某型掃雷具分系統(tǒng)碼頭環(huán)境下調(diào)試措施的研究

鄧 濤，沈誼偉

（中國人民解放軍第四八零一工廠黃埔軍械修理廠，廣東 廣州 510715）

0 引言

某型艦三電極掃雷具控制分系統(tǒng)[1]由最初的手動(dòng)調(diào)節(jié)方式發(fā)展到后來的半自動(dòng)控制方式，再到目前單片機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)控制方式，控制分系統(tǒng)的逐步優(yōu)化，一定程度上降低操作難度，提高作戰(zhàn)性能，但同時(shí)也增加了維護(hù)保障難度。

該型掃雷具現(xiàn)階段的主要保障難點(diǎn)是：三電極掃雷具控制分系統(tǒng)各組部件的功能及性能在碼頭環(huán)境下無法充分、有效地得到驗(yàn)證，一般是結(jié)合掃雷具布放拖曳訓(xùn)練時(shí)進(jìn)行驗(yàn)證。一旦在海上拖曳時(shí)發(fā)現(xiàn)控制分系統(tǒng)存在問題，正常的訓(xùn)練科目就無法開展。另外，因海上維修環(huán)境復(fù)雜、維修難度大，難以及時(shí)排除故障，待艦船停靠碼頭實(shí)施檢修后，又需要出海拖曳驗(yàn)證，這種反反復(fù)復(fù)的維修、驗(yàn)證方式，拖長裝備維修周期，不利于形成戰(zhàn)斗力，也浪費(fèi)較多資源。

目前，最直觀反映三電極掃雷具控制分系統(tǒng)內(nèi)各組部件功能及系統(tǒng)性能的是三電極控制柜主回路、補(bǔ)償回路勵(lì)磁信號輸出是否受控。本文結(jié)合維修保障經(jīng)歷，通過分析控制原理及硬件電路結(jié)構(gòu)，構(gòu)建調(diào)試控制系統(tǒng)，能夠在碼頭環(huán)境下，將控制分系統(tǒng)在自動(dòng)方式下按照實(shí)際掃雷作業(yè)參數(shù)設(shè)置并啟動(dòng)工作，有效檢測勵(lì)磁信號的受控性，充分驗(yàn)證控制分系統(tǒng)在出海前的性能。

1 控制原理分析

三電極掃雷具的控制分系統(tǒng)核心控制部分為三電極控制柜，其內(nèi)部分為主回路、補(bǔ)償回路2大控制回路，主要為發(fā)電機(jī)組提供勵(lì)磁信號。主回路、補(bǔ)償回路工作原理及硬件結(jié)構(gòu)相同，其區(qū)別在于輸出電流值不同。

三電極掃雷具正常作業(yè)方式是自動(dòng)方式，該方式下，三電極控制柜接收來自上位機(jī)的波形、極性信號，經(jīng)過調(diào)節(jié)、監(jiān)控處理后，控制發(fā)電機(jī)組輸出滿足設(shè)定要求的電流；同時(shí)監(jiān)測發(fā)電機(jī)組輸出量，用于系統(tǒng)功能保護(hù)，并實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。工作原理框圖如圖1。

圖1中，上位機(jī)輸出的波形信號參數(shù)值與發(fā)電機(jī)組輸出采集量之間存在一定的比例關(guān)系。下文中以三電極控制柜某一回路為例，闡述相應(yīng)的控制原理，并驗(yàn)證該比例關(guān)系。

圖1 控制原理框圖Fig. 1 Control principle block diagram

上位機(jī)送出的波形信號量，通過200 Ω電阻轉(zhuǎn)換為電壓，用于控制功放模塊輸出。發(fā)電機(jī)組輸出采集量通過相應(yīng)的傳感器件[2-3]進(jìn)行采集。部分傳感器件性能如表1所示。

表1 傳感器件性能參數(shù)表Table 1 Performance parameters of sensors

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通過安裝在保護(hù)電路板中的10 Ω無感精密電阻將掃雷電流采集器采集的電流量轉(zhuǎn)換成電壓量，通過200 Ω無感精密電阻將勵(lì)磁電流采集器采集的電流量轉(zhuǎn)換成電壓量。

為便于控制原理描述，設(shè)定在理想情況下，上位機(jī)主回路參數(shù)設(shè)置為1 000，且發(fā)電機(jī)組輸出也為1 000。結(jié)合上述各傳感器參數(shù)，相關(guān)計(jì)算如下。

