一種小型航行自控系統伺服執行機構設計*

胥文清

(中國艦船研究設計中心 武漢 430064)

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一種小型航行自控系統伺服執行機構設計*

胥文清

(中國艦船研究設計中心 武漢 430064)

航行自動控制系統是降低船舶在風浪中運動響應的重要裝置,而開展水池縮比船模試驗是研究航行姿態控制系統有效性的重要手段。論文提出了一種適用于水池縮比船模試驗的航行自動控制系統伺服執行機構設計方案,經實際水池船模試驗驗證,該系統能夠有效滿足航行自動控制系統要求,為船舶航行自動控制系統研制及試驗提供參考。

航行自動控制; 執行機構; T型水翼; 壓浪板

Class Number TP273

1 引言

在運用自動控制技術來降低船舶在航行過程中的運動響應,改善船舶的耐波性方面,國外開展了大量的研究工作,早在1972年Carley利用操舵會引起橫搖的特性,將自動舵和減搖鰭聯合起來進行船舶運動的綜合控制[1],穿浪雙體船具有良好的耐波性、穩性和快速性[2～3],對于穿浪雙體船或小水線面船[4]的運動控制技術,國外目前主要采用首部配置T型水翼,以及在船艉部配置壓的方式來實現[5～7],如日本建造的100m穿浪雙體船,澳大利亞INcat公司為西班牙建造的98m穿浪雙體船,AUSTUL為美國建造的獨立級瀕海戰斗艦等,而國內對于采用T型水翼和壓浪板作為執行機構來控制穿浪雙體船、三體船在波浪中的運動響應方面尚沒有成功應用,處于研究階段。如何驗證控制系統的有效性是研究船舶航行自動控制系統的難點之一,仿真分析具有局限性,建造實船試驗造價高昂,采用水池船模[3]試驗驗證航行自控系統是驗證控制系統及算法有效性的重要手段,但是船模載荷能力小,搖擺周期短,對航行自動控制系統伺服執行結構要求高。針對這一問題,本文提出的一種適用于水池船模試驗的航行自動控制系統伺服執行機構,重量輕,響應速度快,經實際雙體船水池船模試驗驗證,該機構能夠有效滿足船模自動控制系統要求。

2 執行機構總體方案

伺服控制系統[8～9]由三套執行機構組成,包括二套安裝在艉部兩舷的壓浪板和一個安裝在艏部中央位置的T型水翼。每套執行機構均采用直流無刷伺服馬達、直流無刷伺服驅動器、四頭高速滾珠絲桿、直線導軌、諧波減速器等實現機械控制和傳動,采用增量編碼器作為伺服控制器的速度反饋,T型水翼及壓浪板角度檢測元件。通過檢測伺服機構運行距離,推算水翼和壓浪板角度。

T型水翼位于船體中間靠艏位置,壓浪板位于船艉左右兩側,具體如圖1所示。實船98m,船體模型按1∶25設計制作。

圖1 執行機構布置安裝示意圖

3 執行機構傳動設計

3.1 T型水翼傳動設計

T型水翼傳動結構如圖2所示,其中T型水翼包括固定翼和活動翼,活動尾翼和固定尾翼通過鉸鏈連接,T型水翼采用直流無框架電機+滾珠絲桿+傳動桿直接驅動水翼轉動的方案,全部機構對稱布置,T型水翼的設計最大角度運動范圍為-20°～+20°。

圖2 T型水翼傳動結構

直線傳動裝置伸出一個直線推桿,直線推桿和傳動桿通過鉸鏈連接。傳動桿和活動尾翼亦通過鉸鏈銷軸和鉸鏈支座連接,電機工作時,帶動傳動直線機構上下運動,實現活動尾翼與固定尾翼產生不同的夾角,從而產生不同的水作用力,實現對船模運動姿態的控制。T型水翼活動翼面的運動情況如圖3所示。

圖3 T型水翼運動示意圖

3.2 壓浪板傳動設計方案

船艉壓浪板的傳動設計方案中,直線傳動機構、驅動馬達、驅動器等和T型水翼的直線傳動機構完全相同,以減少零件和備件的種類。鉸鏈銷軸及鉸鏈支座按照壓浪板的尺寸設計,盡量減小體積和迎水橫截面積,以減少對水流的影響。與T型水翼不同的是,T型水翼旋轉軸是固定尾翼和活動尾翼的連接處,而壓浪板的活動軸是壓浪板與船尾的連接部位。船艉壓浪板的設計最大角度運動范圍為-20°～+20°,T型水翼活動翼面的運動情況如圖4所示。

圖4 壓浪板運動示意圖

T型水翼和壓浪板伺服執行機構實物照片如圖5所示。

圖5 T型水翼(左)和壓浪板(右)

4 電機功率計算及負載測試

設計艏部T型水翼和艉壓浪板的行程為±20°,船?？v搖周期最小為0.5s。假定船模在水池拖曳航行時T型水翼和艉壓浪板隨船體的縱搖做正弦運動。角速度方程為

最大線速度計算:

1) T型水翼

活動翼長度為l1,牽引點為端部,故旋轉軸半徑長度為R=l1。

最大線速度:

2) 艉壓浪板

活動翼長度為l2,牽引點為艉壓浪板中部,旋轉半徑最大長度為R=l2/2。

· 最大線速度:

· 最大推力計算:

T型水翼和壓浪板推力Fi計算如下

式中,Ai為水翼或壓浪板面積,Ci為升力系數曲線的斜率,α為T型水翼和壓浪板攻角,ρ為水密度,U為航速。

· 最大功率計算:

