艦船液壓系統超壓自動切斷模塊的設計與實現

吳根平，王 浩，劉志宏，華鍇瑋

（武漢第二船舶設計研究所，武漢 430064）

液壓傳動系統在船舶領域應用十分廣泛。由于液壓系統在工作中可能會因運動部件突然卡死、油路突然堵塞、溢流閥主閥芯卡死等原因出現液壓系統壓力突然升高[1-2]。當壓力升高超過允許極限時，就可能會造成各種嚴重的事故。為保障液壓系統安全，一般采用人工監視壓力并切斷保護的方式，即當觀察到液壓系統壓力超過允許壓力極限時，手動關閉切斷閥將油路切斷。此方式，一是增加了人員配置，人力成本高，二是人工監視并動作的方式，反應時間較慢。為此，需考慮液壓系統超壓自動切斷問題。超壓自動切斷裝置一般主要由壓力變送器傳感壓力信號、切斷閥切斷管路及超壓自動切斷模塊控制切斷閥等部分組成[3-4]。針對液壓系統超壓自動切斷需求，本文設計并實現了一種高精度的、快速反應的超壓自動切斷模塊，以實現液壓系統壓力超過允許極限時的及時切斷，提升液壓系統的安全性。

1 系統總體方案

超壓自動切斷模塊主要包括電源變換電路、微處理器電路、信號調理電路、超壓切斷電路等部分，總體結構功能如圖1所示。電源變換電路將外部直流電源轉換為不同等級電源供微處理器電路、信號調理電路等使用。外部壓力變送器4 mA～20 mA 電流信號經過信號調理電路，將電流信號轉換為電壓信號送入微處理器電路，微處理器電路通過自帶的模數轉換器將電壓信號進行模數轉換并完成濾波、信號處理，最后通過超壓切斷電路采集切斷閥狀態并控制切斷閥切斷液壓油路。

圖1 系統總體結構圖Fig.1 Overall system structure diagram

1.1 電源變換電路設計

如圖2所示，電源變換電路主要負責將外部輸入的直流24 V 電源轉換為不同等級電源供其他電路部分使用。通過WRB2405S 芯片將直流24 V 電源轉換為直流5 V 電源供微處理器電路使用，發光二極管D1用來判斷電源變換狀態，如圖2（a）所示；通過MAU129 芯片將直流24 V 電源轉換為直流±15 V電源供信號調理電路使用，如圖2（b）所示。

圖2 系統電源工作原理圖Fig.2 Schematic diagram of system power supply

1.2 微處理器電路設計

微處理器電路主要實現微處理器工作運行[5]。微處理器采用飛思卡爾公司16 位MC9XS128 系列單片機芯片。該芯片為直流5 V 電源供電，內含16通道12 位模數轉換器及CAN 通信控制器。復位電路采用復位芯片TPS3808G50，可在上電后產生一個幾百毫秒的復位信號送給微處理器。晶振電路采用16 MHz 無源晶振方式，外接18 pF 對稱電容。微處理器電路原理如圖3所示。

圖3 微處理器電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of microcontroller circuit

1.3 信號調理電路設計

信號調理電路主要負責將4 mA～20 mA 直流電流信號轉換調理為合適的電壓信號送入微處理器[6]。將外部輸入的4 mA～20 mA 標準電流信號通過高精度10 Ω 采樣電阻轉換為電壓信號，電壓范圍為40 mV～200 mV。為了提高系統的抗干擾能力，采用差分輸入、8 倍信號放大的隔離電流傳感芯片AMC1100，實現輸入/輸出的完全電氣隔離及信號放大。后級通過運算放大器OPA2251 信號調理及差分放大電路實現信號的放大和極性轉換，將輸入的雙極性信號轉換為0～5 V 的單極性信號送入微處理器的模數轉換器。信號調理電路原理如圖4所示。

圖4 信號調理電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of signal conditioning circuit

1.4 超壓切斷電路設計

超壓切斷電路主要負責根據微處理器指令驅動切斷閥關閉。當系統上電后，PP2_OUT1 信號默認狀態為低電平，此時繼電器U7 不動作，切斷閥控制端EX_DOUT1 沒有接通到電路內部直流電源，切斷閥不動作。當微處理器發出命令時，PP2_OUT1 信號為高電平，此時繼電器U7 動作，切斷閥控制端EX_DOUT1 通過二極管D12 和快恢復保險F2 送到外部切斷閥端子，切斷閥動作關閉。D12 的作用是保證電流方向單向流動，D14 的作用是閥關斷時泄放電感上的電壓，保護切斷閥內電磁線圈。同時，設置了檢測電路來檢測繼電器輸出端OUT-端的電平情況，以判斷繼電器輸出狀態。電路原理如圖5所示。