上位機(jī)設(shè)定值為1 000時(shí)，通過200 Ω電阻轉(zhuǎn)換為電壓量，即實(shí)際上位機(jī)控制波形信號電壓為

設(shè)發(fā)電機(jī)組輸出也為1 000，其采集反饋量通過10 Ω無感精密電阻轉(zhuǎn)換電壓量，即機(jī)組輸出采集量電壓為

結(jié)論：上述式（1）-（2）結(jié)果一致，也就是上位機(jī)控制波形信號電壓與機(jī)組輸出采集反饋量電壓完全一樣，即發(fā)電機(jī)組輸出可完全按照上位機(jī)設(shè)定值而變化，根據(jù)作業(yè)計(jì)劃，通過改變上位機(jī)參數(shù)設(shè)定值，即可得到需要的控制波形。此即為三電極掃雷具系統(tǒng)工作的控制原理。

2 硬件電路原理分析

2.1 控制模塊原理

控制模塊內(nèi)部包括1塊調(diào)節(jié)監(jiān)控板（或CPU插板）和1塊保護(hù)電路板。調(diào)節(jié)監(jiān)控板主要負(fù)責(zé)識別工況選擇方式，接收上位機(jī)送來的波形和極性信號，同時(shí)接收傳感器的采集信號，進(jìn)行比較判斷，輸出功放模塊的控制信號及極性信號。保護(hù)電路板主要接收傳感器采集信號，進(jìn)行過流、過壓保護(hù)。

2.1.1 調(diào)節(jié)監(jiān)控板原理

調(diào)節(jié)監(jiān)控板以 STM32系列單片機(jī)[4-5]為控制核心，結(jié)合外圍運(yùn)放、模擬開關(guān)及隔離電路等，實(shí)現(xiàn)對信號的采集、判斷及隔離輸出。大致可分為電源轉(zhuǎn)換電路、波形信號處理電路[6]、波形極性處理電路、采集量處理電路、AD/DA轉(zhuǎn)換電路、功放控制信號輸出電路、功放極性信號輸出電路7個(gè)功能部分。

電源轉(zhuǎn)換電路以DC-DC轉(zhuǎn)換模塊為主，將±15 VDC轉(zhuǎn)換為±12 VDC、+5 VDC及+3.3 VDC，對電路板中單片機(jī)、功放等器件供電。

波形信號處理電路如圖2，電流信號AI-0經(jīng)轉(zhuǎn)換電阻R轉(zhuǎn)換為電壓量，經(jīng)運(yùn)放OP4177及多路復(fù)用器后輸出VIN1，送給AD轉(zhuǎn)換器采集。采集量處理電路原理與波形信號處理電路相同，輸出量也送給AD轉(zhuǎn)換器。

圖2 波形信號處理電路Fig.2 Waveform signal processing circuit

AD/DA轉(zhuǎn)換電路如圖3，圖中D1為4通道、12位帶符號位的逐次逼近型AD轉(zhuǎn)換器；D5為高精度、12位乘法型DA轉(zhuǎn)換器。AD/DA轉(zhuǎn)換器均采用串行接口器件。

圖3 AD/DA轉(zhuǎn)換電路圖Fig.3 AD/DA conversion circuit diagram

功放控制信號輸出電路如圖4，DA轉(zhuǎn)換器的輸出經(jīng)過電壓跟隨器[6]后分兩路輸出，其中一路的輸出信號是另一路輸出信號的一半。在線路連接中，主回路連接到最大輸出量，補(bǔ)償回路連接最小輸出量。

圖4 功放控制信號電路Fig.4 Power amplifier control signal circuit

功放極性信號輸出電路采用光電耦合隔離器件實(shí)現(xiàn)，減少電路中干擾。

2.1.2 保護(hù)電路板原理

保護(hù)電路原理如圖 5，主要對發(fā)電機(jī)組的輸入勵(lì)磁電流以及輸出的電流、電壓進(jìn)行監(jiān)測、保護(hù)。

圖5 保護(hù)電路圖Fig.5 Signal protection circuit

信號輸入量與比較量經(jīng)過運(yùn)算放大器后，控制三極管的導(dǎo)通或截止，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)線路保護(hù)。根據(jù)電路中電流信號特性，比較量的取值范圍如表2，可通過板上調(diào)節(jié)電位器修正。

