胡海軍 于利民

山東交通學(xué)院 山東 威海 264209

0 引言

水陸兩用車（又名“水陸兩棲車輛”）是同時具有陸地車輛和水上船舶性能的一種特殊車輛[1]。傳統(tǒng)水陸兩用車大多直接采用船舶的舵機(jī)控制系統(tǒng),采用機(jī)械傳動控制或者液壓控制,整個系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜,可集成性差,與水陸兩用車的陸上轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相互獨(dú)立,不便于駕駛員進(jìn)行操控。

在汽車領(lǐng)域,智能汽車、無人駕駛技術(shù)近幾年飛速發(fā)展,這些技術(shù)不再是只停留在科幻片中,而是已經(jīng)進(jìn)入人們的日常生活;對于水陸兩用車領(lǐng)域,智能化、無人化也是未來發(fā)展的重要趨勢。

所以某新型水陸兩用車項(xiàng)目,針對傳統(tǒng)水陸兩用車舵機(jī)控制系統(tǒng)的不足,并著眼于未來智能化的發(fā)展趨勢,對水陸兩用車的舵機(jī)控制系統(tǒng)提出了新的設(shè)計(jì)要求:

（1）受制于該型水陸兩用車空間有限,舵機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)結(jié)構(gòu)簡單,占用空間小,具備精度高、快速響應(yīng)的特點(diǎn)。

（2）水陸兩用車舵機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)與陸上轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)相融合,共用一套操控系統(tǒng),即一個方向盤即能控制陸上轉(zhuǎn)向,又能控制水上轉(zhuǎn)向,并且能快速切換。

（3）舵機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)具備數(shù)字化接口,便于與其他系統(tǒng)進(jìn)行組網(wǎng)、集成,滿足未來智能化升級需求。

1 方案設(shè)計(jì)

針對該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要求,綜合分析后決定設(shè)計(jì)一套基于PLC的電動舵系統(tǒng),該系統(tǒng)由切換裝置、信號采集裝置、PLC中控系統(tǒng)、電動轉(zhuǎn)舵執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成,基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖

1.1 硬件設(shè)備

（1）切換裝置

切換裝置為一套同步器和帶拔插的電動推桿。由于水陸兩用車陸上轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是沿用汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng),屬于機(jī)械傳動,所以采用了一套同步器作為切換裝置,安裝在方向盤與陸上轉(zhuǎn)向器的傳動軸上。該裝置運(yùn)用電動推桿加拔插來控制同步環(huán)的位置,來實(shí)現(xiàn)同步器上下端的連接和斷開,進(jìn)而控制方向盤與陸上轉(zhuǎn)向器的連接和斷開。

（2）信號采集裝置

采用絕對型旋轉(zhuǎn)編碼器作為信號采集裝置。舵機(jī)控制系統(tǒng)需要采集的信號為轉(zhuǎn)角信號,而絕對型旋轉(zhuǎn)編碼器對于每一個角度位置都特定的編碼,且不受斷電影響,具有精確度高、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。本方案采用三個絕對值型旋轉(zhuǎn)編碼器,分別用以檢測方向盤、舵機(jī)、陸上轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)角信號,并將信號傳輸給PLC中控系統(tǒng)。

（3）PLC中控系統(tǒng)

PLC中控系統(tǒng)主要由PLC主機(jī)、通訊模塊、人機(jī)交互端組成。PLC主機(jī)采用西門子CPU 1214 DC/DC/DC,其集成PROFINET接口,具有強(qiáng)大的集成工藝功能和靈活的可擴(kuò)展性等特點(diǎn)。其作為整個系統(tǒng)的“大腦”,負(fù)責(zé)處理、分析各種數(shù)據(jù),并按照編程指令進(jìn)行相應(yīng)操作,如發(fā)送PWM控制信號、向與人機(jī)交互端發(fā)送舵角信號等。

通訊模塊采用CM 1241 RS485,負(fù)責(zé)接收和發(fā)送RS485信號,主要為PLC提供編碼器的轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù),也是舵機(jī)系統(tǒng)與其他設(shè)備通訊的端口之一。

人機(jī)交互端（HMI面板）,采用KTP 400 Basic mono PN設(shè)備,是西門子PLC的配套設(shè)備,其功能強(qiáng)大,能顯示大量的文字、圖像等信息,還擁有大量報警系統(tǒng),最高可顯示50個畫面,128個實(shí)時變量。其作用是通過與PLC進(jìn)行通訊,實(shí)時顯示轉(zhuǎn)舵系統(tǒng)的各中變量值及運(yùn)行狀態(tài),如舵角值、方向盤轉(zhuǎn)角;執(zhí)行人工操作,對PLC發(fā)送操作指令,如控制切換系統(tǒng)的斷開和連接等;接收PLC的指令,執(zhí)行故障報警等。

（4）電動轉(zhuǎn)舵執(zhí)行機(jī)構(gòu)

電動轉(zhuǎn)舵執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由步進(jìn)電機(jī)控制器、步進(jìn)電機(jī)、蝸桿減速器等組成。根據(jù)噴水推進(jìn)器的轉(zhuǎn)舵扭力實(shí)驗(yàn),并綜合考慮船體內(nèi)部空間等因素,最終選取57HSZ3N步進(jìn)電機(jī),及配套的HBS57步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器和蝸桿減速器。步進(jìn)電機(jī)具有輸出力矩大、成本低的優(yōu)點(diǎn),且轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動角度都可由脈沖精確控制。蝸桿減速器具有扭矩放大的作用,為選用小功率、小尺寸步進(jìn)電機(jī)提供了便利;還具有自鎖功能,能避免舵桿反轉(zhuǎn)而損壞電機(jī)。

