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        艦船液壓系統(tǒng)超壓自動(dòng)切斷模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

        2023-03-09 07:55:20吳根平劉志宏華鍇瑋
        自動(dòng)化與儀表 2023年2期
        關(guān)鍵詞:程序模塊調(diào)理液壓

        吳根平,王 浩,劉志宏,華鍇瑋

        (武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所,武漢 430064)

        液壓傳動(dòng)系統(tǒng)在船舶領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。由于液壓系統(tǒng)在工作中可能會(huì)因運(yùn)動(dòng)部件突然卡死、油路突然堵塞、溢流閥主閥芯卡死等原因出現(xiàn)液壓系統(tǒng)壓力突然升高[1-2]。當(dāng)壓力升高超過允許極限時(shí),就可能會(huì)造成各種嚴(yán)重的事故。為保障液壓系統(tǒng)安全,一般采用人工監(jiān)視壓力并切斷保護(hù)的方式,即當(dāng)觀察到液壓系統(tǒng)壓力超過允許壓力極限時(shí),手動(dòng)關(guān)閉切斷閥將油路切斷。此方式,一是增加了人員配置,人力成本高,二是人工監(jiān)視并動(dòng)作的方式,反應(yīng)時(shí)間較慢。為此,需考慮液壓系統(tǒng)超壓自動(dòng)切斷問題。超壓自動(dòng)切斷裝置一般主要由壓力變送器傳感壓力信號(hào)、切斷閥切斷管路及超壓自動(dòng)切斷模塊控制切斷閥等部分組成[3-4]。針對(duì)液壓系統(tǒng)超壓自動(dòng)切斷需求,本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種高精度的、快速反應(yīng)的超壓自動(dòng)切斷模塊,以實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)壓力超過允許極限時(shí)的及時(shí)切斷,提升液壓系統(tǒng)的安全性。

        1 系統(tǒng)總體方案

        超壓自動(dòng)切斷模塊主要包括電源變換電路、微處理器電路、信號(hào)調(diào)理電路、超壓切斷電路等部分,總體結(jié)構(gòu)功能如圖1所示。電源變換電路將外部直流電源轉(zhuǎn)換為不同等級(jí)電源供微處理器電路、信號(hào)調(diào)理電路等使用。外部壓力變送器4 mA~20 mA 電流信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路,將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)送入微處理器電路,微處理器電路通過自帶的模數(shù)轉(zhuǎn)換器將電壓信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并完成濾波、信號(hào)處理,最后通過超壓切斷電路采集切斷閥狀態(tài)并控制切斷閥切斷液壓油路。

        圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall system structure diagram

        1.1 電源變換電路設(shè)計(jì)

        如圖2所示,電源變換電路主要負(fù)責(zé)將外部輸入的直流24 V 電源轉(zhuǎn)換為不同等級(jí)電源供其他電路部分使用。通過WRB2405S 芯片將直流24 V 電源轉(zhuǎn)換為直流5 V 電源供微處理器電路使用,發(fā)光二極管D1用來判斷電源變換狀態(tài),如圖2(a)所示;通過MAU129 芯片將直流24 V 電源轉(zhuǎn)換為直流±15 V電源供信號(hào)調(diào)理電路使用,如圖2(b)所示。

        圖2 系統(tǒng)電源工作原理圖Fig.2 Schematic diagram of system power supply

        1.2 微處理器電路設(shè)計(jì)

        微處理器電路主要實(shí)現(xiàn)微處理器工作運(yùn)行[5]。微處理器采用飛思卡爾公司16 位MC9XS128 系列單片機(jī)芯片。該芯片為直流5 V 電源供電,內(nèi)含16通道12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器及CAN 通信控制器。復(fù)位電路采用復(fù)位芯片TPS3808G50,可在上電后產(chǎn)生一個(gè)幾百毫秒的復(fù)位信號(hào)送給微處理器。晶振電路采用16 MHz 無源晶振方式,外接18 pF 對(duì)稱電容。微處理器電路原理如圖3所示。

        圖3 微處理器電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of microcontroller circuit

