一种船舶液压舵机双余度换向阀控制系统的制作方法

本发明涉及一种船舶液压舵机双余度换向阀控制系统，适用于机械领域。

背景技术：

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，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。

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。

技术实现要素：

本发明提出了一种船舶液压舵机双余度换向阀控制系统，该控制系统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。

本发明所采用的技术方案是：所述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。

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。

所述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。

所述系统采用高性能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，在需要迸行维护和参数调整时才将需要用到设置电路。

所述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16MHz。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。

所述输入输出模块亦称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。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。

所述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。系统步迸电机驱动器采用三洋THB7128芯片，支持最大细分数128。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。

所述控制系统软件以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。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。

本发明的有益效果是：该控制系统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。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的双余度阀控制系统结构图。

图2是本发明的单片机系统晶振电路电路图。

图3是本发明的开关量输入电路电路图。

图4是本发明的晶体管型输出电路图。

图5是本发明的步进驱动器主电路图。

图6是本发明的软件处理主流程图。

图中：1、驱动器1；2、电机1；3、滑阀；4、转阀；5、电机2；6、驱动器2。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1，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。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。

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。

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。

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，在需要迸行维护和参数调整时才将需要用到设置电路。

如图2，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16MHz。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。

如图3、图4，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。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。

如图5，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。系统步迸电机驱动器采用三洋THB7128芯片，支持最大细分数128。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。

如图6，控制系统软件以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uCOS，以实现多任务运行。系统主要实现细节请参见软件源代码。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。