船舶液压舵机双余度换向阀控制系统设计

胡启祥，田文奇

( 浙江交通职业技术学院，浙江杭州311112)

1 双余度换向阀及工作原理

船舶舵机作为控制船舶航向的关键设备，其可靠性、安全性将直接影响航行安全。为确保航行安全，我国《钢质海船入级规范(2009)》规定:主操舵装置须有两套以上的动力设备，当其中之一失效时，另一套应能迅速投入工作［1］。对于阀控型舵机而言，使用频繁而易发生故障的往往是换向阀。从功能上说，目前船舶液压舵机所用的换向阀，一种是滑阀，另一种是转阀，但都是单余度阀。普通的舵机换向阀多是通过电磁阀为导阀驱动液动换向阀实现换向功能的，存在磁滞、零漂、抗污染性能差、可靠性不高等缺点［2］。采用双余度换向阀，可大幅提高现有阀控式液压舵机的可靠性，图1 所示为液压舵机研发的新型双余度换向阀结构及实物图，该双余度换向阀可利用阀芯的两自由度运动实现滑阀和转阀的功能［3］。

图1 新型双余度换向阀结构及实物图

其工作原理是:当阀芯在步进电机驱动下，绕周向旋转一定角度时，相应阀口打开，液压油进入转舵机构柱塞一侧油缸，另一侧油缸回油，使得柱塞向某一方向线性运动实现左舵。因为阀芯沟槽与阀套窗口设计时满足“对称－匹配”原则，当阀芯从初始位置反向旋转一定角度时，液压油进入柱塞另一侧油缸，则柱塞向反向作线性运动实现右舵。若是因故障，阀芯不能周向旋转运动时，可以通过另一步进电机控制，使得阀芯沿轴向线性运动，同样可实现左右转舵。

2 双余度换向阀控制方案

在研发出的新型双余度换向阀基础上，如何实现双余度换向阀在转阀功能因故障缺失时，能作为滑阀继续使用，且性能优于原控制方式，是其控制系统设计的主要任务。从控制角度讲，为了克服原控制系统缺点，双余度换向阀控制系统采用步进电机取代电磁线圈，具有不失步、没有磁滞和零漂、抗污染能力强、可自清洁等优点［4］。其数字控制器可采用高性能微控制器(MCU)扩展相关外围电路构成，可直接驱动步进电机、接收舵叶转角、油路压力等多路输入信号及输出相应控制信号，并内置基于BP 神经网络的PID 智能控制算法，实现换向阀的真正机电液一体化，使其具备优良的自适应、自诊断和智能控制能力，从而为整个舵机控制系统的结构优化和智能化带来重要革新。

图2 双余度阀控制系统结构

双余度阀控制系统由专用控制器、电机驱动器等组成，可以检测阀的工作状态、自动切换工作模式及接收应用系统指令等。阀采用两只步进电机驱动，分别驱动滑阀和转阀。双余度阀的控制系统结构如图2所示。

图中，电机1 驱动双余度阀的滑阀动作，电机2驱动双余度阀的转阀动作，两只电机分别由各自驱动器驱动。驱动器可以提供步进电机动作的功率，同时支持控制脉冲细分。系统中数字控制器是核心，控制器一方面发送控制脉冲到步进电机驱动器，指令滑阀或转阀动作，另一方面可直接连接阀体或应用系统的相关状态信号，从而对系统工作状态进行判断分析，并根据相关状态信号进行滑阀和转阀的相互切换。数字控制器支持现场总线技术，应用系统可通过标准Modbus 现场总线协议与数字控制器通信，发送控制指令或接受现场相关信息。

为达到更好的控制效果，系统内置智能控制算法。PID 控制是一种实用且简单有效的控制方法，在电机控制中有着非常广泛的应用，其控制效果的优劣很大程度取决于比例、积分和微分3 个参数的选取。传统的PID 控制方法往往事先选取这3 个参数KP，KI，KD，这样造成控制系统适应性差，被控对象与环境稍一改变，控制效果就会变差，需要重新调整PID 参数。针对适应性好、智能程度高的双余度阀步进电机控制要求，利用神经网络适应性好、容错能力强的优点，作者提出采用BP 神经网络对PID 控制参数进行实时估计与调整，保证控制系统良好的动态性能与适应性。BP 神经网络通过被控对象的输入输出关系数据来估计被控对象模型，适时调整KP，KI，KD值，使得PID 控制达到最佳动态性能。基于BP 神经网络的PID 步进电机控制系统如图3 所示。控制双余度阀步进电机时，PID 控制用差分方程表示为:

其中e(k)为第k 个采样时刻的误差值，步进电机的控制输入就是Δu(k)。取BP 神经网络输入节点数为3，分别为系统当前采样时刻的输入yin(k)、输出yout(k)与误差值e(k)。BP 网络输出节点数为3，分别为PID 控制的3 个参数KP，KI，KD。如此在每一个采样时刻，通过BP 算法针对当前控制状态训练网络，输出最优的KP，KI，KD，对步进电机进行PID控制，达到比传统PID 更好的动态控制性能和适应性［5－6］。