表2 保護(hù)參數(shù)理論值Table 2 Theoretical value of protection parameters

2.2 功率模塊原理

功率模塊基于UCC2895的移相全橋電源系統(tǒng)[7]，主要將控制模塊送來的控制信號進(jìn)行功率放大，作為發(fā)電機(jī)組的勵(lì)磁信號。其控制原理框圖如下圖6。

圖6 功率控制模塊原理框圖Fig.6 Functional block diagram of power control module

控制信號經(jīng)過變壓器型隔離放大器 AD202后，送移相全橋控制器UCC2895，經(jīng)PWM調(diào)制后，四路輸出，協(xié)同極性信號一起分別控制MOS管及IGBT模塊的驅(qū)動(dòng)電路[8]動(dòng)作。極性信號伴隨控制信號一同有無。

圖6中，UCC2895的四路輸出均為方波，其中13、14與17、18互為反相，13、17同相，14、18同相，但有一定的偏移量。其時(shí)序圖及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖7-8，功能引腳定義如表3。

一般地,零件配套生產(chǎn)問題可以描述為某企業(yè)生產(chǎn)一種產(chǎn)品，它需要m種零件按某種數(shù)量比例(c1∶c2∶…∶cm)配套組裝而成，可以加工這些零件的設(shè)備有n種，每種設(shè)備又有pk(k=1,2,…,n)臺，第i種設(shè)備生產(chǎn)第j種零件的日生產(chǎn)能力為qij(件/臺·日)，試制定使該產(chǎn)品產(chǎn)量最大的生產(chǎn)方案．

圖7 UCC2895時(shí)序圖（無輸出延遲顯示）Fig.7 Timing diagram of UCC2895（No output delay shown）

控制電路的輸出為脈沖波，脈寬隨控制電流信號大小而改變，脈沖波控制MOS管及IGBT驅(qū)動(dòng)電路動(dòng)作，從而控制IGBT輸出勵(lì)磁電流。系統(tǒng)中勵(lì)磁電源來源于外部AC220電源，經(jīng)AC/DC變換電路整流為300 VDC，再經(jīng)過MOS管及保護(hù)控制電路控制輸出到變壓器，變壓器隔離輸出，作為IGBT的驅(qū)動(dòng)功率電源。系統(tǒng)保護(hù)電路將驅(qū)動(dòng)功率電源的采集量送UCC2895控制電路，進(jìn)行過載、欠壓等保護(hù)。

3 調(diào)試措施

三電極掃雷具控制分系統(tǒng)在碼頭開展維修檢測時(shí)，由于無法獲得實(shí)際的掃雷電流、掃雷電壓（見圖 1），系統(tǒng)不能形成有效的閉環(huán)控制。在沒有檢測到掃雷電流、掃雷電壓的情況下，掃雷控制軟件在自動(dòng)模式下也不能啟動(dòng)工作。

通過上文中對三電極掃雷具控制分系統(tǒng)的控制原理及硬件電路分析，解決目前保障難點(diǎn)的2個(gè)關(guān)鍵要素：一是需要模擬出掃雷電流、掃雷電壓，引入到系統(tǒng)中進(jìn)行閉環(huán)控制，以確保掃雷控制軟件能夠啟動(dòng)工作；二是提供一定的負(fù)載，構(gòu)建功率模塊的輸出回路。措施及要求如下：

圖8 UCC2895內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Internal structure diagram of UCC2895

1）圖4中，兩路輸出信號中一路作為功率模塊控制信號輸出，另一路備用；擬通過一定的措施將備用信號作為掃雷電流信號引入到系統(tǒng)中，可實(shí)現(xiàn)掃雷電流的閉環(huán)控制；

2）系統(tǒng)中對掃雷電壓的要求僅限于保護(hù)電路及閉環(huán)控制需求，擬新引入一個(gè)常量作為掃雷電壓，以滿足掃雷電壓的閉環(huán)回路控制，經(jīng)過實(shí)踐，該常量值不大于5 VDC；

3）經(jīng)測試，主回路發(fā)電機(jī)組繞組線圈的直流電阻約 5 Ω，補(bǔ)償回路發(fā)電機(jī)組繞組線圈的直流電阻約 22.5 Ω；通過實(shí)踐，功率模塊輸出端外接大功率直流電阻，可以滿足系統(tǒng)勵(lì)磁電流檢測需要。為便于計(jì)算，大功率直流電阻阻值選為10 Ω，參考器件為陶瓷琺瑯電阻RXG20-1000W-10 Ω；