最大功率計算時,最大考慮適當余量,以最大推力和最大線速度之積為最大功率,即:

Pmax=Fmax×Vmax

經計算T型水翼最大功率為15.48W,壓浪板最大功率為25.8W。為統一選型去25.8W為最大功率,傳動機構效率按照60%考慮,所需電機功率為43W,現選擇60W無刷電機,直流電機按照2倍過載能力考慮,設計最大輸出功率為120W。

為了驗證執行機構的響應速度能夠滿足使用需求,對執行機構加載20kg負載,上位機系統輸出正弦控制命令,測試條件頻率范圍從1Hz～4Hz,角度范圍為±2°～±10°,對響應延遲時間進行了測試,測試結果如表1所示。

表1 響應延遲時間測試結果表

5 伺服控制系統

執行機構伺服系統采用PID控制[10～11],由伺服機構集中控制器、伺服驅動器、伺服電機、滾珠絲杠、T型水翼和壓浪板組成。伺服驅動器、伺服電機和滾珠絲杠一共三套,三套伺服裝置采用CAN總線組網,使用CANopen現場總線,通訊速率500Kbps,保證了水翼的快速響應。伺服機構集中控制器與上位DSP采用串口通訊,DSP發送來的水翼與壓浪板角度值,經過計算與轉換后,將運動指令通過CAN總線發送給三個伺服驅動器,驅動電機經傳動機構使水翼和壓浪板運動到指定的角度。同時伺服機構集中控制器會采集水翼和壓浪板當前的角度值,并通過串口發送給上位DSP。

CANopen是一種架構在控制局域網路(Control Area Network,CAN)上的高層通訊協定,包括通訊子協定及設備子協定常在嵌入式系統中使用,也是工業控制常用到的一種現場總線。

CANopen實現了OSI模型中的網絡層以上(包括網絡層)的協定。CANopen標準包括尋址方案、數個小的通訊子協定及由設備子協定所定義的應用層。CANopen支援網絡管理、設備監控及節點間的通訊,其中包括一個簡易的傳輸層,可處理資料的分段傳送及其組合。

1) 伺服機構集中控制器

由于三套伺服是以CANopen總線組網,一個主站CANopen設備作為集中控制器。采用帶有CAN接口的單片機板,使用主流芯片SJA1000作為CAN控制器,82C250作為CAN驅動器,支持CAN2.0A和CAN2.0B(PeliCAN)協議。此單片機板上還具有RS485總線接口,自帶USB-UART,方便調試與通訊。

2) 伺服驅動器

圖6 上位機DSP與伺服系統程序流程

配有三通道線驅增量式光電編碼器,選用Elmo的HAR-A5/50CG直流電機驅動器。此驅動器具有小體積,高功率密度,高剛性,高可靠性,智能化,并且同時支持有刷和無刷電機。Elmo伺服驅動器擁有PTP,PVT,PT,ECAM等多種運動控制功能,可在內部編寫負載的運動控制程序。驅動器標配CANopen接口,支持DS301、P402協議,控制簡單,功能強大。驅動器自帶的IO口還可以直接通過軟件配制成限位開關與原點開關,實現自動回零。上位機DSP與伺服系統程序流程如圖6所示。

伺服機構每20ms給DSP2812控制器發送一次角度數據作為反饋。DSP2812控制器每20ms給伺服機構發送一次數據作為命令。

上位機DSP對伺服機構命令程序:

void Load_SA()

{

signed int TempA,i;//起始符

SentCharA[0]=0x55;

SentCharA[1]=0xAA;

//T型水翼角度

TempA = Ang_CT*1000;

SentCharA[2] = TempA >>8;

SentCharA[3] = TempA & 0x00FF;

//壓浪板

TempA = Ang_CL*1000;

SentCharA[4] = TempA >>8;

SentCharA[5] = TempA & 0x00FF;

//右壓浪板

TempA = Ang_CR*1000;

SentCharA[6] = TempA >>8;

SentCharA[7] = TempA & 0x00FF;

//異或校驗

TempA=0;

for (i=2 ; i<10 ; i++)

{

TempA=SentCharA[i]^TempA;

}

SentCharA[10] = TempA & 0x00FF;

//結束符

SentCharA[11]=0xAA;

SentCharA[12]=0x55;

//}

6 結語

本文提出的一種適用于水池船模試驗的航行姿態自動控制系統伺服執行機構,重量輕,響應速度快,有效解決了采用船模驗證航行姿態穩定系統有效性時,船模載荷能力小,搖擺周期短,對航行姿態穩定系統伺服執行結構響應時間要求高的問題,經實際雙體船水池船模試驗驗證,該系統能夠較好的滿足船模自動控制系統要求,為船舶航行自動控制系統試驗研究及其它伺服執行機構設計提供參考。

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Design of A Small Servo Actuator of Ship Ride Automatic Control System

XU Wenqing

(China Ship Research and Development Center, Wuhan 430064)

Ship ride automatic control system is an important device for reducing the ship motion in waves, carrying out towing ship model test is an important means to study the validity of ship ride automatic control system. The paper designs a small servo actuator of ship ride automatic control system for towing ship model test. The actual towing ship model tests validate that the servo actuator satisfy the requirement of the system, provide a reference for study or test of ship ride automatic control system.

ship ride automatic control, servo actuator, T-foil, trim tab

2014年10月21日,

2014年11月30日

胥文清,男,碩士,工程師,研究方向,艦船電子信息,自動控制。

TP273

10.3969/j.issn1672-9730.2015.04.015