（海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院 武漢 430033）

1 引言

2 舵機(jī)運(yùn)動(dòng)模擬裝置總體結(jié)構(gòu)與工作原理

裝置實(shí)體結(jié)構(gòu)如圖1，上層安裝操舵儀舵角反饋機(jī)構(gòu)，下層為舵角反饋驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，包括步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，旋轉(zhuǎn)編碼器等機(jī)械部件。通過聯(lián)軸節(jié)對接的方式，下層長軸步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)上層的舵角反饋機(jī)構(gòu)輸入軸，下層旋轉(zhuǎn)編碼器與步進(jìn)電機(jī)之間通過皮帶傳動(dòng)。裝置的運(yùn)行由專門設(shè)計(jì)的舵角控制電路控制。

圖1 裝置實(shí)體結(jié)構(gòu)圖

裝置工作原理如圖2，除了操控儀指令控制箱和舵角反饋機(jī)構(gòu)，其他均為本裝置的組成部分。裝置內(nèi)含有兩套反饋驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以模擬艦船雙舵的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)操控儀本身的舵角反饋裝置，使操舵儀獲取舵角信息。舵角控制電路以STM32F105單片機(jī)為核心，采集指令控制箱內(nèi)的舵角指令信號和舵機(jī)啟?？刂菩盘?，接收旋轉(zhuǎn)編碼器采集的反饋舵角，控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，模擬舵葉跟隨指令舵角的運(yùn)動(dòng)過程，并將相關(guān)舵角信息通過串口輸出至顯示屏顯示。

圖2 舵機(jī)運(yùn)動(dòng)模擬裝置工作原理框圖

3 操控儀指令控制箱控制信號采集

操控儀指令控制箱給出兩種信號，一種是電壓形式的4路舵角指令信號：+10V～-10V，代表舵角指令右40°至左40°；一種是控制舵機(jī)機(jī)組啟停的觸點(diǎn)信號。每個(gè)舵葉的運(yùn)動(dòng)受兩個(gè)機(jī)組的控制，一個(gè)機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，舵速一般為 2.3°/s～2.5°/s ，兩個(gè)機(jī)組同時(shí)啟動(dòng)，舵速一般為4.6°/s～5.0°/s。模擬舵機(jī)運(yùn)動(dòng)首先需要完成以上兩種信號的采集。

3.1 舵角指令信號的采集與處理

對于舵角指令信號的采集，裝置使用R-3402混合I/O數(shù)據(jù)采集模塊[6]，利用該模塊的4個(gè)模擬量差分輸入通道，采集4路+10V～-10V的差分電壓值，采樣分辨率為16位。為減小AD采樣誤差，采用算術(shù)平均法對舵角指令信號進(jìn)行濾波處理。

單片機(jī)電路以Modbus-485通信協(xié)議向R-3402模塊請求得到ADC數(shù)據(jù)后，計(jì)算其對應(yīng)的電壓值。四路差分通道，每個(gè)通道的采集值數(shù)據(jù)碼范圍為0～0xFFFF，0x0000對應(yīng)于-10V電壓，0x8000對應(yīng)0V電壓，0xFFFF對應(yīng)于+10V電壓。因此 0～0x7FFF表示采集值為負(fù)數(shù)，0x8001-0xFFFF表示采集值為正數(shù)。將ADC格式采集值轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的實(shí)際電壓值可以按式（1）實(shí)現(xiàn)：

其中y為采集電壓值；x為ADC格式電壓采集碼值；Vmax為采集電壓最大幅值，本裝置取10V。

此外，若控制同一舵角的兩個(gè)指令電壓采集值不同，還需對采集值進(jìn)行合理性判斷。若兩電壓采集值差別較小，取兩者算術(shù)平均值作為最后指令結(jié)果，若采集值差別較大，則裝置給出報(bào)警提示，以便操作人員確認(rèn)舵角指令信號的正確性。

