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2 0 1 3年 5月 第4 1 卷 第 1 0期 机床与液压 MACHI NE T00L HYDRAUL I CS Ma v 2 01 3 V0 l _ 4l No . 1 0 D OI 1 0 . 3 9 6 9 / j . i s s n . 1 0 0 13 8 8 1 . 2 0 1 3 . 1 0 . 0 4 9 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 I 3 1 1 1 1 2 摘要提出一种船舶舵机双余度换向阀数字控制方案 ,并基于 S T M 8芯片设计了一款数字控制器。采用步进电机取代 传统电磁阀驱动舵机双余度换向阀,控制器可对阀的相关状态进行实时检测 ,并对步进电机进行精确控制,以获得优良控 制性能 。 关键词船舶液压舵机;双余度换向阀;数字控制器;步进电机驱动 中图分类号 T H 1 3 4 文 献标 识码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 1 01 4 7 4 De s i g n o f Co nt r o l Sy s t e m f o r Dua l Re d und a nt Va l v e o f Sh i p Hy dr a u l i c S t e e r i n g Ge i r H U Q i x i a n g .T I A N We n q i Z h e j i a n g I n s t i t u t e o f C o mm u n i c a t i o n s ,H a n g z h o u Z h e j i a n g 3 1 1 1 1 2 ,C h i n a Ab s t r a c t A d i g i t a l c o n t r o l me t h o d f o r d u a l r e d u n d a n t v a L v e o f s h i p h y d r a u l i c s t e e ri n g g e a r wa s p r o p o s e d . A d i g i t a l c o n t r o l l e r wa s de s i g ne d b a s e d o n S TM8 c hi p. S t e pp e r mo t o r wa s us e d t o r e p l a c e t r a d i t i o na l e l e c t r o ma g n e t i c v a l v e t o d riv e t h e du a l r e d u nd a n t v a l v e, b y wh i c h t he r e l a t e d s t a t e s c o ul d b e de t e c t e d i n r e a l t i me . Th e c o nt r o l a c c ur a c y a nd p e r f o r ma n c e a r e i n c r e as e d. Ke y wo r d s S h i p h y d r a u l i c s t e e r i n g g e a r ; Du a l r e d u n d a n t v a l v e ; Di g i t al c o n t r o l l e r ; S t e p p e r mo t o r d ri v e 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 钢质海船人级规范 2 0 0 9 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⋯ 。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 。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 。 a 结构 b 实物 图 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 一匹 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 J 。其数 字控 制器 可采用高性 能 微控制器 M C U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 B P神 经 网络 的 P I D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 收稿 日期 2 0 1 3一 O 1 0 6 基金项目浙江省科技计划资助项 目 2 0 1 0 C 3 1 0 5 5 作者简 介胡启祥 1 9 6 3 一 ,男 ,硕士 ,副教授 ,研究方 向为机械 电子工程 、轮机工程。Em a i l h u q x z j v t i t . e d u . c n 。 1 4 8 机床 与液压 第 4 1 卷 来重要革新 。 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2 双余度阀控 制系统结构 罂2 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 M o d b u s 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 。P I D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 P I D控制方法往往事先选取这 3个参 数 , ,K 。 ,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 P I D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 B P神经网 络对 P I D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 。B P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 , , 值 ,使得 P I D控制达 到最 佳 动态性 能 。基 于 B P神 经 网络 的 P I D步 进 电机 控 制系统如 图 3所示 。控制 双余 度 阀步进 电机 时, P I D控制 用差分 方程表示 为 △ M k K P A e k e k K v A e k 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 △ u k 。取 B P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 Y k 、输 出 Y 。 。 k 与误差值 e k 。B P网络输 出节 点数 为 3 ,分 别为 P I D控制的 3个参数 , , 。如此在每一 个采样 时刻 ,通过 B P算法针对 当前控 制状态训 练网 络 ,输 出最 优 的 K ,K 。 ,K 。 ,对步 进 电机 进 行 P I D 控制 ,达到 比传 统 P I D更 好 的动态 控制 性 能 和适应 性 一 。 图 3 基 于 B P神经 网络 的 P I D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、M o d b u s 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 M C U为主控芯片 ,实现 1 2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 第 1 0期 胡启祥 等 船舶液压舵机双余度换向阀控制系统设计 1 4 9 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 MC U芯片,具有各 自的信息处理能力 , 相互 之间通过 S P I 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 L E D显示器,可以进行相关参数 的设 置 ,并 可 通过 S P I 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 。 