        1.3 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

        信號(hào)調(diào)理電路主要負(fù)責(zé)將4 mA~20 mA 直流電流信號(hào)轉(zhuǎn)換調(diào)理為合適的電壓信號(hào)送入微處理器[6]。將外部輸入的4 mA~20 mA 標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)通過高精度10 Ω 采樣電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),電壓范圍為40 mV~200 mV。為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力,采用差分輸入、8 倍信號(hào)放大的隔離電流傳感芯片AMC1100,實(shí)現(xiàn)輸入/輸出的完全電氣隔離及信號(hào)放大。后級(jí)通過運(yùn)算放大器OPA2251 信號(hào)調(diào)理及差分放大電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大和極性轉(zhuǎn)換,將輸入的雙極性信號(hào)轉(zhuǎn)換為0~5 V 的單極性信號(hào)送入微處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。信號(hào)調(diào)理電路原理如圖4所示。

        圖4 信號(hào)調(diào)理電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of signal conditioning circuit

        1.4 超壓切斷電路設(shè)計(jì)

        超壓切斷電路主要負(fù)責(zé)根據(jù)微處理器指令驅(qū)動(dòng)切斷閥關(guān)閉。當(dāng)系統(tǒng)上電后,PP2_OUT1 信號(hào)默認(rèn)狀態(tài)為低電平,此時(shí)繼電器U7 不動(dòng)作,切斷閥控制端EX_DOUT1 沒有接通到電路內(nèi)部直流電源,切斷閥不動(dòng)作。當(dāng)微處理器發(fā)出命令時(shí),PP2_OUT1 信號(hào)為高電平,此時(shí)繼電器U7 動(dòng)作,切斷閥控制端EX_DOUT1 通過二極管D12 和快恢復(fù)保險(xiǎn)F2 送到外部切斷閥端子,切斷閥動(dòng)作關(guān)閉。D12 的作用是保證電流方向單向流動(dòng),D14 的作用是閥關(guān)斷時(shí)泄放電感上的電壓,保護(hù)切斷閥內(nèi)電磁線圈。同時(shí),設(shè)置了檢測(cè)電路來檢測(cè)繼電器輸出端OUT-端的電平情況,以判斷繼電器輸出狀態(tài)。電路原理如圖5所示。

        圖5 切斷電路原理圖Fig.5 Schematic diagram of sever circuit

        2 軟件設(shè)計(jì)

        系統(tǒng)軟件采用C 語言開發(fā),開發(fā)環(huán)境選用飛思卡爾公司微處理器對(duì)應(yīng)的軟件開發(fā)環(huán)境CodeWarrior v5.9.0 完成程序編寫、編譯、調(diào)試及下載[7]。系統(tǒng)軟件主要由初始化與定期中斷程序模塊、模/數(shù)轉(zhuǎn)換與處理程序模塊、超壓自動(dòng)切斷程序模塊等組成。

        2.1 初始化與定期中斷程序模塊設(shè)計(jì)

        初始化與定期中斷程序模塊主要完成系統(tǒng)初始化及定時(shí)中斷服務(wù)程序執(zhí)行。整體軟件流程如圖6所示。系統(tǒng)上電后,首先完成看門狗、時(shí)鐘、GPIO、ADC 等模塊系統(tǒng)初始化并開啟定時(shí)器配置定時(shí)器中斷,如圖6(a)所示;其次,定時(shí)中斷程序定時(shí)周期性地采集模擬信號(hào)并將信號(hào)量化處理,后執(zhí)行超壓自動(dòng)切斷程序模塊,根據(jù)模擬信號(hào)大小自動(dòng)關(guān)閉切斷閥,如圖6(b)所示。

        圖6 初始化與定時(shí)中斷程序模塊流程Fig.6 Flow chart of initialization and timing interrupt program module

        2.2 模/數(shù)轉(zhuǎn)換與處理程序模塊設(shè)計(jì)

        模/數(shù)轉(zhuǎn)換與處理程序模塊主要實(shí)現(xiàn)模/數(shù)轉(zhuǎn)換與處理。選擇微處理器芯片自帶模/數(shù)轉(zhuǎn)換通道AN01~AN03 三路輸入作為模/數(shù)采集通道。其中有效信號(hào)為AN01、AN02 輸入,AN03 輸入主要目的是采集5 V 基準(zhǔn)電壓,從而校正模/數(shù)轉(zhuǎn)換精度。將模/數(shù)采集工作模式配置為獨(dú)立模式、開啟單通道轉(zhuǎn)換、軟件觸發(fā)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)右對(duì)齊,設(shè)置ADC 的采樣周期為50 ms。對(duì)模/數(shù)轉(zhuǎn)換值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,利用滑動(dòng)窗口濾波方式選擇最新的10 組模/數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù),去掉最大值和最小值,然后將其余值求平均值,最后進(jìn)行分段線性校準(zhǔn),將結(jié)果存入特定寄存器用于數(shù)據(jù)傳輸。模/數(shù)轉(zhuǎn)換與處理模塊流程如圖7所示。

