。在船舶液壓室內一般設有液壓系統電氣控制裝置，該裝置能對液壓系統的運行狀態進行監測，實時獲取系統各部分的運行狀態信息，并將該信息反饋到對系統的控制中，通過人工處理或計算機自動處理等方式，保證系統的正常工作，預防各類故障的發生。

針對船舶液壓系統響應速度快、工作精度高、輸出范圍廣等特點，本文在對典型船舶液壓系統進行分析的基礎上，采用高性能的DSP芯片為核心實現了對系統的控制，有效提高了船舶液壓系統的自動化程度。

1 液壓系統控制要求

任意一個完整的液壓系統其組成都可以分為動力元件、控制元件、執行元件、輔助元件和液壓油等5個部分［1］。一個典型的船舶液壓系統動力站的原理圖如圖1所示。該動力站的主要配置包括電動螺桿泵、氣動蓄能器、控制閥件、濾器、油箱及其液壓管路等。

圖1 船舶液壓系統原理圖Fig.1 Schematic diagram of marine hydraulic system

正常運行時，由電氣控制裝置發出指令，啟動螺桿泵向系統內充油，當蓄能器充滿時，螺桿泵自動停機或通過卸荷溢流閥卸荷運行，當有液壓用戶用油時，首先由蓄能器供油，若蓄能器供油不能滿足需求，給出放光信號時螺桿泵自動啟動也加入供油，正常情況下可以滿足用戶需要，且蓄能器逐漸被充滿，充滿后螺桿泵再次停機或卸荷運行，由蓄能器向用戶供油。系統重復上述過程，保證全船液壓用戶正常用油需求。在系統正常運行的過程中，電氣控制裝置實時監控系統，發生意外情況立即作出相應處理，對系統運行監測管理的規則如下:

1)控制螺桿泵自動啟停，監測其電壓、電流和功率，要求供電電壓穩定，允許額定電壓有－5%～+10%的波動范圍，不允許缺相，否則應報警并停機保護，工作電流應在正常范圍內，長期過電流也應報警并停機保護;

2)監測系統中蓄能器放光或充滿狀態，并對卸荷溢流閥、隔離閥、換向閥以及其他閥件進行控制;

3)監測油箱的油位，油位必須保證在正常油位內，設置一級油位和二級油位報警，低于二級油位，螺桿泵若處于工作狀態應立即自動停車;

4)在液壓泵的進口和出口、主要管道中部以及執行元件的油液進出口對壓力監測，并監測系統供油濾油器和回油濾油器進出口壓差和壓力波動情況，分析系統供油總管的壓力狀態和濾油器堵塞情況，異常時報警并調整螺桿泵運行和閥件開關;

5)測量系統中液壓油的溫度，通過控制液壓油輔助電加熱系統和冷卻系統，保證液壓油處于最佳運行溫度為35℃ ～55℃，當油溫高于80℃時，系統報警并停止螺桿泵的運行;

6)監測液壓系統的管路流量，流量變化實際上是系統容積效率的改變，異常的流量可能對應著系統中管路、閥門等故障，通過長期跟蹤系統流量變化對液壓元件的磨損狀態進行分析評估，另當系統的管路發生破損時而導致液壓油外流時，若總管內瞬間流速過大，應給出報警并迅速關斷截止閥。

2 控制裝置硬件分析

根據船舶液壓系統較復雜的控制要求，選擇TMS320LF2407A型號的DSP芯片作為核心，開發船舶液壓系統電氣控制裝置。目前各行業不同系統中的各類電氣控制裝置，其監測對象、實現方式、核心技術等可能各不相同甚至有很大的差異，但其最基本的組成部分是一致的，一般包括數據采集部分、監測與分析部分、控制輸出與顯示部分以及數據通信部分。基于DSP的船舶液壓系統電氣控制按模塊功能也可分為這4個部分，裝置的硬件組成如圖2所示。

