船舶自動舵便攜式調試適配裝置設計?

申傳俊 周方俊 王旭東

（1.海軍湛江航保修理廠 湛江 524002）（2.西南自動化研究所 綿陽 621000）

1 引言

自動舵是控制艦船航向的操控裝備，其穩定性和完好率是艦船遂行訓練、戰備巡邏和完成戰斗任務的重要保證。自動舵的組成包括操舵裝置和舵裝置，其中操舵裝置包括：自動操舵儀［1］，液壓舵機［2～3］，轉舵裝置。自動操舵儀是操舵裝置的核心部件，在航行中，自動操舵儀發出控制信號，控制舵機按要求進行轉舵。

由于長期處于惡劣工作環境，自動操舵儀的電路逐漸老化，導致故障率逐年增加，需要按計劃進行等級修理，以恢復其技術性能，確保后期服役的裝備與人員安全，以及日常訓練和戰備巡邏等任務的順利完成。

自動操舵儀進行等級修理作內場調試時，需要液壓舵機或者電動舵機［4］進行配合，而車間有時缺乏模擬執行機構。當操舵儀回裝到船舶后，需要等待自動舵液壓舵機系統修理完畢后才能配合調試，導致工期延遲。

在當前的船舶操舵儀內場調試以及調試工裝研究中，往往利用電動舵機和模擬液壓舵機系統與船舶運動仿真系統相結合，構成自動操舵儀內場調試環境［5～7］。通常，這類工裝體積龐大，結構復雜，轉運困難，無法攜帶到船舶駕駛臺。

為了方便調試操舵儀控制器參數，提高維修效率，減少對液壓執行機構的依賴，設計一種自動舵便攜式調試適配裝置。該裝置體積小、重量輕、適應性強、接口豐富，可以方便攜帶到船舶駕駛臺，替代實驗室電動模擬舵機與實裝液壓舵機，與操舵儀以及反饋機構相連接，構成閉環控制與調試系統，指導維修保障人員快速準確的調整自動操舵儀控制器參數，獲得滿意的控制性能，縮短保障時間，提升保障效果。

2 組成與工作原理

自動舵便攜式調試適配裝置的系統組成原理框圖如圖1，主要構成為電氣控制箱與執行機構。該調試適配裝置由工業控制計算機作為上位機、以32位微處理器（ARM）為控制主板的核心控制器，與液晶觸摸屏，電源系統，模數轉換電路，通信電路，步進電機及其驅動電路，反饋電位器，舵機信號模擬板，專用接口等硬件，以及系統軟件共同構成。其軟件包括系統初始化，系統顯示界面，控制界面，以及艦船運動仿真子模塊，能較為逼真地模擬艦船運動。

圖1 系統組成原理框圖

該裝置硬件和軟件相結合，實現自動操舵裝置調試適配的功能，從而替代體積龐大的液壓舵機或者電動舵機，并具備舵機信號模擬功能，能夠驗證操舵儀報警板的功能。

自動舵調試適配裝置分為三種控制模式：面板按鈕控制、觸摸屏（HMI）控制、遠程遙控（自動操舵儀發出控制信號），三種控制模式獨立運行控制。

1）面板按鈕控制模式：可以通過調節電位器實現比例操舵（一般舵速為單機組3°/s，雙機組6°/s，可設），串口通信單元輸出舵角信號給舵角指示器顯示實際舵角。

2）觸摸屏控制模式：可實現系統參數設置、定位控制（包括回零、左舵和右舵）、定速運行（可調整定速速度和循環角度）、機組操舵控制、系統狀態顯示，-40°～+40°舵角指示等。

3）遠程遙控控制模式：主要是根據自動操舵儀輸入的-10V～+10V模擬電壓信號或者24V開關量信號控制電動模擬舵機轉動的速度和方向，電動舵機的旋轉角度信號也被輸入模數轉換器，轉換為數字信號，送入工控機，工控機將其送入顯示屏進行顯示。

3 硬件設計方案

自動舵便攜式調試適配裝置的系統組成原理框圖如圖1，主要構成為電氣控制箱與執行機構。該調試適配裝置由工業控制計算機作為上位機、以32位微處理器（ARM）為控制主板的核心控制器，與液晶觸摸屏，電源系統，模數轉換電路，通信電路，步進電機及其驅動電路，反饋電位器，舵機信號模擬板，專用接口等硬件，以及系統軟件共同構成。其軟件包括系統初始化，系統顯示界面，控制界面，分析計算模塊，以及艦船運動仿真模塊，能較為逼真地模擬艦船運動。

