船舶液压舵机双余度换向阀控制系统设计

Design of Control System for Dual Redundant Valve of Ship Hydraulic Steering GeirHU Qixiang.TIAN Wenqi(Zhejiang Institute of Communications，Hangzhou Zhejiang 31 1 1 12，China)Abstract：A digital control method for dual redundant vaLve of ship hydraulic steering gear was proposed. A digital controller wasdesigned based on STM8 chip. Stepper motor was used to replace traditional electromagnetic valve to drive the dual redundant valve，by which the related states could be detected in real time. The control accuracy and performance are increased。

Keywords：Ship hydraulic steering gear；Dual redundant valve；Digital controler；Stepper motor drive1 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 (2009)》规定：主操舵装置须有两套以上的动力设备，当其中之-失效时 ，另-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，-种是滑阀，另-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-定角度时，相应阀口打开，液压油进入转舵机构柱塞-侧油缸，另-侧油缸回油，使得柱塞向某- 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-定角度时，液压油进入柱塞另-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-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 (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-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：2013-O1-06基金项目：浙江势技计划资助项 目 (2010C31055)作者简介：胡启祥 (1963-)，男，硕士，副教授 ，研究方向为机械电子工程、轮机工程。E-mail：huqx###zjvtit.edu.cn。

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-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-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-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撒于比例、积分和微分3个参数的选龋传统的PID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-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 ， ， 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∝制双余度阀步进 电机时，PID控制用差分方程表示为：△M(k)KPAe(k) e(k)KvA 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 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 Y (k)、输出Y。 。(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 ， ， 。如此在每-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 K ，K。，K。，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 - 。

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∝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-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 10期 胡启祥 等 ：船舶液压舵机双余度换向阀控制系统设计 ·149·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-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 。

3.1.2 单片机系统拈单片机系统拈执行计算、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。单片机拈可通过输入拈完成数据的采集、滤波 、补偿等各种运算 ，通过输出拈输出控制信号，通过通信拈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。

单片机系统拈采用的STM8芯片是-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 输入输出拈输入输出拈亦称 IO拈，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，可将输入输出拈又分为模拟量输入拈 (AI)、模拟量输出拈 (AO)、开关量输入拈 (DI)和开关量输出拈 (DO)∝制器总共提供了 l2路开关量输入通道、8路继电器输出和8路晶体管输出-关量信号经光电隔离 电路变换后送人 MCU-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- 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 。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- 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。

H ]--TI ) F ， -l-G G· 150· 机床与液压 第41卷R2210 kQ图7 步进驱动器主电路图软件以 c语言开发，采用拈化的程序设计方 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57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拈 、开关量输 而滑阀则采用 42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pCOS，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 Ir- L- ]I通信初始化I- - - - - JL---- .，[二多任务运行业务处理 通信处理 -- 图 8 软件处理主流程上电初始化除进行-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-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∮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∮收状态信号，控制滑阀驱动电机转动指定角度 ；(5)切换测试∮收状态信号，由转阀切换 为滑阀；(下转第 170页)· 170· 机床与液压 第41卷从图 2可以看 出：快速 阀开启时电磁阀 1DT和2DT得电，电磁阀3DT失电，其开启时间与改进前基本-样；正常关 闭时，电磁阀 1DT和 2DT失电，电磁阀3DT得电，油液通过插装阀 NG2进入液压缸有杆腔，无杆腔回油通过插装阀NG4，再经过节流阀MG1回油，由节流阀开 口大胸制 回油速度 即阀门的关闭速度 ；快速关闭时，电磁阀 1DT、2DT和 3DT失电，油液通过插装阀 NG2进入液压缸有杆腔，无杆腔回油通过插装阀 NG4，再 同时经过节流阀 MG1和电磁阀3DT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 280/200/1 045(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64.3 L，选取的MG30节流阀最大流量为400 IMmin，可知当只有 MG30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 DN50，改造后两条管路通径分别为 DN30和 DN50§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 MPa，如图 3所示，而 电磁 阀压差为 0.4～0.5MPa，电磁阀开启时间为400～500 ms。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80%时，即正常关闭时间为 12 S时，快速关闭时 间为 2.98～3.05 s，基本满 足现 场使用要求。

通径30通径25 通径20， -，， ， / / -r/ / ， r/ / rlI 10 2r 10 3I l0 41 0流量，(L·rain )图3 MG30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-定的借鉴作用。