        圖7 模/數(shù)轉(zhuǎn)換與處理程序模塊流程Fig.7 Flow chart of A/D conversion and processing program module

        2.3 超壓自動(dòng)切斷程序模塊設(shè)計(jì)

        超壓自動(dòng)切斷程序模塊主要實(shí)現(xiàn)根據(jù)采集到的液壓系統(tǒng)壓力信號(hào),向外部給出控制信號(hào)。開關(guān)信號(hào)的輸入通過微處理器的GPIO 口設(shè)置為輸入來實(shí)現(xiàn)。為了防止誤開關(guān)動(dòng)作過程中的抖動(dòng)引起誤動(dòng)作,多次讀取切斷閥開關(guān)輸入信號(hào),然后采用“取9判5”策略:獲取最近9 次切斷閥狀態(tài)值,同狀態(tài)多者視為最終狀態(tài)。當(dāng)切斷閥已開啟且液壓系統(tǒng)壓力變送器輸入信號(hào)的壓力值超過設(shè)定的切斷閾值時(shí),超壓保護(hù)控制模塊啟動(dòng),然后開始控制閥的輸出狀態(tài),關(guān)閉切斷閥,切斷閥切斷保護(hù);當(dāng)切斷閥已關(guān)閉且液壓系統(tǒng)壓力變送器輸入信號(hào)的壓力值低于設(shè)定的切斷閾值的90%,那么重新改變控制閥的輸出狀態(tài),打開切斷閥。超壓自動(dòng)切斷程序模塊軟件流程如圖8所示。

        圖8 超壓自動(dòng)切斷程序模塊流程Fig.8 Flow chart of over-pressure auto-sever program module

        3 系統(tǒng)測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果

        為了驗(yàn)證超壓自動(dòng)切斷模塊的功能性能,制作了超壓自動(dòng)切斷模塊并開展了相關(guān)試驗(yàn),超壓自動(dòng)切斷模塊實(shí)際效果,如圖9所示。

        圖9 超壓自動(dòng)切斷模塊實(shí)際效果圖Fig.9 Picture of over-pressure auto-sever module

        為了驗(yàn)證超壓自動(dòng)切斷模塊模擬量采集的精確度,完成了4 mA~20 mA 全電流范圍內(nèi)信號(hào)采集精度測(cè)試,如圖10所示。結(jié)果表明,4 mA~20 mA 全電流范圍內(nèi)的信號(hào)采集誤差均在0.35%FS 內(nèi),采集精度高,滿足超壓切斷使用要求。

        圖10 模擬信號(hào)采集誤差Fig.10 Analog signal acquisition error diagram

        為驗(yàn)證超壓自動(dòng)切斷的快速性,完成了傳統(tǒng)超壓人工切斷及本文超壓自動(dòng)切斷的切斷時(shí)間多次對(duì)比測(cè)試,如表1所示。結(jié)果表明,人工切斷時(shí)間平均為0.55 s,本文超壓自動(dòng)切斷時(shí)間為0.167 s,本文超壓自動(dòng)切斷時(shí)間要遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)超壓人工切斷時(shí)間,反應(yīng)迅速,滿足超壓切斷使用要求。

        表1 超壓切斷動(dòng)作時(shí)間測(cè)試對(duì)比Tab.1 Comparison of over-pressure sever time

        4 結(jié)語

        傳統(tǒng)依靠人工監(jiān)視液壓系統(tǒng)壓力并在超壓時(shí)手動(dòng)切斷的方式耗費(fèi)人力、反應(yīng)較慢,已逐漸不能滿足液壓系統(tǒng)超壓時(shí)快速切斷的安全性需求。針對(duì)該問題,本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種高精度的、快速反應(yīng)的超壓自動(dòng)切斷模塊,并完成了系統(tǒng)測(cè)試試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,該超壓自動(dòng)切斷模塊與壓力變送器及切斷閥接口匹配性好,全范圍模擬信號(hào)采集精度高,反應(yīng)快速準(zhǔn)確,可有效提升液壓系統(tǒng)超壓時(shí)的安全性。

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