旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)型自動(dòng)舵系統(tǒng)研究

徐 峰，梁炯炯，黃毫軍，陳岱岱,2

(1. 中電科（寧波）海洋電子研究院有限公司，浙江 寧波 315000；2. 哈爾濱工程大學(xué) 動(dòng)力與能源工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

船舶自動(dòng)操舵儀，可用于保持船舶在給定航向或航跡上航行，是船舶運(yùn)動(dòng)控制關(guān)鍵操縱設(shè)備之一[1–2]。通過應(yīng)用自動(dòng)舵能使船舶航跡更接近直線，有效避免人為頻繁操舵造成的“蛇形”航跡，從而具有更好的節(jié)能和經(jīng)濟(jì)效益[3]。我國對(duì)自動(dòng)舵系統(tǒng)進(jìn)行了多年研究，并研制成功一批實(shí)際產(chǎn)品，但這些研究和應(yīng)用主要集中在電動(dòng)液壓舵機(jī)系統(tǒng)及其控制算法方面，通過控制電磁閥啟閉來實(shí)現(xiàn)舵運(yùn)動(dòng)的控制[4–5,6]。

然而現(xiàn)有數(shù)量龐大的舊式船舶操舵系統(tǒng)仍然采用人力驅(qū)動(dòng)舵輪，進(jìn)而帶動(dòng)液壓轉(zhuǎn)向器旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)船舶航向控制。在智慧航行以及節(jié)能減排的新形勢(shì)下，傳統(tǒng)船舶全液壓轉(zhuǎn)向器操舵系統(tǒng)存在的精度低、能效差、人工操舵強(qiáng)度大等問題日益突出，因此對(duì)傳統(tǒng)舵機(jī)系統(tǒng)改造或換裝升級(jí)的需求愈加旺盛。目前也缺少針對(duì)帶全液壓轉(zhuǎn)向器的舵機(jī)進(jìn)行自動(dòng)舵升級(jí)改造的研究。另一方面，如果加裝電磁閥型自動(dòng)舵，則必須在現(xiàn)有舵機(jī)基礎(chǔ)上加裝電磁閥，對(duì)油路改動(dòng)較大。

為了解決上述問題，本文提出了一種旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)型自動(dòng)舵系統(tǒng)，通過設(shè)計(jì)基于STM32的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，對(duì)傳統(tǒng)液壓轉(zhuǎn)向器舵機(jī)改進(jìn)，在不改動(dòng)油路的前提下，實(shí)現(xiàn)舵機(jī)自動(dòng)化升級(jí)，有效減輕操舵強(qiáng)度，提高航跡精度，降低船舶燃油消耗。

1 傳統(tǒng)液壓轉(zhuǎn)向舵機(jī)系統(tǒng)

傳統(tǒng)液壓轉(zhuǎn)向舵機(jī)系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖 1 傳統(tǒng)液壓換向舵機(jī)原理圖Fig. 1 Principle of traditional rudder based on hydraulic commutator

系統(tǒng)工作時(shí)，通過操舵手轉(zhuǎn)動(dòng)舵輪5經(jīng)由液壓轉(zhuǎn)向器6控制高壓油流向，進(jìn)而推動(dòng)舵機(jī)兩側(cè)液壓缸的伸縮，實(shí)現(xiàn)對(duì)舵葉的控制。其余結(jié)構(gòu)為液壓油路部件。

裝備全液壓轉(zhuǎn)向器舵機(jī)轉(zhuǎn)舵迅速且操舵扭矩小；轉(zhuǎn)向器可定量供油，舵輪能夠在任意位置停留[7]。因此，中小型漁船、貨船、客輪上普遍使用液壓轉(zhuǎn)向器舵機(jī)。但是人工操舵作業(yè)頻次高、強(qiáng)度大，打舵精度差，易過量打舵，導(dǎo)致船舶航行經(jīng)濟(jì)性低，在智能航行、節(jié)能減排趨勢(shì)下亟待自動(dòng)化升級(jí)。因此開展對(duì)現(xiàn)有舵機(jī)改造升級(jí)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)型自動(dòng)舵具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。

