張壽春

（上海海事大學 信息工程學院，上海 201306）

數(shù)字-自整角機轉換器（DSC）可把以數(shù)字形式表示的角度控制量轉換成三相交流信號，用來驅(qū)動自整角機[1]，在船舶上常用力矩式自整角機組成同步傳遞系統(tǒng)，得到了廣泛應用。隨著數(shù)字羅經(jīng)的普及，這就要求采集數(shù)字航向信號來驅(qū)動自整角機[2]。在實際應用中，由于機械摩擦與驅(qū)動匹配以及自整角機本身等因素，對速度匹配有很高的要求。因此需要對力矩式自整角機組成同步傳遞系統(tǒng)進行控制，以達到最佳效果。

本系統(tǒng)中采用LPC2292[3-6]作為控制內(nèi)核，產(chǎn)生正、余弦函數(shù)。通過采集電羅經(jīng)和磁羅經(jīng)數(shù)字信號來驅(qū)動操舵儀的自整角機，并采用了分段細分控制從而彌補了單純采用PID算法的不足，在實際應用中取得了很好的效果。

1 系統(tǒng)的實現(xiàn)

系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Principle of system

系統(tǒng)微處理器采用LPC2292，根據(jù)0183協(xié)議[7]，通過RS485或CAN通信接口來采集電羅經(jīng)和磁羅經(jīng)的數(shù)字航向信號，系統(tǒng)上電初始化時在微處理器內(nèi)部將航向信號轉換為驅(qū)動自整角機所需的正弦和余弦從0度到360度進行數(shù)字量采樣。

根據(jù)航向角度的不同，輸出相應的數(shù)字量，通過數(shù)字到模擬轉換芯片以及功放電路輸出。輸出的信號再經(jīng)過變壓器組合輸出給自整角機。

2 輸出控制

2.1 航向數(shù)據(jù)采集

系統(tǒng)按照NMEA-0183標準定時接收數(shù)據(jù)。接口方式：RS-422（RS-485）數(shù)據(jù)以ASCII碼格式發(fā)送。格式為：$--HDT，XXX.X，T*hh回車符換行符，在實際應用中，有一些產(chǎn)品發(fā)送的航向值有差別，有3種情況X.X，XX.X，XXX.X。為了更好的兼容，通過串口取得數(shù)據(jù)時要進行判斷，判斷的依據(jù)是在2個逗號之間的數(shù)據(jù)有幾位。如果接收到的第9個數(shù)據(jù)是0X2E，那么發(fā)送的數(shù)據(jù)是X.X；如果接收到的第10數(shù)據(jù)是0X2E，那么發(fā)送的數(shù)據(jù)是XX.X；如果接收到的第11個數(shù)據(jù)是0X2E，那么發(fā)送的數(shù)據(jù)是XXX.X。

通過串口獲得航向數(shù)據(jù)，設32位航向變化變量runda，系統(tǒng)開始時runda等于 runda1和 runda0，runda為0。runda1是實時接收的航向值，runda0是上次的航向值，系統(tǒng)根據(jù)runda的值進行運動。如果值大于零，系統(tǒng)驅(qū)動自整角機正轉，如果值小于零，系統(tǒng)驅(qū)動自整角機反轉。當航向變化跨越360.0度時，要對數(shù)據(jù)進行修正，實現(xiàn)代碼如下：

2.2 控制策略

首先對從自整角機發(fā)送機送出的三相交流信號進行分析可知，航向同步發(fā)送電機的激磁U0是110 V/50 Hz的交流信號，其輸出三相交流電壓是與U0同頻的交流電，三相信號是同頻率、同相位的，只不過幅度分別被調(diào)制。因此要想驅(qū)動自整角機系統(tǒng)必須構造兩個函數(shù) sin（ωT）sin（θ）和 sin（ωT）cos（θ），通過組合產(chǎn)生相位差120度的三相交流信號從而驅(qū)動自整角機，利用斯柯特變壓器可以實現(xiàn)信號的轉換[1-8]。

系統(tǒng)采用LPC2292和數(shù)模轉換來產(chǎn)生正弦和余弦的函數(shù)，通過對正弦和余弦函數(shù)進行0到360度離散化，在微處理器開辟2 K的RAM區(qū)存放正弦函數(shù)的數(shù)字量，另2 K的RAM區(qū)存放余弦函數(shù)的數(shù)字量。通過D/A模塊AD7537[9]輸出，取與激磁電壓同頻同相的交流電作為參考電壓。360度被分成1/1 024。針對不同的角度，取相應的存在RAM區(qū)的正弦和余弦值的數(shù)字量，傳送給數(shù)模轉換芯片。通過功率放大和斯科特變壓器的線性組合產(chǎn)生驅(qū)動自整角機的三相信號[10]。

