一种基于ARM的小型渔船液压舵机控制系统的设计.pdf

务l lI5 似 一 种基于A R M的小型渔船液压舵机控制系统的设计 A desi gn of h ydr aul i c s t eer i n g gear cont r ol s ys t em bas ed on ARM f or sm al l fishi ng v ess el 卢运娇，麦冬玲 L U Y u n - j i a o ．MAl Oo n g ． 1 i n g 北海职业学院 机电工程系，北海 5 3 6 0 0 0 摘要针对现有液压舵机液压系统易于泄漏、定舵时舵角回退等缺点，对液压控制系统进行改造。利 用A R M 微控制器构建自动操舵控制系统 ， 并通过舵角传感器和磁罗经传感器反馈回来的角度信 息自动控制舵的转动。对提高小型渔船在海洋中航行的安全性、经济性和自动化的程度，具 有很大的现实意义。 关键词液压舵机 ； 液压系统；A R M；自动操舵 ； 设计 中图分类号T P2 7 3 文献标识码8 D o i 1 0 ． 3 9 6 l ／ J ． i s s n ． 1 0 0 9 0 1 3 4 ． ． 2 0 1 3 ． 1 1 上 ． 4 1 0 引言 目前 ，北部湾地 区5 0 0 吨 以下 的小型渔 船有 8 0 0 0 多艘 ，8 0 ％以上都安装了液压舵机 ，在该类渔 船中，往往都是以经 济性 为出发点 ，所 以安装 的 舵机大 多数 是经济型 的手动舵机 ，可以实现 自动 操舵功能的小型渔船数量不多。 液压舵机的液压控制 系统一般分为泵控型和 阀控型两种 ⋯。阀控型液压 系统因为结构 简单 ， 制作费用低廉 ，在小功率的场合一直处于主导地 位 。本文 以传统的摆缸式液压舵机 为基础 ，对现 有液压控制 系统进行改造 ，并针对该系统给 出了 基于AR M微控制器操舵控制 系统的设计方案 ，旨 在提高小型渔船在海洋 中航行的安全性、经济性 和可操控性 。 1 液压系统的改造及原理分析 1 ． 1液压系统的构成 本文改造后的液压系统的组成如图1 N 示。传 统的阀控型液压舵机一般采用O型中位的三位四通 电磁换 向阀 ，由于换 向阀多为滑阀，中位机能是 通过 阀芯 与阀 口的遮盖来实现 ，滑 阀不可避免 的 会产 生泄漏 ，出现风浪 时泄漏会更加严重 ，导致 舵 角不能长 时间保 持 。有些 系统采用。型 中位 的 三位四通电磁换向阀加液压锁的模式，在液压 阀 换回 中位时 ，液压锁的控制油 口可能存在一 定压 力 ，这样会使液压锁关闭不及时，导 致舵 角回退 的现象。笔者设计的液压系统选用 了一个Y型的三 文章编号1 0 0 9 0 1 3 4 2 0 1 3 1 1 上 一 0 1 4 1 - 0 4 位 四通 电磁换 向阀加液压锁的模式 ，很好地解决 了以上 问题 ，并且提高 了液压系统 的稳定性和安 全 性 。 l 4 1液压油箱；2 ． 过滤器3 ． 液压泵；4 ． 液压压力表；5 ． 溢流阀 6 ． 电磁换向阀；7 ． 三位四通电磁阀；8 ． 液压锁；9 ． 液压转向器 1 0 、1 1 ． 液压缸；l 2 ． 推杆平衡板；l 3 ． 舵轴；l 4 ． 舵角指示器 图1 舵机液压控制系统原理图 1 ． 2 液压系统的原理分析 按照 钢质海船入级与建造规范 中规 定， 每一套液压舵机都有一套 以上的控制系统 ，本 系 统是电动液压为主兼顾手轮操纵组成一体。 手轮操舵模式根 据图1 所示 ， 9 是一个 全液压 转向器 ，在齿轮泵 3 正 常工作 的情 况 下 ，该转 向器起 到计量马达 的作用 ，保证进入两 个液压缸 1 0 、1 1 的液压油量 与舵轮转角成相 应 比例 。亦 即 当舵 轮 向某 个方 向旋 转一 个角 度 收稿日期2 0 1 3 - 0 8 -1 0 基金项目广西高校科学技术研究基金中小型船舶网络化控制系统的研究与开发 2 0 1 3 Y B 3 6 6 作者简介卢运娇 1 9 7 9一 ，女，广西梧州人，讲师，硕士，主要从事机械与电子方面的教学与研究工作。 第3 5 卷第1 1 期2 0 1 3 1 1 上 [ 1 4 1 ] 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务I 匐 似 给定航 向角K 。 图2 自动操舵控制原理框图 时 ，推舵机构也带动舵轴 向同样方向转过一个角 度。当关 闭液压泵 ，或者是遭遇断电的情况时 ， 通过人力转动手轮来带动液压转向器，这时相 当 于 一个手动油泵 ，液压油经过换 向阀 6 的左 位 ，并输送到油缸实现转舵功能。 自动操舵模式 启动 齿轮泵 ，给 电磁换 向阀 6 上电，则进入 自动操舵模式。如果需要实现 向左转舵，则给电磁换向阀 7 的左侧通电，液 压油流经电磁换向阀 6 的右位进入电磁换 向阀 7 的左位 ，再流经液压 锁 8 ，最终液压油 进入液压缸 l O 的有杆腔和液压缸 1 1 的无杆腔 。在 液压缸 1 0 活塞杆 的拉动和液压缸 1 1 活塞 杆的推动 下，推杆平衡板带动 着舵轴做逆时针转 动 ，从而实现 了船 向左转舵 。