2 旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)型自動(dòng)舵系統(tǒng)原理

設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)型自動(dòng)舵在液壓轉(zhuǎn)向器手動(dòng)舵的基礎(chǔ)上，引入角度傳感器和控制單元，構(gòu)建雙閉環(huán)自動(dòng)操舵系統(tǒng)，包括舵角控制內(nèi)環(huán)和航向控制外環(huán)。圖2給出了自動(dòng)操舵模式下的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)型自動(dòng)舵雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)框圖。

旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)型自動(dòng)舵控制系統(tǒng)的工作流程如下：

1）首向傳感器檢測(cè)船舶實(shí)際航向，舵角反饋器檢測(cè)實(shí)際舵角，并發(fā)送給主控盒；

2）自動(dòng)舵主控盒比較實(shí)際航向信號(hào)和給定航向信號(hào)，計(jì)算出偏航角；

3）主控盒根據(jù)偏航角以及實(shí)際舵角采用PID算法計(jì)算出偏舵角；

4）主控盒根據(jù)偏舵角給電機(jī)控制器發(fā)送方向和角度命令；

圖 2 旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)型自動(dòng)舵系統(tǒng)原理圖Fig. 2 Principle of rotary-driven autopilot

5）電機(jī)控制器根據(jù)接收的指令控制舵輪驅(qū)動(dòng)器旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)液壓轉(zhuǎn)向器，改變舵的方向和角度；

6）重復(fù)步驟2～步驟6過程，直至操縱船沿目標(biāo)航向航行。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)型自動(dòng)舵系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖3所示。

圖 3 旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)型自動(dòng)舵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 3 Structure of rotary-driven autopilot

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要涉及兩方面的改動(dòng)：

1）布置角度傳感器。安裝首向傳感器7，并在舵葉附近安裝舵角反饋器9，作為雙閉環(huán)控制的信息輸入；

2）改造控制驅(qū)動(dòng)單元。配置主控盒6、電機(jī)控制器5；在舵輪4和液壓轉(zhuǎn)向器2之間以機(jī)械方式安裝舵輪驅(qū)動(dòng)器3。主控盒設(shè)置手動(dòng)/自動(dòng)模式，接收來自首向傳感器和舵角反饋器的信息后，發(fā)送控制指令給電機(jī)控制器。在手動(dòng)操舵基礎(chǔ)模式下，舵輪4直接帶動(dòng)液壓轉(zhuǎn)向器2；在改進(jìn)的自動(dòng)操舵模式下，舵輪4與液壓轉(zhuǎn)向器2傳動(dòng)分離，通過舵輪驅(qū)動(dòng)器3帶動(dòng)液壓轉(zhuǎn)向器。

3.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)型自動(dòng)舵控制系統(tǒng)硬件由PWM輸出電路、逆變電路、轉(zhuǎn)速控制環(huán)節(jié)構(gòu)成。

相比有刷直流電機(jī)以及交流電機(jī)，無刷直流電機(jī)（Brushless Direct Current, BLDC）具有更好的速度/扭矩性能，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，調(diào)速性能好，壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)[8–9]。本文設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)型自動(dòng)舵控制系統(tǒng)選用無刷直流電機(jī)。

以STM32F103CBT6為主控制器，采用PWM控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，MOSFET驅(qū)動(dòng)電機(jī)，霍爾傳感器檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置。系統(tǒng)同時(shí)通過CAN與主控盒進(jìn)行通信，接收來自上位機(jī)的控制命令。STM32不斷采集實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速及電流，通過速度外環(huán)以及電流內(nèi)環(huán)達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對(duì)BLDC的雙閉環(huán)控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖 4 旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)型自動(dòng)舵控制框圖Fig. 4 Control flow chart of rotary-driven autopilot