圖2 硬件組成原理框圖Fig.2 Schematic diagram of hardware constitution

根據船舶液壓系統的自身特點和控制要求，確定實現液壓系統控制裝置的技術方案如下:

1)采用數字信號處理芯片TMS320LF2407A作為裝置開發的核心，充分利用其豐富的內部資源和高速的運算能力，在線監控液壓系統的運行;

2)選擇合適的傳感器并設計合理的信號采集電路，采集液壓系統中的壓力、溫度、流量和螺桿泵的電壓、電流等模擬量信號，以及系統蓄能器狀態、液壓閥組狀態、油箱狀態、工況選擇開關狀態等開關信號信息作為系統的狀態輸入信息，送入DSP系統進行分析處理;

3)以LCD顯示器件的方式，在裝置就地顯示壓力、溫度、流量等信息供值班人員查看，了解系統運行狀態;

4)利用DSP器件的I/O口，擴展繼電器增加其驅動能力，實現對螺桿泵、液壓閥組等的控制;

5)液壓系統發生故障時，自動作出判斷并控制系統動作，保護系統安全，并給出報警信息;

6)通過串口通信，向上位機提供數據，在上位機上顯示液壓系統的運行狀態。

為實現控制裝置功能，圍繞TMS320LF2407A芯片設計硬件電路，主要電路介紹如下:

1)溫度、壓力和流量信號采集

船舶液壓系統中液壓用油的溫度變化范圍為－30℃ ～80℃，在該溫度范圍內測量可采用PT100鉑熱電阻，測溫時，PT100鉑熱電阻還需要加1個溫度變送器，從而將阻值的變化轉換為4～20 mA電流的信號。溫度信號的采集電路如圖3所示。

圖3 溫度信號采集電路Fig.3 Temperature signal acquisition circuit

本液壓系統最大壓力為30 MPa，其測量采用的是電阻應變式壓力傳感器，配合內部電路，可將電阻的變化變換為電信號。系統流量的采集使用的是渦輪流量傳感器，根據流量大小產生電脈沖信號。壓力和流量信號采集電路與溫度采集電路類似。

2)電壓信號采集

電機是液壓系統的動力來源，為了測量液壓系統螺桿泵使用的三相380 V異步電機的電壓，需要使用電壓傳感器將強電信號轉換成為弱電信號。傳感器測量的是電壓的瞬時值，其峰值約540 V，本裝置選取的是LV20-P型霍爾電壓傳感器，采集電路見圖4。

圖4 電壓信號采集電路Fig.4 Voltage signal acquisition circuit

3)電流信號采集

當液壓系統或螺桿泵電機出現故障時，電機電流一般會較正常值增大。經過對電機電流范圍的計算以及對可選擇的傳感器產品的特性進行分析，本裝置選用的是HC－PG050V4B12B型電流傳感器。該傳感器通過內部元件轉換，已經實現了將監測對象的電流信號直接轉換為電壓信號輸出，只需進行簡單的變換即可引入DSP中使用，采集電路如圖5所示。

圖5 電路信號采集電路Fig.5 Current signal acquisition circuit

4)開關量信號采集

在進行液壓系統監測時，還有大量的開關量信號需要采集，如一些系統控制開關的狀態、重要閥件的開關狀態、輔助系統的投入狀態等。監測裝置所采用的輸入開關量電路如圖6所示，采用了光電隔離器件TLP521構成電路。

圖6 開關量信號采集電路Fig.6 Switch quantity signal acquisition circuit

5)交流信號同步采樣

采集周期性交流電壓信號時，在進入DSP進行AD轉換前，必須實現采樣的同步，即將1個周期性信號在周期內實現均勻離散，采集每個離散點的瞬時值用于對信號進行計算。對于離散傅立葉變換來說，實現同步采樣能減少頻譜的泄漏，從而控制計算結果誤差。

