水陸兩用車舵機控制系統的設計研究

胡海軍 于利民

山東交通學院 山東 威海 264209

0 引言

水陸兩用車（又名“水陸兩棲車輛”）是同時具有陸地車輛和水上船舶性能的一種特殊車輛[1]。傳統水陸兩用車大多直接采用船舶的舵機控制系統,采用機械傳動控制或者液壓控制,整個系統構成復雜,可集成性差,與水陸兩用車的陸上轉向系統相互獨立,不便于駕駛員進行操控。

在汽車領域,智能汽車、無人駕駛技術近幾年飛速發展,這些技術不再是只停留在科幻片中,而是已經進入人們的日常生活;對于水陸兩用車領域,智能化、無人化也是未來發展的重要趨勢。

所以某新型水陸兩用車項目,針對傳統水陸兩用車舵機控制系統的不足,并著眼于未來智能化的發展趨勢,對水陸兩用車的舵機控制系統提出了新的設計要求:

（1）受制于該型水陸兩用車空間有限,舵機控制系統應結構簡單,占用空間小,具備精度高、快速響應的特點。

（2）水陸兩用車舵機控制系統應與陸上轉向控制系統相融合,共用一套操控系統,即一個方向盤即能控制陸上轉向,又能控制水上轉向,并且能快速切換。

（3）舵機控制系統應具備數字化接口,便于與其他系統進行組網、集成,滿足未來智能化升級需求。

1 方案設計

針對該項目的設計要求,綜合分析后決定設計一套基于PLC的電動舵系統,該系統由切換裝置、信號采集裝置、PLC中控系統、電動轉舵執行機構等組成,基本結構如圖1所示。

圖1 系統基本結構圖

1.1 硬件設備

（1）切換裝置

切換裝置為一套同步器和帶拔插的電動推桿。由于水陸兩用車陸上轉向系統是沿用汽車轉向系統,屬于機械傳動,所以采用了一套同步器作為切換裝置,安裝在方向盤與陸上轉向器的傳動軸上。該裝置運用電動推桿加拔插來控制同步環的位置,來實現同步器上下端的連接和斷開,進而控制方向盤與陸上轉向器的連接和斷開。

（2）信號采集裝置

采用絕對型旋轉編碼器作為信號采集裝置。舵機控制系統需要采集的信號為轉角信號,而絕對型旋轉編碼器對于每一個角度位置都特定的編碼,且不受斷電影響,具有精確度高、抗干擾能力強的優點。本方案采用三個絕對值型旋轉編碼器,分別用以檢測方向盤、舵機、陸上轉向器的轉角信號,并將信號傳輸給PLC中控系統。

（3）PLC中控系統

PLC中控系統主要由PLC主機、通訊模塊、人機交互端組成。PLC主機采用西門子CPU 1214 DC/DC/DC,其集成PROFINET接口,具有強大的集成工藝功能和靈活的可擴展性等特點。其作為整個系統的“大腦”,負責處理、分析各種數據,并按照編程指令進行相應操作,如發送PWM控制信號、向與人機交互端發送舵角信號等。

通訊模塊采用CM 1241 RS485,負責接收和發送RS485信號,主要為PLC提供編碼器的轉角數據,也是舵機系統與其他設備通訊的端口之一。

人機交互端（HMI面板）,采用KTP 400 Basic mono PN設備,是西門子PLC的配套設備,其功能強大,能顯示大量的文字、圖像等信息,還擁有大量報警系統,最高可顯示50個畫面,128個實時變量。其作用是通過與PLC進行通訊,實時顯示轉舵系統的各中變量值及運行狀態,如舵角值、方向盤轉角;執行人工操作,對PLC發送操作指令,如控制切換系統的斷開和連接等;接收PLC的指令,執行故障報警等。

（4）電動轉舵執行機構

電動轉舵執行機構主要由步進電機控制器、步進電機、蝸桿減速器等組成。根據噴水推進器的轉舵扭力實驗,并綜合考慮船體內部空間等因素,最終選取57HSZ3N步進電機,及配套的HBS57步進電機驅動器和蝸桿減速器。步進電機具有輸出力矩大、成本低的優點,且轉速和轉動角度都可由脈沖精確控制。蝸桿減速器具有扭矩放大的作用,為選用小功率、小尺寸步進電機提供了便利;還具有自鎖功能,能避免舵桿反轉而損壞電機。