3.1.1 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

STM32F103CBT6采用Cortex-M3內(nèi)核，芯片集成了一個(gè)高級(jí)定時(shí)器TIM1，能夠輸出6路互補(bǔ)帶死區(qū)控制的PWM波；驅(qū)動(dòng)電路將定時(shí)器輸出的6路PWM波經(jīng)過驅(qū)動(dòng)芯片IR2136后用以驅(qū)動(dòng)IRF4105 MOSFET.STM32接收電機(jī)輸出的HA，HB，HC代表轉(zhuǎn)子位子的3個(gè)霍爾信號(hào)，經(jīng)過組合邏輯運(yùn)算，輸出按一定持續(xù)控制的6個(gè)MOSFET導(dǎo)通與關(guān)斷的信號(hào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的控制。

IR2136是功率MOSFE和IGBT專用柵極集成驅(qū)動(dòng)電路，其控制邏輯輸入和CMOS、LSTTL電平兼容，同時(shí)輸入帶有噪聲濾波器，具有良好的噪聲抑制能力[10]。其驅(qū)動(dòng)電路及MOSFET逆變橋電路如圖5和圖6所示。

圖中逆變橋用于將直流電源轉(zhuǎn)換為可以驅(qū)動(dòng)BLDC運(yùn)行的三相交流電。

3.1.2 轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

圖 5 驅(qū)動(dòng)電路圖Fig. 5 Drive circuit diagram

圖 6 MOSFET逆變橋電路圖Fig. 6 MOSFET inverter bridge circuit diagram

大多數(shù)無刷直流電機(jī)在定子的非驅(qū)動(dòng)端都嵌有3個(gè)霍爾傳感器，當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極經(jīng)過霍爾傳感器時(shí)，霍爾傳感器將會(huì)產(chǎn)生高低電平的變換。通過3個(gè)霍爾傳感器輸出信號(hào)的組合可以得到電機(jī)的當(dāng)前位置，從而得到電機(jī)的換相時(shí)序。STM32F103CBT6具有3個(gè)通用定時(shí)器以及一個(gè)高級(jí)定時(shí)器，每個(gè)定時(shí)器的TIMX_CH1、TIMX_CH2、TIMX_CH3三個(gè)輸入捕獲引腳在定時(shí)器內(nèi)部經(jīng)過異或后再將結(jié)果送給輸入捕獲邏輯執(zhí)行單元，大大簡(jiǎn)化了STM32與霍爾傳感器接口電路的設(shè)計(jì)[11]。其檢測(cè)電路如圖7所示。

3.1.3 電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

對(duì)于高轉(zhuǎn)速、大慣量的電機(jī)，為提高系統(tǒng)控制效率，引入電流環(huán)為電機(jī)提供相對(duì)恒定的驅(qū)動(dòng)電流。電流檢測(cè)常見的有霍爾電流傳感器和電阻采樣的方法[12]。本文采用的是電阻采樣法來測(cè)量的電機(jī)電流，檢測(cè)電路如圖8所示。

圖 7 轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路圖Fig. 7 Speed detection circuit

圖 8 電流檢測(cè)電路圖Fig. 8 Current detection circuit

3.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為了保證旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)型自動(dòng)舵控制系統(tǒng)的控制精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，系統(tǒng)選用電流內(nèi)環(huán)、速度外環(huán)的雙閉環(huán)控制策略。電流內(nèi)環(huán)的作用是提高系統(tǒng)的快速響應(yīng)，提供過流保護(hù)保障系統(tǒng)安全運(yùn)行。電流內(nèi)環(huán)采用變速積分的PI調(diào)節(jié)器，基本思想是通過改變積分項(xiàng)的累加速度，使其與偏差大小相適應(yīng)。速度外環(huán)的作用是提高系統(tǒng)抗負(fù)載擾動(dòng)的能力，抑制速度波動(dòng)，保證系統(tǒng)靜態(tài)精度和動(dòng)態(tài)跟蹤的能力。速度環(huán)采用積分分離PI算法，開始時(shí)僅使用比例控制使速度快速達(dá)到設(shè)定值范圍內(nèi)，當(dāng)速度接近設(shè)定值后才引入積分作用[13]。其控制策略如圖9所示。