4）系統(tǒng)控制參數(shù)及工作方式均采用掃雷作業(yè)工作制（自動(dòng)方式），符合實(shí)際掃雷作業(yè)要求；

5）掃雷電流、掃雷電壓均為模擬產(chǎn)生，均為小信號，用以滿足控制回路閉環(huán)工作的需要，無須引入到保護(hù)電路中監(jiān)測；保護(hù)電路板中只引入勵(lì)磁電流進(jìn)行監(jiān)測，確保系統(tǒng)工作安全。

搭建調(diào)試控制系統(tǒng)，其原理如圖9。

圖9 調(diào)試控制系統(tǒng)原理圖Fig.9 Schematic diagram of debugging control system

該系統(tǒng)中，人機(jī)交互界面采用一體式加固機(jī)實(shí)現(xiàn)，兼顧圖 1中上位機(jī)功能，主要加載調(diào)試控制軟件，通過將設(shè)置參數(shù)下載到CPU板中進(jìn)行二次控制；CPU板及DAC板采用實(shí)裝功能插板，可降低開發(fā)成本及開發(fā)周期；信號調(diào)理電路集合了圖 1中的采集器功能，主要包括電流傳感器、電壓傳感器、分壓電阻、電壓及電流表頭等，采集的勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電流分別送CPU板及保護(hù)電路板，模擬的掃雷電壓量送調(diào)節(jié)監(jiān)控板。主要器件性能參數(shù)如下。

直流電壓傳感器WBV153S01-I-0.5：

輸入：DC±300 V；

輸出：DC12 mA±8 mA；

供電：DC12 V、DC24 V可選。

電壓/電流表頭：

電壓表型號：F96-DC±300 V；

電流表型號：F96-DC±1500 A/±15 A，F(xiàn)96-DC±3000 A/±15 A；

分流器型號：75 mV 15 A。

調(diào)試控制軟件界面如圖10，其參數(shù)設(shè)置及工作制均與掃雷作業(yè)工作制一致。

圖10 控制系統(tǒng)軟件圖Fig.10 Control system software diagram

結(jié)合某艦等級修理工程，在碼頭對三電極掃雷具控制分系統(tǒng)的主回路、補(bǔ)償回路開展調(diào)試，并監(jiān)測其電流輸出跟隨控制信號輸入特性變化情況，如圖11-12，該特性曲線基本成線性變化，表明輸出電流受控于輸入信號。

圖11 主回路勵(lì)磁輸出受控特性圖Fig.11 Controlled characteristic diagram of excitation output of main circuit

圖12 補(bǔ)償回路勵(lì)磁輸出受控特性圖Fig.12 Controlled characteristic diagram of excitation output of compensation circuit

4 結(jié)束語

本文通過對三電極掃雷具控制分系統(tǒng)控制原理及硬件電路的分析，明確了上位機(jī)輸出信號參數(shù)值與發(fā)電機(jī)組輸出采集量之間存在的比例關(guān)系，并進(jìn)行了驗(yàn)證。給出了在碼頭環(huán)境下，對三電極掃雷具控制分系統(tǒng)自動(dòng)方式下的維修調(diào)試措施，建立了調(diào)試控制系統(tǒng)，并結(jié)合維修實(shí)際，對調(diào)試控制系統(tǒng)功能進(jìn)行了驗(yàn)證，能夠有效檢測三電極掃雷具控制分系統(tǒng)電流的受控性，解決了在碼頭無法對該分系統(tǒng)自動(dòng)方式下進(jìn)行檢測調(diào)試的難題，達(dá)到了研究的目的。

在碼頭及修理場所的內(nèi)部，該系統(tǒng)均可用于對三電極掃雷具控制分系統(tǒng)的檢測維護(hù)，可有效保證三電極掃雷具控制分系統(tǒng)各組部件功能正常、性能完好。在進(jìn)行維修檢測中，三電極掃雷具控制分系統(tǒng)的保護(hù)參數(shù)可參考表2進(jìn)行調(diào)整，實(shí)際掃雷作業(yè)時(shí)可進(jìn)行微調(diào)。