图3 基于BP 神经网络的PID 控制步进电机结构图

控制系统在工作时，首先进行上电检测。上电检测时除了进行控制器内部状态的自诊断等常规工作外，首要任务为判断双余度阀是否处于零位位置，即检测双余度阀是否处于关闭状态，若双余度阀不处于零位位置，则发送控制脉冲给电机驱动器，指令阀芯进行径向移动或周向转动，回归零位，为后续系统正常工作做好准备。在完成上电检测后，控制系统即处于准备就绪状态，数字控制将根据所连接的应用系统的相关信号指令完成相应动作。在双余度阀未出现异常的情况下，优先使用转阀工作，滑阀作为备用，以提高系统可靠性;当双余度阀转阀工作出现异常、无法正常转动时，数字控制器将根据应用系统相关信号进行判断分析，自动将阀的工作模式切换为滑阀，继续完成应用系统相关工作。在双余度阀完成相关工作后，将自动回归零位，即初始状态。

3 数字控制器设计

数字控制器是双余度阀控制系统的核心组成部分，起到检测状态、协调分析、驱动控制、信息交换等作用。控制器支持开关量输入输出、步进驱动脉冲输出、Modbus 通讯及参数设置等，具有良好的可靠性和工作性能。数字控制器包括硬件系统和软件系统两部分。

3.1 硬件系统设计

3.1.1 总体构成和原理

系统采用高性能MCU 为主控芯片，实现12 路开关量输入、6 路继电器输出和6 路晶体管输出。开关输入用于接收应用系统状态信号，继电器输出作为外控信号备用，晶体管输出作为步进电机驱动脉冲发送通道。需要说明的是，此系统对电动机转速要求不高，对控制器脉冲发送速率的要求相对较低，因此数字控制器中的晶体管输出硬件电路不需要做高速输出处理。

余度阀控制器的安装空间和电路板工作性能、控制器电路分为2 块相对独立电路板，即主电路、指示与设置电路，两者之间通过扁平数据线相连接，通过通信的方式实现信息交换。其中主电路是核心，完成控制器的全部核心功能，负责协调分析、输入输出处理、通信等功能;指示与设置电路实现输入输出状态指示和参数设置操作两方面功能。两个电路具有独立的MCU 芯片，具有各自的信息处理能力，相互之间通过SPI 总线进行通讯。主电路将需要显示的状态数据(主要指输入输出状态)发送给指示与设置电路，后者根据接收到的数据驱动相应的发光二极管进行指示;另一方面在指示与设置电路上配置有操作按钮和LED 显示器，可以进行相关参数的设置，并可通过SPI 通讯与主电路进行交互。指示电路参数设置电路分布在电路板的两面，在日常工作过程中只需观察指示电路的状态指示即可，在需要进行维护和参数调整时才将需要用到设置电路［7］。

3.1.2 单片机系统模块

单片机系统模块执行计算、控制和数据处理功能，是电路各部分协调工作的基础，是整个电路板的核心所在。单片机模块可通过输入模块完成数据的采集、滤波、补偿等各种运算，通过输出模块输出控制信号，通过通信模块与上位计算机进行交互。当然，单片机系统的所有功能，除了硬件的支持外，离不开软件系统的支持，包括内置的系统软件以及自主开发的应用程序。

单片机系统模块采用的STM8 芯片是一种低功耗、高性能的处理器，所配晶振频率为16 MHz，其晶振电路如图4 所示。

图4 单片机系统晶振电路

3.1.3 输入输出模块

输入输出模块亦称IO 模块，是控制器与外部设备进行信息传递的通道。根据信号的性质，可将输入输出模块又分为模拟量输入模块(AI)、模拟量输出模块(AO)、开关量输入模块(DI)和开关量输出模块(DO)。控制器总共提供了12 路开关量输入通道、8 路继电器输出和8 路晶体管输出。开关量信号经光电隔离电路变换后送入MCU。开关量输入的光隔电路如图5 所示。

图5 开关量输入电路

继电器输出带负载能力强，使用简单且有较好的隔离效果，但工作频率不宜过高，而晶体管型输出则可获得较高的工作频率。晶体管输出电路如图6 所示。

图6 晶体管型输出

3.1.4 步进电机驱动

步进电机因控制简便，在自动控制领域得到广泛应用。双余度阀控制系统中转阀和滑阀的运动由步进电机驱动。而要驱动步进电机，需要设计脉冲分配器、功率驱动、电流控制和保护电路等，电路构成相对复杂。目前，在实际应用中普遍直接采用将上述电路有效集成的集成芯片。系统步进电机驱动器采用三洋THB7128 芯片，支持最大细分数128，其主电路原理图如图7 所示。步进电机驱动具有通用性，具体应用时也可根据需要更换不同规格的驱动器，如需要提高驱动电流、更换大力矩电机时可相应选择匹配的2相4 线制步进电机驱动器。