同理 ，保持换向阀 6 通 电的前提下，给换 向阀7 的右侧上 电即可 实现 向右转舵 。当没有偏舵 角时 ，只需要把电磁 阀7 断电，让换向阀处于 中位 ，在液压锁 8 的 作用下，即可保持当前的航 向角前进 。 2 A R M操舵系统方案设计 2 ． 1 操舵原理介绍 本设计可以 实现 自动操舵和手动操舵两种方 式 ，在此重点介 绍 自动操舵控制系统 的设计 ，自 动操舵控制原理如 图4 所示 】 。笔者开发的是基于 AR M的多任务操舵 系统 ，与传统C5 1 单片机控制 的操舵 系统相比，无论是在数据处理还是控制精 度上 ，都具有很大的优势 。 2 ． 2系统总体方案设计 本系统主要 由磁 罗经传 感器 、舵角传感器、 AR M微处理器、电磁 阀驱动 、液晶显示模 块、键 盘、F l a s h 存储和功放等8 个单元组成，控制系统总 体结构如图3 所示 ，整个系统主要实现数据采集、 显示，控制和语音播放等功能 。 [ 1 4 2 ] 第3 5 卷第1 1 期2 0 1 3 -1 1 上 堕_ j _ l 堑 鱼 堡 墅 壁r 广 A 蹦 S T M 3 2 F 1 0 磊 一 7 建 C 图3 控制 系统结构图 本设计选用AR M S T M3 2 F 1 0 7 R C作为系统控 制 器 ，该控制器 是3 2 位微处理 器 ，集成2 5 6 K的 F l a s h 和6 4 K的R AM，还有US B OT G接 口、以太网 接口、1 0 个定时器、2 个C AN接 口、2 4 - AD C模块 和1 4 个通信接 口。自身具 有如此强大的性能和丰 富的资源完全满足系统 的需要 ，无需进行外部扩 展 。 2 ．3主要系统功能模块的设计 1 航向采集模块 航 向采集电路如图4 所示 ，该模块负责测量船 舶实际的航 向角 a 。 ，并把航 向角信息转化成数字 信号传输给AR M微处理器。该方案选用瑞安市顺 风航仪有限公司的C P T - 1 3 0 D台式液体磁 罗经配合 C F 一 2 0 2 磁罗经传感器，该罗经测量结果只能通过 目视去读取 ，如将 航 向信 息传递给ARM微 控制 器 ，必须配备磁罗经传感器 ，把磁航 向的角度信 息转化成NME A0 1 8 3 数字信号并传输给AR M微处 理 器 。该 传 感 器 工 作 电压 5 V，角 度误 差 小 于 0 ． 1 。。N ME A 0 1 8 3 是船舶行业中广泛使用的数字 信号 传递标 准 ，该通讯 标 准定义 了信 号传输 协 议 ，传 输 数 据 时 间 、信 息格 式 以 及 通 讯 接 口 4 8 0 0 b p s ，串行接口。 Ul 8 秒 f 1I 感器 图4 航 向采集 电路 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m I 匐 似 2 舵角采集与显示模块 该 模块应完成舵角角度的采集 、显示 、信号 转换 和传输 等功能 。本设计选用 了乐清市安航 电 器有限公司生产的DL I I I 电感式舵角指示器、舵角 传感器和4 5 C3 一 mA舵角表 。舵角传感器采集到 的 是电压信号 ，并把信号输 送到A RM微控制器 的A ／ D输入端 ，经过数 据采样及计算后 得到实际舵角 6o。根据 图2 可知 ，船舶的实际航向角 a 。 ，与给 定的航向角 o 作 比较，得到 偏航 角 p 。 ；AR M微 控制器经过P I D算法产生偏舵角6 o ，系统根据偏舵 角6。 的大小来操纵电磁阀的开启 ，推动转舵机构 从而实现转舵 目的。 3 液晶显示模块 AR M微控制器驱动液晶显示模块 ，形成友好 的人机操作界面 ，显示实际舵角、偏舵角、实际 航向角、给定航向角、电磁 阀开闭状 态等信 息。 本方案选用方显科技的HMI 8 0 6 0 M0 8 0 A一 1 NT 液晶 模块，该模块采用了8 寸T F T 彩屏，与A R M微控制 器的通讯接 口是U A RT 接 口。 4 语音播放模块 该模块主要实现语 音播放功能 ，由F L AS H和 功放构成 。F L AS H选用WI NB ON D的W2 5 X3 2 ，功 放使用L M3 8 6 芯片。F L A S H中存储的是WAV格式 音频文件 ，处理器根据要求搜索需要播放的音频 文件，将音频数据经过D ， A转换器，将数字化音频 转化成为模拟音频信号 ，再经过功率放大以后， 推动喇叭还原声音。功放电路图如图5 所示 。 图5语音播放电路 5 电磁阀驱动模块 根据前述可知 ，控制 电磁 阀的开启来控制油 液进 出液压缸的方向和流 量，即可实现对船舶航 向的 自动控 制 。本案选用公薪机械上海有限责任 公司的D5 0 2 3 C 4 一 D2 电磁换向阀，该阀是Y型中位 机能 ，直插式，2 4 V直流电压驱动 ，另一个选用耐 格斯3 V1 2 0 0 6 两位三通 电磁 阀。由于驱动电流 比 较大 ，在频繁的开启 中容易造成损坏 ，所 以利用 MOS 管控制阀的开启，具体电路如图6 所示。 