通過對自動舵的羅盤驅(qū)動結構分析，由于在船舶上常用力矩式自整角機組成同步傳遞系統(tǒng)，由于機械摩擦與驅(qū)動匹配以及自整角機本身等因素，限制了高速運行。本系統(tǒng)采用慢啟動，慢停止。啟動后在變化角度X0內(nèi)，微處理器輸出給D/A的正弦和余弦的值以Y0低速變化，當羅盤航向角度與接收的航向角度差大于X1時微處理器輸出正弦和余弦的值保持輸出速度Y2。在X0到X1區(qū)間采用分段控制微處理器輸出值的速度來控制自整角機自動加速和減速。通過改變LPC2292的定時器的定時寄存器的值來實現(xiàn)速度的加減。對于本系統(tǒng)X0可取2度，X1可取10度，需要進行智能控制的是[X0，X1]區(qū)間內(nèi)系統(tǒng)自動加減速，如圖2所示。微處理器輸出控制量是定時器值。

通過控制輸出數(shù)據(jù)的速度來控制自整角機的速度，當航向runda大于一定的值，自整角機的速度保持恒定的速度。系統(tǒng)實時判斷runda變量的值，通過改變LPC2292的定時器0的定時參數(shù)來實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)，本系統(tǒng)采用分段控制，變量值從0到10度每秒?yún)^(qū)間分5段。當runda小于2度時，在2 048 ms內(nèi)輸出數(shù)據(jù)1 024個，那么定時器定時參數(shù)為2 ms；當runda大于2度小于4度時，在1 024 ms內(nèi)輸出數(shù)據(jù)1 024個，那么定時器定時參數(shù)為1 ms；當runda大于4度小于8度時，在512 ms內(nèi)輸出數(shù)據(jù)1 024個，那么定時器定時參數(shù)為0.5 ms；當runda大于8度小于10度時，在256 ms內(nèi)輸出數(shù)據(jù)1 024個，那么定時器定時參數(shù)為0.25 ms；如果值大于10度，定時參數(shù)不變。在啟動加速階段和減速停止階段實現(xiàn)慢啟動和慢停止。當大于一定的值，如果取值太快，驅(qū)動機構跟不上變化。為了獲得更好的平滑，可以對定時參數(shù)進行細分。

圖2 系統(tǒng)的角度與速度圖Fig.2 Angle and velocity variation diagram of system

3 實驗與分析

將主羅經(jīng)信號模擬裝置和模擬分羅經(jīng)及數(shù)字羅經(jīng)連接好，調(diào)節(jié)數(shù)字航向值和羅盤指示值。航向發(fā)送自整角機在不同速率的下跟蹤情況如表1和表2，圖3是分段細分控制方式的速度變化曲線。

表1 實時控制的羅盤指示值Tab.1 The gyro-compass value of using real-time control

表2 分段控制的羅盤指示值Tab.2 The gyro-compass value of using several steps control

圖3 系統(tǒng)的速度變化圖Fig.3 Velocity variation diagram of system

通過實驗發(fā)現(xiàn)，如果直接將接收的航向變化，經(jīng)過計算得正弦和余弦值輸出給D/A從而驅(qū)動自整角機，會出現(xiàn)跟蹤不平滑，在二次接收航向時間之間有停止的過程，而采用分段控制輸出正弦和余弦值的速度可使系統(tǒng)跟蹤平滑且在航向變化很大時使系統(tǒng)能匹配輸入的變化準確跟蹤，從而防止急啟動和急停止而形成的誤差。在航向速率小于等于20°/s本系統(tǒng)能很好滿足羅盤指示的精度。

4 結束語

為了更好地匹配船舶上常用力矩式自整角機組成同步傳遞系統(tǒng)，文中采用LPC2292芯片并通過上電初始化時計算獲得正弦和余弦的采樣值存在RAM中。通過芯片的定時器定時取值輸出到模數(shù)轉換模塊從而實現(xiàn)驅(qū)動自整角機，同時采用分段控制方式，在不同的階段通過定時寄存器的值的改變來控制輸出正弦和余弦值的變化速率，從而對系統(tǒng)輸出三相電壓信號的航向角的變換速率進行智能控制?？朔撕较蛐盘栔苯域?qū)動自整角機及傳動系統(tǒng)所出現(xiàn)的誤差和跟蹤不連續(xù)不平滑等缺點，經(jīng)試驗證明，性能穩(wěn)定。目前在許多船舶上得到應用。

[1]楊建新.DSC在航向發(fā)生器中的應用[J].計算機測量與控制，2002，10（3）:197-198.YANG Jian-xin.Application of DSC in the course generator[J].Computer Measurement&Control，2002，10（3）:197-198.

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[4]周立功，張華等.深入淺出ARM7——LPC213x/LPC214x[M].下冊.北京：北京航空航天大學出版社，2005.

[5]周立功，張華等.深入淺出ARM7——LPC213x/LPC214x[M].上冊.北京：北京航空航天大學出版社，2005.

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