3.2 舵機(jī)啟停信號采集與處理

本裝置的舵角控制電路中設(shè)計(jì)有操舵儀控制4個(gè)舵機(jī)機(jī)組啟停的8路開關(guān)信號檢測口，每個(gè)機(jī)組對應(yīng)于2路開關(guān)控制信號，啟動(dòng)1路、停止1路，啟動(dòng)開關(guān)一對觸點(diǎn)短路一次表示啟動(dòng)指令，停止開關(guān)一對觸點(diǎn)短路一次表示停止指令。舵角控制電路根據(jù)對開關(guān)量的檢測結(jié)果模擬舵機(jī)機(jī)組啟停。舵角控制電路中還另設(shè)計(jì)有8路自復(fù)位開關(guān)模擬操舵儀啟?？刂菩盘?，以便于舵角控制電路的調(diào)試。

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4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制電機(jī)[7]，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器每收到一個(gè)步進(jìn)脈沖信號，就按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步距角。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與舵角反饋機(jī)構(gòu)輸入軸通過聯(lián)軸節(jié)直聯(lián)，模擬舵機(jī)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生舵角，可以通過步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)。

本裝置采用定制的長軸步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)操控儀舵角反饋機(jī)構(gòu)輸入軸，兩軸之間通過聯(lián)軸節(jié)對接，避免傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的空回。根據(jù)扭矩需要及前期試驗(yàn)結(jié)果，選用86系列兩相步進(jìn)電機(jī)，配合DSP步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器[8]，該驅(qū)動(dòng)器可將 360°最高細(xì)分至40000步，可交直流供電。步進(jìn)電機(jī)與單片機(jī)舵角控制電路之間采用光電隔離接口。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收來自舵角控制電路的正反轉(zhuǎn)控制信號和脈沖輸入信號來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向與轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)。該驅(qū)動(dòng)器細(xì)分選擇是40000步/圈。模擬舵機(jī)跟隨指令舵角時(shí)，控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)角度所需的脈沖數(shù)n可根據(jù)式（2）計(jì)算：

其中δs為反饋舵角，δ為指令舵角。

步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于脈沖信號的頻率，可根據(jù)式（3）求取步進(jìn)電機(jī)每走一步所需時(shí)間t進(jìn)行設(shè)置：

其中vδ為模擬的舵速，可根據(jù)需要設(shè)定不同的值。

此外，本裝置還可模擬舵機(jī)延遲、啟停的過程。舵機(jī)延遲過程的模擬，通過在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)之前設(shè)置一定的等待時(shí)間實(shí)現(xiàn)。舵機(jī)啟停過程的模擬，通過控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速在啟停時(shí)間內(nèi)線性變化來實(shí)現(xiàn)。

5 反饋舵角采集與轉(zhuǎn)換

步進(jìn)電機(jī)在帶動(dòng)操舵儀舵角反饋機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，還帶動(dòng)了旋轉(zhuǎn)編碼器，用于采集反饋舵角并發(fā)送給舵角控制電路。旋轉(zhuǎn)編碼器采用西門子6FX2001-5QS12，該編碼器精度高，可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)[9]，是數(shù)控機(jī)床上普遍使用的編碼器。旋轉(zhuǎn)編碼器與步進(jìn)電機(jī)之間通過皮帶傳動(dòng)，無空回，傳送比為1：4，即舵角1°，編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)4°，編碼器本身角度采集重復(fù)精度已經(jīng)達(dá)到0.1°軸角，對應(yīng)的實(shí)際舵角僅為0.025°，因此有足夠的舵角采集精度。

反饋舵角采集原理圖見圖3，旋轉(zhuǎn)編碼器與步進(jìn)電機(jī)通過皮帶輪連接，由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)獲得角位移、角速度等機(jī)械量，生成格雷碼數(shù)據(jù)并通過SSI方式輸出至旋轉(zhuǎn)編碼器通信板。旋轉(zhuǎn)編碼器通信板也以單片機(jī)為核心，采集旋轉(zhuǎn)編碼器角度信息，并以RS422方式輸出到舵角控制電路完成舵角的反饋。