3.2 软件系统设计

一个控制系统要正常工作，仅有硬件部分是不够的，还需要软件部分的配合。基于MCU 芯片的系统之所以能实现强大的功能，除了芯片所具有的高速运算能力，还与其可编程的特性密不可分［8］。相对于硬件设计，软件设计具有更大的灵活性，软件修改容易且几乎不会带来绝对成本的增加，这给MCU 控制系统的设计带来了极大的便利。随着软件技术的发展，原来以硬件为中心的设计思想正逐渐被改变，在基于单片机、ARM 等芯片的嵌入式系统中，功能软件化的趋势越来越明显，许多原来用硬件方法实现的功能正逐步被软件所取代。

单片机软件作为整个双余度阀控制系统的灵魂，对控制系统的功能和性能有至关重要的影响。同时与一般的PC 应用软件不同，单片机程序硬件关联性强，开发者必须处理所有硬件与软件相结合的细节。软件系统与硬件部分相对应，功能主要包括输入输出驱动、通信处理、电机驱动等几大部分。

图7 步进驱动器主电路图

软件以C 语言开发，采用模块化的程序设计方法。程序总体上采用顺序结构，并结合中断调用。按照定义的功能将软件划分为初始化模块、开关量输入、开关量输出、串口消息处理等。程序采用了嵌入式操作系统μCOS，以实现多任务运行。系统主要实现细节请参见软件源代码。软件主处理流程如图8 所示。

图8 软件处理主流程

上电初始化除进行一些常规处理外，如变量初始化、参数读取等，还要进行双余度阀的回零操作。其主要实现原理为在软件系统中建立一套完整的坐标系统，随时记录滑阀和转阀所处的位置，该位置与控制系统所发的脉冲数相对应。该位置信息应设置在掉电保存内存区域。在这种模式下，通过控制器发送坐标信息，使滑阀或转阀的坐标为0 即可完成回零操作。

4 控制系统测试

余度阀及控制系统测试装置如图9 所示。其中，步进电机需经过连接器与双余度阀连接，以驱动转阀或滑阀。转阀通过在电机轴上加装六角帽与阀芯上的内六角配合即可，滑阀通过齿轮齿条机构将电机的转动转换为轴向位移。根据转阀和滑阀工作时需要的驱动力矩的不同，转阀采用57 型2 相4 线式步进电机，而滑阀则采用42 型加大力矩步进电机，步进电机在安装时需要注意4 根连接线的正确连接，A 相、B 相必须区分清楚。

图9 余度阀及控制系统测试装置

双余度阀数字控制系统主要测试步骤如下:

(1)系统连接。连接步进电机、驱动器和控制器，设置通信参数;

(2)零点设置与回零测试。设置零点位置并保存，指令系统离开零点后，再上电测试系统回零功能;

(3)转阀回路控制测试。接收状态信号，控制转阀驱动电机转动指定角度;

(4)滑阀回路控制测试。接收状态信号，控制滑阀驱动电机转动指定角度;

(5)切换测试。接收状态信号，由转阀切换为滑阀;

(6)可靠性测试。变换不同的信号输入情况，测试系统有效性;人为设置干扰源，测试系统可靠性。

经反复试验证明，双余度阀控制系统功能和性能达到预定目标。

5 结语

液压舵机工作的可靠性对确保船舶航行安全有着重要意义，双余度阀的应用可大幅提高舵机工作可靠性。利用步进电机取代传统电磁阀驱动换向阀，取得了良好的驱动性能和控制灵活性，且由于数字控制器的引入，给系统留下充足的扩展空间。从实际应用角度来看，进一步优化结构，提高双余度阀控制系统可靠性和使用、维护的简便性等具有现实意义。

【1】中国船级社. 钢质海船入级规范(2009)［M］. 北京:中国船级社，2009.

【2】郑仲金.船舶辅机［M］.北京:人民交通出版社，2009.

【3】胡启祥，白继平.基于硬件冗余容错控制的换向阀改进设计［J］.浙江交通职业技术学院学报，2009(3):33 －36.

【4】阮健，李胜，杨建隆.液压及气动阀直接数字控制的新途径［J］.中国机械工程，2000(3):317 －320.

【5】段绍栋，肖玲斐，申涛. 基于功率反馈的涡轴发动机神经网络PID 控制研究［J］.航空发动机，2012(2):11 －14.

【6】李文涛.神经PID 在地源热泵空调系统中的应用［J］.工业控制计算机，2012(9):52 －53.

【7】张升，王立峰，王爽.基于STM8S105 的直流永磁无刷电机控制器设计［J］. 工业控制计算机，2012(9):123 －124.

【8】夏永明，石静.MCU 和CPLD 组成的船用仪表显示接口［J］.上海海事大学学报，2008(2):30 －34.