本裝置鎖頻電路中采用的元件是1片CMOS集成電路鎖相環芯片CD4046［2］，再配合1片雙四位二進制計數器JCCD4520，實現對交流信號的鎖頻和倍頻。如圖7所示，工頻信號f0首先進入LM311，經過這個簡單的比較電路，輸出的是標準也為TTL電平的方波信號，頻率為工頻。選擇合適的R6與C8的值，可以將4046內部的壓控振蕩器的中心頻率控制為256 f0。TTL電平信號與經過JCCD4520輸出的信號進行相位比較，然后從相位比較器輸出，并同時進行低通濾波。讓鎖相環鎖定f=256 f0，再通過JCCD4520，將f進行2分頻，就可以獲得128 f0的信號。

圖7 鎖相倍頻電路Fig.7 Phase-locked frequency multiplication circuit

3 控制裝置軟件設計

3.1 下位機軟件

下位機軟件采用TI公司專門開發的DSP芯片集成開發環境CCS2000工具進行開發，軟件采用模塊化設計。主程序的功能是進行裝置各部分的初始化，并依次調用信號采樣、數據分析、判斷輸出、上位機通信等程序，控制各個程序的執行時間，以及完成單元循環的檢查等。主程序流程如圖8所示。

圖8 主程序流程圖Fig.8 Flow process diagram of main program

相對其他模塊程序，數據分析處理程序中的電壓、電流等交流信號計算是難點。交流參量計算軟件中對交流電壓、電流和相位的計算使用FFT算法［3］。在交流參量計算軟件中將FFT算法實現為一個函數FFT(·)，并定義輸入口和輸出口。

在FFT(·)函數輸出接口input［］中存放了被測交流參量的各次諧波實部、虛部和平均值信息。交流電壓有效值U可通過下式得到:

式中:un為對應數組input［n］的值;Au為測量變換增益。

采用相同的算法可以得到交流電流有效值I。

交流電壓的相位θu可通過下式得到:

式中:u3為交流電壓基波的虛部;u2為交流電壓基波的實部。

同理，交流電流的相位θi可由下式得到:

則交流有功功率P可由下式得到:

3.2 上位機軟件

液壓系統要求具備遠程監測功能，需要在上位機上顯示液壓系統的狀態。本裝置采用美國NI(National Instrument Corporation)公司的圖形化編程工具LabVIEW開發軟件。LabVIEW平臺在開發時，完全拋棄了傳統的程序代碼，取而代之的是流程框圖，很大程度上節省了程序開發時間。

下位機通過RS232串行接口與上位機通信。上位機在完成串口初始化子程序后，和下位機進行時間同步，接受下位機數據，并將下位機傳送的十六進制的ASCⅡ數據轉換為十進制數，再執行數據保存程序和顯示程序，完成液壓系統運行數據的存儲和顯示。

船舶液壓系統上位機監測面板如圖9所示。

圖9 監測面板圖Fig.9 Schematic diagram of monitoring panel

4 結語

在詳細分析船舶液壓系統工作特點和控制要求的基礎上，設計了一種新的電氣控制裝置，采用先進的DSP技術實現了對液壓系統的自動控制，并開發了虛擬化儀表的顯示界面實現遠程監測。該裝置在船舶液壓系統中的配備，很大程度上提高了系統的可靠性和性能穩定性，也提升了液壓系統的智能化控制水平。

［1］高翔.艦船輔助機械［M］.北京:國防工業出版社，2000.90－93.

［2］宋吉江，牛軼霞.鎖相環技術及CD4046的結構和應用［J］.半導體技術，2000(3):60 －63.SONG Ji-jiang，NIU Yi-xia，Phase-locked loop technology and the structure and application ofCD4046［J］.Semiconductor Technology，2000(3):60 －63.

［3］于海生，潘松峰，吳賀榮.基于復序列FFT和鎖相原理的電參數測量［J］.電網技術，2000(3):59－61.YU Hai-sheng，PAN Song-feng，WU He-rong.Measurement of electrical parameters based on complex sequence FFT and phase locking principle［J］.Power System Technology，2000(3):59－61.