圖3 反饋舵角采集原理圖

旋轉(zhuǎn)編碼器采用SSI串行接口方式，在旋轉(zhuǎn)編碼器通信板發(fā)出的時(shí)鐘脈沖的控制下，按SSI接口標(biāo)準(zhǔn)從最高有效位（MSB）逐位同步傳輸數(shù)據(jù)[10]。具有SSI接口的編碼器工作示意圖如圖4，由編碼器讀數(shù)系統(tǒng)讀取數(shù)據(jù)，并且把數(shù)據(jù)持續(xù)地傳送給轉(zhuǎn)換寄存器裝置，單穩(wěn)電路被一個(gè)時(shí)鐘信號傳送激活時(shí)，數(shù)據(jù)被存儲和傳輸至具有時(shí)鐘同步信號的輸出端。

圖4 具有SSI接口的編碼器工作示意圖

SSI讀出數(shù)據(jù)時(shí)序圖如圖5，其中D1～Dn為角位置數(shù)據(jù)；S為特殊位；Tm為低落時(shí)間，Tp為時(shí)鐘脈沖，Tp≥Tm；MSB為最高有效位，LSB為最低有效位。時(shí)鐘信號的第一個(gè)下降沿出現(xiàn)，單穩(wěn)電路被激活，數(shù)據(jù)被傳送到轉(zhuǎn)換寄存器里存儲。隨后時(shí)鐘信號的第一個(gè)上升沿出現(xiàn)，存儲數(shù)據(jù)的最高有效位的數(shù)據(jù)Dn傳送至數(shù)據(jù)信號輸出線上，接著時(shí)鐘信號又處于下降沿，控制器從數(shù)據(jù)信號輸出線上獲得所需的電平值，單穩(wěn)電路再次被激活。如此，隨著一個(gè)個(gè)脈沖上升沿的到來，角位置數(shù)據(jù)逐一輸出，最后位D1傳輸完畢，數(shù)據(jù)線跳至最低有效位傳輸數(shù)據(jù)信號，控制器獲得最低有效位的電平值，時(shí)鐘脈沖停止，單穩(wěn)電路不再激活。

圖5 SSI讀出數(shù)據(jù)時(shí)序圖

經(jīng)歷以上過程，旋轉(zhuǎn)編碼器通信板的主控制器逐位讀取完一組13位的格雷碼數(shù)據(jù)，還要將其轉(zhuǎn)換為角度信息。將13位格雷碼轉(zhuǎn)換為13位二進(jìn)制數(shù)[11]，范圍是0～ 8191，設(shè)定0～ 4096代表零度舵角到右滿舵，4097-8191代表左滿舵到零度舵角，則可按照式（4）計(jì)算得到反饋舵角δs：

其中，xB為根據(jù)格雷碼轉(zhuǎn)換成的13位二進(jìn)制數(shù)，δmax為設(shè)定的最大舵角值。

6 舵角隨動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)

圖6 隨動(dòng)控制示意圖

本裝置除了模擬舵機(jī)運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)操舵儀反饋機(jī)構(gòu)形成反饋舵角，還能自主模擬舵機(jī)跟隨指令舵角的隨動(dòng)操舵過程[12]。如圖6所示，裝置以舵角控制電路為控制器，接收舵機(jī)啟停指令以及舵角指令，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)操控儀舵角反饋機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)通過旋轉(zhuǎn)編碼器采集反饋舵角。舵角控制電路將反饋舵角與指令舵角比較，按照式（5）計(jì)算舵速δ?，控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，使實(shí)際舵角跟隨指令舵角變化。

式子根據(jù)IEC62065中舵機(jī)模型[13]改進(jìn)得到，δs為反饋舵角。δ為指令舵角，δ?為隨動(dòng)操舵控制靈敏度，vδ為模擬舵速。

7 結(jié)語

為構(gòu)建舵角運(yùn)動(dòng)環(huán)境，滿足操舵儀在陸基條件下的運(yùn)行需求，設(shè)計(jì)出舵機(jī)運(yùn)動(dòng)模擬裝置。利用步進(jìn)電機(jī)模擬舵角變化，驅(qū)動(dòng)操舵儀舵角反饋機(jī)構(gòu)形成反饋舵角，能自主模擬舵角隨動(dòng)控制過程。目前，該舵機(jī)運(yùn)動(dòng)模擬裝置已在新型操舵儀檢測平臺中得到應(yīng)用，成為搭建操舵儀運(yùn)行環(huán)境過程中不可缺少的部分。