1.2 工作模式

水陸兩用車的轉(zhuǎn)向控制存在以下三種情況:陸上行駛時,舵機(jī)控制系統(tǒng)不工作,直接關(guān)閉系統(tǒng)即可;水中航行時,前輪會進(jìn)行提升,要求只進(jìn)行水上轉(zhuǎn)向控制,這時切換裝置工作斷開陸上轉(zhuǎn)向連接;特殊情況下,方向盤可同時控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向和陸上轉(zhuǎn)向,如上岸和下水階段。

本系統(tǒng)的舵機(jī)控制具備三種工作模式:方向盤進(jìn)行操控,上位機(jī)進(jìn)行操控,通過數(shù)字接口由其它設(shè)備控制。

2 軟件設(shè)計(jì)

運(yùn)用西門子PLC專用編程軟件STEP7進(jìn)行本系統(tǒng)的軟件開發(fā),根據(jù)工作不同功能和要求,將程序主要分為數(shù)據(jù)處理模塊、工作模式切換模塊、轉(zhuǎn)舵控制模塊、人機(jī)交互端模塊。

2.1 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊主要是讀取各編碼器的轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù),進(jìn)行換算并儲存,方便其它程序、設(shè)備調(diào)用;與其它設(shè)備進(jìn)行通訊,接收指令或者發(fā)送數(shù)據(jù)。

2.2 工作模式切換模塊

控制陸上轉(zhuǎn)向系統(tǒng)接入和斷開,為保證水陸兩用車在水上和陸上正常行駛,以及車輪提升需求,要求方向盤打正,誤差在許可范圍,才能斷開陸上控制系統(tǒng);方向盤轉(zhuǎn)角與陸上轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)角差值在許可范圍內(nèi),才可接入陸上轉(zhuǎn)向系統(tǒng);還設(shè)置有應(yīng)急開關(guān),特殊情況下,可以立即切換。

切換轉(zhuǎn)舵控制模式,設(shè)置三個模式:方向盤操控、上位機(jī)操控、數(shù)字控制。方向盤操控模式,舵角設(shè)定值源于方向盤的轉(zhuǎn)動;上位機(jī)控制模式,舵角設(shè)定值來源于人機(jī)交互端的手動輸入;數(shù)字控制模式,其它設(shè)備通過數(shù)值化接口與系統(tǒng)進(jìn)行通訊,設(shè)定舵角值。

2.3 轉(zhuǎn)舵控制模塊

轉(zhuǎn)舵控制模塊控制流程圖如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)舵控制流程圖

由上級程序設(shè)定舵角α,通過讀取實(shí)際舵角β,來計(jì)算舵角偏差;當(dāng)偏差合理時,進(jìn)行PID計(jì)算,并由PLC發(fā)送對應(yīng)脈沖,控制轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)運(yùn)動,使舵角偏差趨向于零,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)舵的精確控制。通過PID控制可以周期性調(diào)節(jié)噴水推進(jìn)器的實(shí)際舵角,使之始終與設(shè)定舵角相符[2]。通過使用STEP 7中的PID_Compact指令進(jìn)行PID算法控制,其算法表達(dá)式可簡化為:

Yn采樣時刻為n時,計(jì)算出的PWM控制量;Kc是控制過程的增益量;SPn是采樣時刻為n時系統(tǒng)的給定值;PVn是在采樣時刻為n時的過程變量;T是采樣周期;TD是微分時間;T1是積分時間;YX是在采樣時刻為（n-1）時的積分輸出量[3][4]。

2.4 人機(jī)交互端模塊

人機(jī)交互端模塊是將PLC的數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為駕駛員可識別的視覺信號,并將駕駛員的指令轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號發(fā)送至PLC,主要分為顯示和控制兩部分。該模塊的程序編寫,需要構(gòu)建顯示面板,與PLC通訊,將系統(tǒng)運(yùn)行情況、操作提時、舵角值、方向盤角度值、陸上轉(zhuǎn)向器角度值、故障報警等進(jìn)行顯示;構(gòu)建控制面板,便于駕駛員向PLC發(fā)送控制指令,如控制系統(tǒng)的工作模式,設(shè)定舵角值,打開或關(guān)閉電機(jī)等。

3 結(jié)語

本系統(tǒng)在某新型水陸兩用車上試裝后,運(yùn)行效果良好,試驗(yàn)的數(shù)據(jù)如下:能實(shí)現(xiàn)一個方向盤操控水上轉(zhuǎn)向與陸上轉(zhuǎn)向,切換裝置的切換時間為1s;電動轉(zhuǎn)舵執(zhí)行機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)舵速度為每秒20°;實(shí)際舵角與顯示舵角的誤差不超過0.1°,正舵時無偏差。以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,該舵機(jī)控制系統(tǒng)滿足了水陸兩用車的使用需求,達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、占用空間小、轉(zhuǎn)舵精度高的優(yōu)點(diǎn),且預(yù)留有數(shù)值化接口,為水陸兩用車的智能化升級預(yù)留了空間,為水陸兩用車無人駕駛技術(shù)提供了重要基礎(chǔ)。