圖5 切斷電路原理圖Fig.5 Schematic diagram of sever circuit

2 軟件設計

系統軟件采用C 語言開發，開發環境選用飛思卡爾公司微處理器對應的軟件開發環境CodeWarrior v5.9.0 完成程序編寫、編譯、調試及下載[7]。系統軟件主要由初始化與定期中斷程序模塊、模/數轉換與處理程序模塊、超壓自動切斷程序模塊等組成。

2.1 初始化與定期中斷程序模塊設計

初始化與定期中斷程序模塊主要完成系統初始化及定時中斷服務程序執行。整體軟件流程如圖6所示。系統上電后，首先完成看門狗、時鐘、GPIO、ADC 等模塊系統初始化并開啟定時器配置定時器中斷，如圖6（a）所示；其次，定時中斷程序定時周期性地采集模擬信號并將信號量化處理，后執行超壓自動切斷程序模塊，根據模擬信號大小自動關閉切斷閥，如圖6（b）所示。

圖6 初始化與定時中斷程序模塊流程Fig.6 Flow chart of initialization and timing interrupt program module

2.2 模/數轉換與處理程序模塊設計

模/數轉換與處理程序模塊主要實現模/數轉換與處理。選擇微處理器芯片自帶模/數轉換通道AN01～AN03 三路輸入作為模/數采集通道。其中有效信號為AN01、AN02 輸入，AN03 輸入主要目的是采集5 V 基準電壓，從而校正模/數轉換精度。將模/數采集工作模式配置為獨立模式、開啟單通道轉換、軟件觸發轉換、數據右對齊，設置ADC 的采樣周期為50 ms。對模/數轉換值進行數據處理，利用滑動窗口濾波方式選擇最新的10 組模/數轉換數據，去掉最大值和最小值，然后將其余值求平均值，最后進行分段線性校準，將結果存入特定寄存器用于數據傳輸。模/數轉換與處理模塊流程如圖7所示。

圖7 模/數轉換與處理程序模塊流程Fig.7 Flow chart of A/D conversion and processing program module

2.3 超壓自動切斷程序模塊設計

超壓自動切斷程序模塊主要實現根據采集到的液壓系統壓力信號，向外部給出控制信號。開關信號的輸入通過微處理器的GPIO 口設置為輸入來實現。為了防止誤開關動作過程中的抖動引起誤動作，多次讀取切斷閥開關輸入信號，然后采用“取9判5”策略：獲取最近9 次切斷閥狀態值，同狀態多者視為最終狀態。當切斷閥已開啟且液壓系統壓力變送器輸入信號的壓力值超過設定的切斷閾值時，超壓保護控制模塊啟動，然后開始控制閥的輸出狀態，關閉切斷閥，切斷閥切斷保護；當切斷閥已關閉且液壓系統壓力變送器輸入信號的壓力值低于設定的切斷閾值的90%，那么重新改變控制閥的輸出狀態，打開切斷閥。超壓自動切斷程序模塊軟件流程如圖8所示。

圖8 超壓自動切斷程序模塊流程Fig.8 Flow chart of over-pressure auto-sever program module

3 系統測試試驗結果

為了驗證超壓自動切斷模塊的功能性能，制作了超壓自動切斷模塊并開展了相關試驗，超壓自動切斷模塊實際效果，如圖9所示。

圖9 超壓自動切斷模塊實際效果圖Fig.9 Picture of over-pressure auto-sever module

為了驗證超壓自動切斷模塊模擬量采集的精確度，完成了4 mA～20 mA 全電流范圍內信號采集精度測試，如圖10所示。結果表明，4 mA～20 mA 全電流范圍內的信號采集誤差均在0.35%FS 內，采集精度高，滿足超壓切斷使用要求。

圖10 模擬信號采集誤差Fig.10 Analog signal acquisition error diagram

為驗證超壓自動切斷的快速性，完成了傳統超壓人工切斷及本文超壓自動切斷的切斷時間多次對比測試，如表1所示。結果表明，人工切斷時間平均為0.55 s，本文超壓自動切斷時間為0.167 s，本文超壓自動切斷時間要遠低于傳統超壓人工切斷時間，反應迅速，滿足超壓切斷使用要求。

表1 超壓切斷動作時間測試對比Tab.1 Comparison of over-pressure sever time

4 結語

傳統依靠人工監視液壓系統壓力并在超壓時手動切斷的方式耗費人力、反應較慢，已逐漸不能滿足液壓系統超壓時快速切斷的安全性需求。針對該問題，本文設計并實現了一種高精度的、快速反應的超壓自動切斷模塊，并完成了系統測試試驗。試驗結果表明，該超壓自動切斷模塊與壓力變送器及切斷閥接口匹配性好，全范圍模擬信號采集精度高，反應快速準確，可有效提升液壓系統超壓時的安全性。