1.2 工作模式

水陸兩用車的轉向控制存在以下三種情況:陸上行駛時,舵機控制系統不工作,直接關閉系統即可;水中航行時,前輪會進行提升,要求只進行水上轉向控制,這時切換裝置工作斷開陸上轉向連接;特殊情況下,方向盤可同時控制舵機轉向和陸上轉向,如上岸和下水階段。

本系統的舵機控制具備三種工作模式:方向盤進行操控,上位機進行操控,通過數字接口由其它設備控制。

2 軟件設計

運用西門子PLC專用編程軟件STEP7進行本系統的軟件開發,根據工作不同功能和要求,將程序主要分為數據處理模塊、工作模式切換模塊、轉舵控制模塊、人機交互端模塊。

2.1 數據處理模塊

數據處理模塊主要是讀取各編碼器的轉角數據,進行換算并儲存,方便其它程序、設備調用;與其它設備進行通訊,接收指令或者發送數據。

2.2 工作模式切換模塊

控制陸上轉向系統接入和斷開,為保證水陸兩用車在水上和陸上正常行駛,以及車輪提升需求,要求方向盤打正,誤差在許可范圍,才能斷開陸上控制系統;方向盤轉角與陸上轉向器轉角差值在許可范圍內,才可接入陸上轉向系統;還設置有應急開關,特殊情況下,可以立即切換。

切換轉舵控制模式,設置三個模式:方向盤操控、上位機操控、數字控制。方向盤操控模式,舵角設定值源于方向盤的轉動;上位機控制模式,舵角設定值來源于人機交互端的手動輸入;數字控制模式,其它設備通過數值化接口與系統進行通訊,設定舵角值。

2.3 轉舵控制模塊

轉舵控制模塊控制流程圖如圖2所示。

圖2 轉舵控制流程圖

由上級程序設定舵角α,通過讀取實際舵角β,來計算舵角偏差;當偏差合理時,進行PID計算,并由PLC發送對應脈沖,控制轉舵機構運動,使舵角偏差趨向于零,實現轉舵的精確控制。通過PID控制可以周期性調節噴水推進器的實際舵角,使之始終與設定舵角相符[2]。通過使用STEP 7中的PID_Compact指令進行PID算法控制,其算法表達式可簡化為:

Yn采樣時刻為n時,計算出的PWM控制量;Kc是控制過程的增益量;SPn是采樣時刻為n時系統的給定值;PVn是在采樣時刻為n時的過程變量;T是采樣周期;TD是微分時間;T1是積分時間;YX是在采樣時刻為（n-1）時的積分輸出量[3][4]。

2.4 人機交互端模塊

人機交互端模塊是將PLC的數字信號轉化為駕駛員可識別的視覺信號,并將駕駛員的指令轉化為數字信號發送至PLC,主要分為顯示和控制兩部分。該模塊的程序編寫,需要構建顯示面板,與PLC通訊,將系統運行情況、操作提時、舵角值、方向盤角度值、陸上轉向器角度值、故障報警等進行顯示;構建控制面板,便于駕駛員向PLC發送控制指令,如控制系統的工作模式,設定舵角值,打開或關閉電機等。

3 結語

本系統在某新型水陸兩用車上試裝后,運行效果良好,試驗的數據如下:能實現一個方向盤操控水上轉向與陸上轉向,切換裝置的切換時間為1s;電動轉舵執行機構的轉舵速度為每秒20°;實際舵角與顯示舵角的誤差不超過0.1°,正舵時無偏差。以上試驗數據表明,該舵機控制系統滿足了水陸兩用車的使用需求,達到預期設計目標。該系統具有結構簡單、占用空間小、轉舵精度高的優點,且預留有數值化接口,為水陸兩用車的智能化升級預留了空間,為水陸兩用車無人駕駛技術提供了重要基礎。