圖2 裝置硬件系統結構圖

各主要部件的結構與功能介紹如下。

系統平臺：采用PC104工業控制計算機作為系統平臺，其主要特點是結構小巧，功耗低，可靠性高，接口豐富，對工作環境適應性強，該型計算機廣泛應用于工業控制中，可以作為控制計算機或者嵌入式微控制器用于測量控制系統中。

系統平臺的作用：接收觸摸屏指令，給出本地控制信號，控制模擬舵機的轉動并進行系統調零，實時接收舵角反饋信號，并為遙控工作做準備。在遙控模式工作時，采集自動舵控制器實際運行參數，經系統軟件運算，給出性能指標，自動模式下，進行船舶運動仿真運行計算，給出實時的航向信息，輸出給自動舵。

控制主板：控制主板包括微處理器STM32F 103RCT6［9］系統電路，通信電路，信號選擇電路，對外接口等電路。控制主板給出電機驅動脈沖信號、正反轉方向控制信號、接收反饋舵角信號，并輸入系統平臺。

STM32F103RCT6是意法半導體公司生產的32位微處理器，含Cortex-M3內核，為增強型ARM，具有運算處理功能強大，實時性較好，豐富的I/O接口，多個定時器、以及PWM，自帶A/D、D/A電路，讀寫迅速，功耗較低的特點，故選擇微處理器STM32F103RCT6作為控制主板的核心。

步進電機驅動電路：驅動電路以32位微控制器為核心，解析觸摸屏指令或者遙控指令，輸出控制信號，經過隔離獲得正反轉信號，單片機發出步進電機控制所需要的脈沖信號，經MOSFET構成的驅動器放大后，驅動步進電機，從而控制步進電機正反轉。

步進電機：作為系統的模擬執行機構，選擇型號為HBS86H的兩相步進電機，該電機體積較小，重量輕，步距角1.80±5%，扭矩8.5Nm，電流6A，額定電壓30V～110V DC，或交流20V～80V。

舵角模數轉換電路：將反饋電位器輸出的電機軸轉動角度信號進行模擬-數字轉換（D/A變換），將變換后所得數字信號經通信電路輸入控制主板。

角度電位器：通過齒輪組，將步進電機軸轉動角度反饋到軸角模數轉換電路，轉換為數字信號，輸入控制主板，再輸入工控機，由觸摸屏顯示模擬舵角。

濾波器：對輸入的220V交流電壓進行濾波，處理后輸入電源變壓器，消除電源系統受到的干擾［10］。

變壓器：將220V/50Hz交流電降壓，分別輸出1路～20V/5A，1路～19V/2A，2路～12V/0.8A電壓。

電源板：降壓后的交流電，采用整流器整流后，利用電容濾波后輸入三端穩壓芯片LM7824、LM7812、LM7912、M7805、LM1117、分別穩壓后輸出相應的+24V、+12V、-12 V、+5V、+3.3V［11］，向模數轉換電路、控制主板、通信電路、工控機、觸摸屏、驅動器、角度電位器等供電。

舵機信號模擬板：可實現操舵控制權、單雙機組操舵信號的模擬；機組啟停、舵機液壓系統工作狀態模擬信號接口模塊，通過鈕子開關的開合模擬各信息的報警情況，即模擬舵機設備動力電源失電、電源斷相、舵機過載、最低液位、油溫高、濾器堵塞、濾器壓差、電羅經故障、隔離旁通等。

可組裝式安裝支架：該支架分三個尺寸相同的部分，可拆卸，便于收納。支架攜帶到船舶駕駛臺后，可迅速組裝完畢，中間部分安裝步進電機，步進電機驅動一小尺寸舵盤，舵盤邊緣連接兩根連桿，兩側的支架提供反饋機構的安裝位置，利用連桿將舵盤與反饋機構進行連接，形成閉環的控制環境。

4 系統軟件設計

調試適配裝置的系統軟件分上位機軟件和控制主板微處理器軟件兩部分，上位機軟件提供系統平臺，實施系統的任務調度，接收控制主板微處理器上傳的數據等，并進行相應的數據處理。上位機軟件開發采用 Lab windows/CVI［12］，其工作流程如圖5所示。控制主板微處理器軟件采用MDK5.0來開發，采用C語言實現。