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S T M 8芯 片是一种低 功 耗、高性能的处理器,所配晶振频率为 1 6 M H z ,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 I O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 A I 、模拟量输出 模块 A O 、开关 量输 入模 块 D I 和开关 量 输 出 模块 D O 。控制器总共提供了 l 2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 人 M C U 。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 T H B 7 1 2 8芯片 ,支持最大细分数 1 2 8 ,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 MC U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 。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 M C U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 、A R M 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 P C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。 H ] -- T _ I F , -l - G G 1 5 0 机床 与液压 第 4 1 卷 R2 2 10 kQ 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 动转换为轴 向位移。根 据转 阀和滑阀工作 时需要 的驱 法 。程序总体上采用顺序结构 ,并结合 中断调用 。按 动力矩 的不 同,转 阀采用 5 7型 2相 4线式步进 电机 , 照定义的功 能将 软件 划分 为初 始化 模块 、开关 量输 而滑 阀则采用 4 2型加 大力矩 步进 电机 ,步 进 电机 在 入 、开关 量输出 、串 口消息处理等 。程序采用 了嵌入 安装 时需要 注意 4根连接线的正确连 接 ,A相 、B相 式操作系统 p C O S ,以实现多任务运行。系统主要实 必须区分清楚。 现 细节请参见软件源代码 。软件主处理流程如图 8所 盘 . 主 . 1 系 统 初 始 化l l 鱼 塑 墨 I r__ L ] I 通 信 初 始 化I JL一., [ 二 多任务运行 业务处理 通信处理 一 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 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 ; 下 转 第 1 7 0页 1 7 0 机床与液压 第 4 1卷 从 图 2可 以看 出快速 阀开 启时 电磁 阀 1 D T和 2 D T得电,电磁 阀3 D T失电,其开启 时间与改进前 基本一 样 ;正 常关 闭时 ,电磁 阀 1 D T和 2 D T失 电 , 电磁 阀 3 D T得 电,油液通 过插 装 阀 N G 2进入 液压 缸 有杆腔 ,无杆腔 回油通过插装 阀 N G 4 ,再经过节流 阀 MG 1回油 ,由节流 阀开 口大小 控制 回油 速度 即阀 门 的关 闭速度 ;快速关 闭时 ,电磁 阀 1 D T 、2 D T和 3 D T 失电 ,油液 通过插 装 阀 N G 2进入 液压 缸有 杆腔 ,无 杆腔 回油通过 插装 阀 N G 4,再 同时经 过节 流 阀 MG 1 和电磁阀 3 D T回油 ,达到快速关闭的 目的。 3关闭时间计算与分析 1 正常关 闭时 间 快速 阀液 压 缸 尺寸 为 2 8 0 / 2 0 0 / 1 0 4 5 缸 径/ 杆 径/ 行程 ,快速 阀关 闭时需 要 控制 无杆 腔 的油液 流 速 ,经计算无杆腔容积为6 4 . 3 L ,选取的MG 3 0节流 阀最大流量为4 0 0 I Mm i n ,可知当只有 MG 3 0节流阀 工作且处于全开 时快速 阀关 闭时间为 9 . 6 s ,关 闭时 间可通过调节节流 口进行控制并延长 。 2 快速关闭时 间 原 回油 管路通 径为 D N 5 0 ,改造后 两条 管路通径 分别为 D N 3 0和 D N 5 0 。快速关 闭 时 ,液压 缸 回油 可 通过并联的两根 回油管 回油 ,节流 阀的压差为 0 . 6~ 0 . 8 M P a ,如 图 3所 示 ,而 电磁 阀压 差 为 0 . 4~ 0 . 5 MP a ,电磁阀开启时间为4 0 0~ 5 0 0 m s 。经核算 ,在 节流 阀全开 的情况下 ,快 速关 闭时 间为 2 . 6 s ,快 于 原设计 的关闭时 问。经现场调试 ,将节 流阀开 口设定 在全开 口的 8 0 % 时 ,即正 常关 闭时 间为 1 2 S 时 ,快 速关闭 时 间 为 2 . 9 8~3 . 0 5 s ,基 本 满 足 现 场 使 用 要求 。 通径3 0 通径2 5 通径2 0 , 一 , , , / / r / / , r/ / _ r l I 10 2 r 10 3 I l 0 4 11 0 流量, L rai n 图 3 M G 3 0节流 阀p - Q特性 曲线 4结束语 通过上述简单的改进后,快速阀正常关闭过程中 液压缸运行平稳 ,消除 了管路振动和冲击 ,滤芯破 损 及密封失效等问题也随之消失 ,阀门的寿命及系统工 作的可靠性有很大的提高。该速度调节方法简单易 行 ,对类似液 压 系统 的应 用及 改进 有一 定 的借 鉴作 用。 参考文献 【 1 】雷天觉. 液压工程手册[ M] . 北京 机械工业出版社 , 1 9 9 0. 【 2 】 王益群. 液压工程师技术手册[ M] . 北京 化学工业出版 社 , 2 0 1 0 . 上接第 1 5 0页 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 。 参考文献 【 1 】中国船级社. 钢质海船入级规范 2 0 0 9 [ M] . 北京 中 国船级社 , 2 0 0 9 . 【 2 】郑仲金. 船舶辅机[ M] . 北京 人民交通出版社, 2 0 0 9 . 【 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, 2 0 0 9 3 3 3 3 6. 【 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, 2 0 0 0 3 3 1 7 3 2 0 . 【 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 P I D控制研究[ J ] . 航空发动机, 2 0 1 2 2 1 1一 l 4. 【 6 】 李文涛. 神经 P I D在地源热泵空调系统中的应用 [ J ] . 工业控制计算机 , 2 0 1 2 9 5 2 5 3 . 【 7 】张升 , 王立峰, 王爽. 基于 S T M 8 S 1 0 5的直流永磁无刷电 机控 制器设计 [ J ] . 工 业 控制 计 算 机 , 2 0 1 2 9 1 2 3 1 24. 【 8 】夏永明, 石静. 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