圖 9 控制策略圖Fig. 9 Control strategy diagram

3.3 舵輪驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

根據(jù)應(yīng)用對(duì)象的不同，電磁閥型自動(dòng)舵主要用于大中型船舶，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)型自動(dòng)舵主要用于中小型船舶[14–15]。而舵輪驅(qū)動(dòng)器屬于旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)型自動(dòng)舵的核心模塊，其主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、離合機(jī)構(gòu)及控制單元等4部分組成。

本文設(shè)計(jì)的舵輪驅(qū)動(dòng)器包括直流無刷行星減速電機(jī)、手電連接器以及電機(jī)控制單元3個(gè)部件。其中，手電連接器中內(nèi)置簡(jiǎn)化后的傳動(dòng)與離合機(jī)構(gòu)，通過一體化設(shè)計(jì)，集成了控制單元與手電連接器，減小了體積，增加了可靠性，并大大降低了接線工作量。手電連接器的結(jié)構(gòu)主要由外殼、機(jī)械傳動(dòng)離合機(jī)構(gòu)以及電機(jī)3部分組成，如圖10所示。

根據(jù)鏈傳動(dòng)的效率定義[16]，可計(jì)算舵輪驅(qū)動(dòng)器主軸輸出端的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速：

圖 10 所設(shè)計(jì)手電連接器結(jié)構(gòu)剖面圖Fig. 10 Structure of manual-automatic connector

設(shè)定無刷電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，額定力矩為0.191 N.m，額定功率60 W，選用行星二級(jí)減速機(jī)，減速比為45。經(jīng)計(jì)算減速電機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速為67 r/min，允許轉(zhuǎn)矩為6.96 N.m。根據(jù)全液壓轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)要求，其輸入轉(zhuǎn)速應(yīng)不大于75 r/min，輸入扭矩范圍應(yīng)控制在1～5 N.m。舵輪驅(qū)動(dòng)器主軸輸出端的輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩須滿足上述要求。

4 性能測(cè)試

通過船舶運(yùn)動(dòng)模擬方法對(duì)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)型自動(dòng)舵進(jìn)行200°轉(zhuǎn)向測(cè)試。

1）假定主機(jī)轉(zhuǎn)速不變，無風(fēng)、浪和流。

2）模擬船舶參數(shù)，如表1所示。

3）初始航向200°，初始船速14 kn。

舵機(jī)主控盒上選擇自動(dòng)模式，設(shè)置目標(biāo)航向?yàn)?30°，轉(zhuǎn)向測(cè)試結(jié)果如圖11所示。

圖11(a)給出了轉(zhuǎn)向測(cè)試的舵角響應(yīng)曲線，舵角響應(yīng)曲線較為平穩(wěn)，且為了保證航行安全，激活了20°的舵角閾值。

如圖11(b)所示，轉(zhuǎn)向測(cè)試中航向角的變化曲線，角度變化平穩(wěn)，過調(diào)量極大值為229.6°，4 min后航向角穩(wěn)定在229.5°，綜上所述本文設(shè)計(jì)的舵系統(tǒng)轉(zhuǎn)向控制精度較高。

表 1 船舶模擬參數(shù)表Tab. 1 Parameters of ship

圖 11 測(cè)試結(jié)果Fig. 11 Test results

5 結(jié) 語

針對(duì)手力換向舵機(jī)的升級(jí)，本文提出一種旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)型自動(dòng)舵系統(tǒng)，闡明了系統(tǒng)原理和控制原理；詳細(xì)描述了基于STM32主控制器電路以及傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

最后通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，表明所設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)型自動(dòng)舵操舵性能穩(wěn)定、精度高，所設(shè)計(jì)的舵輪驅(qū)動(dòng)器可直連全液壓轉(zhuǎn)向器，在不改變?cè)械囊簤夯芈非疤嵯拢瑢?shí)現(xiàn)船舶自動(dòng)操舵，有效減輕操舵強(qiáng)度，提高航跡精度，降低船舶燃油消耗，滿足市場(chǎng)需求。