程序采用模塊化編程思想實現，程序共分為觸摸屏控制和遙控模式兩種。

觸摸屏控制：實現系統參數設置，選擇舵速，定位控制（包括回零、左舵和右舵）、定速運行（可調整速度和循環角度）、機組操舵控制、系統狀態顯示等，以及選擇系統歸零等。

觸摸屏控制時，接受輸入的指令，進行參數設置，并將相應參數輸入控制主板，控制模擬舵機作相應的運動。

遙控模式：該模式下，可以在操舵儀進行簡單、隨動、自動三種模式操舵，其上位機工作流程如圖3。當進行自動操舵時，系統運行船舶航向自動控制運動仿真程序。

圖3 遙控模式上位機軟件工作流程

上位機軟件工作流程如下。

選擇遙控模式，上位機與控制主板微處理器通信，成功后在界面中選擇控制模式，設置控制參數，并進行確認；從自動舵控制器輸入航向修正指令，上位機收到控制指令，接收控制主板微處理器發送回來的當前舵角信號，由船舶航向運動仿真模塊進行解算與運動仿真，上位機將解算的控制指令數據由串口發送到控制主板微處理器，控制模擬舵機即步進電機的運動，從而模擬船舶的轉舵和運動過程。

選擇隨動模式時，則裝置上位機接收操舵儀給出的轉舵指令，發出控制信號到控制主板微處理器，控制主板微處理器發出信號至驅動板，控制電動舵機運動，從而完成隨動控制過程，舵角反饋信號可在裝置的面板顯示，同時，自動舵面板舵角復示器直接顯示當前舵角。

在完成自動、隨動控制過程的同時，適配裝置的控制主板微處理器接收上位機的指令，向上位機發出測量所得的電動舵機旋轉角度，運行時間等信息，上位機程序分析計算模塊自動計算，輸出自動操舵裝置給出的舵令，電動執行機構響應過程中的超調量，震蕩次數，過渡過程時間，控制過程結束后的舵角誤差，并在液晶屏上進行顯示。根據上位機提供的各項技術指標，可指導維修保障人員對控制器進行現場參數調試。

ARM軟件工作流程圖如圖4所示。

圖4 控制主板ARM工作流程

控制主板微處理器（ARM）與工業控制計算機通信，成功后等待工業控制計算機發出操舵方式等控制命令，接收模數轉換板發出的模擬舵機反饋角度，以及記錄的相應的時間信息，將上述信息傳輸至工業控制計算機，操舵結束，數據記錄、轉換、傳輸完成后，控制主板微處理器工作結束。

5 檢測實驗

調試適配裝置單機調試完畢后，利用專用電纜將其與自動操舵裝置控制器的對外接口連接，并將反饋機構固定于可組裝支架上，連接好反饋機構連桿（反饋機構的反饋信號連接于操舵儀），由調試適配裝置替代體積較大的實驗室液壓舵機或電動舵機，可實現自動舵控制器參數的實驗室內場調試，以及自動舵裝備在船舶現場調試的要求，縮短調試周期，提高保障效率。

經過試驗和測試，調試適配裝置相關功能及指標參數如下：

1）模擬單機組舵速（2.3°/s～2.7°/s），雙機組舵速（4.6°/s～5.4°/s），舵速在規定指標范圍內可選擇調整；

2）面板按鈕、觸摸屏（HMI）、遠程遙控三種控制模式實現模擬操舵的控制，三種控制模式可自由切換；

3）舵角反饋值0°～±40°對應0～±10V電壓值輸出；

4）數據記錄、分析與輸出：記錄操舵儀給出的舵令，自動、隨動操舵方式時的震蕩次數，超調量，穩定時間，任意操舵方式的舵角誤差等；

5）供電方式：交流220V/50Hz供電；

6）平均功率：≤120W。

6 結語

設計了一種自動舵控制系統便攜式調試適配裝置，裝置具有體積小、重量輕、攜帶方便、接口適應性強等優點。在自動舵內場修理和船舶現場自動舵調試過程中，調試適配裝置通過相應接口與自動操舵儀連接，進行現場調試，可方便快捷地調整自動舵控制器參數，縮短調試周期，提高保障效率。