图6 电磁阀驱动 电路 3 软件系统设计 3 ． 1软件整体结构 系统程 序的流程 图如 图7 所 示 。该 系统首先 通过AR M微处理 器判断进入手动模式还是 自动模 式 ，如果进入 自动模式则需要 读取航向角、舵 角 等信号，经过P I D算法计算 出偏舵角，根据偏舵角 的大小控制电磁 阀的开启 ，实现左转舵或者是右 转舵 。 图7 程序流程图 第3 5 卷第1 1 期2 0 1 3 -1 1 上 [ 1 4 3 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务l 甸 似 3 ． 2 P I D 算法实现程序 为 了提高船舶航向航迹 的精确 度，在计算偏 航角和偏舵 角时利用比例积分 P I D算法，系统 执行时需要调用到P I D子程序 ，本设计运用c语言 开发，具体程序如下。 t y pe d e f s t r u c t { i n t Su mEr r o r ； i n t Pr e v Er r o r ； i n t La s t Er r o r ； i n t M a x Out ； i n t De a d ； m‘tmu l t i p l e ； i n tPr o po r t i o n； i‘ n t I nt e g r a l ； l‘ n t De r i v a t i ve ； i n tkl ； i‘ n t k2 ； m‘t k 3； P I D； vo i d I n i t _P I D P I D P { p - k 1 p - P r o p o r t i o n p - P r o p o r t i o n 木 1 0 2 4 ／ p 一 I n t e g r a 1 p - P r o p o r t i o n p 一 De r i V a t i V e ／ 1 0 2 4 ； P 一 k 2 P一 P r o p O r t i 0 n 2 P一 P r o p o r t i o n p 一 De ri v a t i v e ／ 1 0 2 4 ； P一 k 3 P一 Pr o PO r t i On P一 D e ri v a t i v e ／ 1 0 2 4 ； } v o i d r e s e t _P I D P I D p { P 一 Su mEr r o r O； P 一 Pr e v Er r o r 0； P 一 La s t Er r o r -0； } i n t PI D _c o mmo n i n t s e t ， i n t i n ， P I D P { 【 1 4 4 l 第3 5 卷第1 1 期2 0 1 ；3 1 1 上 i n t e r r ， s u m _ e r r 0； e r r j i a n c e s e t ； i f e r r p 一 D e a d ll e r r D e a d s um _e r r p 一 S u mE r r o r p 一 k 1 e r r 一 p 一 k 2 p 一 P r e v E r r o r p 一 k 3 p 一 L a s t E r r o r ； P 一 S u mEr r o r s um _e r r ； P - La s t Er r o r p- P r e v Er r o r ； P - Pr e v Er r o r e r r ； i f s u m_ e r r p 一 Ma x O u t s um _e r r p一 M a x Out ； i f s u m_ e r r Ma x Ou t s um _e r r - p 一 Ma x Ou t ； r e t um s um _e r r ／ 1 0 2 4； } 4 结束语 对传统舵机 的液压 系统进行 了改造 ，采用Y 型的三位 四通电磁 阀加液压锁的模式，改善 了液 压舵机油路泄漏和舵 角回退的缺点 ，使得液压 系 统可 以较长时间保持压力 ，提高了液压舵机的安 全性能。3 2 位的AR M微处理器与传统 的单片机相 比，具有处理速度快 、处理能力强、存储容量大 等优点。基于AR M微控制器开发出来的 自动操舵 系统 ，数据安全性能 高，与其他设备的通讯更易 于实现 ，升级维护方便省时；采用8 寸彩屏液晶显 示，具有语音播报 等功能 ，人机 操作界面友好 ， 操作方便 。 参考文献 【 1 ]郑士君， 孙永明． 船舶辅机教程【 M】 ． 大连 大连海事大学出 版社， 2 0 0 3 ． 【 2 】孟延军 ， 陈敏 ． 液压传动[ M】 ． 北京 冶金工业出版社， 2 0 0 8 ． 【 3 】徐 本国． ， j 、 型渔船摆缸式液压 舵机舵 角限位 器的设置 【 J 】 ． 中国水 产． 2 0 0 8 8 7 2 - 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