2019, Vol. 41
2. 哈尔滨工程大学 动力与能源工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001
2. Harbin Engineering University College of Power and Energy Engineering, Harbin 150001, China
船舶自动操舵仪，可用于保持船舶在给定航向或航迹上航行，是船舶运动控制关键操纵设备之一[1–2]。通过应用自动舵能使船舶航迹更接近直线，有效避免人为频繁操舵造成的“蛇形”航迹，从而具有更好的节能和经济效益[3]。我国对自动舵系统进行了多年研究，并研制成功一批实际产品，但这些研究和应用主要集中在电动液压舵机系统及其控制算法方面，通过控制电磁阀启闭来实现舵运动的控制[4–5, 6]。
然而现有数量庞大的旧式船舶操舵系统仍然采用人力驱动舵轮，进而带动液压转向器旋转实现船舶航向控制。在智慧航行以及节能减排的新形势下，传统船舶全液压转向器操舵系统存在的精度低、能效差、人工操舵强度大等问题日益突出，因此对传统舵机系统改造或换装升级的需求愈加旺盛。目前也缺少针对带全液压转向器的舵机进行自动舵升级改造的研究。另一方面，如果加装电磁阀型自动舵，则必须在现有舵机基础上加装电磁阀，对油路改动较大。
为了解决上述问题，本文提出了一种旋转驱动型自动舵系统，通过设计基于STM32的双闭环控制系统，对传统液压转向器舵机改进，在不改动油路的前提下，实现舵机自动化升级，有效减轻操舵强度，提高航迹精度，降低船舶燃油消耗。
1 传统液压转向舵机系统传统液压转向舵机系统的典型结构，如图1所示。
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图 1 传统液压换向舵机原理图 Fig. 1 Principle of traditional rudder based on hydraulic commutator |
系统工作时，通过操舵手转动舵轮5经由液压转向器6控制高压油流向，进而推动舵机两侧液压缸的伸缩，实现对舵叶的控制。其余结构为液压油路部件。
装备全液压转向器舵机转舵迅速且操舵扭矩小；转向器可定量供油，舵轮能够在任意位置停留[7]。因此，中小型渔船、货船、客轮上普遍使用液压转向器舵机。但是人工操舵作业频次高、强度大，打舵精度差，易过量打舵，导致船舶航行经济性低，在智能航行、节能减排趋势下亟待自动化升级。因此开展对现有舵机改造升级的旋转驱动型自动舵具有较强的实用价值和经济效益。
2 旋转驱动型自动舵系统原理设计的旋转驱动型自动舵在液压转向器手动舵的基础上，引入角度传感器和控制单元，构建双闭环自动操舵系统，包括舵角控制内环和航向控制外环。图2给出了自动操舵模式下的旋转驱动型自动舵双闭环控制结构框图。
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图 2 旋转驱动型自动舵系统原理图 Fig. 2 Principle of rotary-driven autopilot |
旋转驱动型自动舵控制系统的工作流程如下：
1）首向传感器检测船舶实际航向，舵角反馈器检测实际舵角，并发送给主控盒；
2）自动舵主控盒比较实际航向信号和给定航向信号，计算出偏航角；
3）主控盒根据偏航角以及实际舵角采用PID算法计算出偏舵角；
4）主控盒根据偏舵角给电机控制器发送方向和角度命令；
5）电机控制器根据接收的指令控制舵轮驱动器旋转，从而带动液压转向器，改变舵的方向和角度；
6）重复步骤2～步骤6过程，直至操纵船沿目标航向航行。
3 系统设计旋转驱动型自动舵系统的系统结构设计，如图3所示。
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图 3 旋转驱动型自动舵系统结构图 Fig. 3 Structure of rotary-driven autopilot |
系统结构主要涉及两方面的改动：
1）布置角度传感器。安装首向传感器7，并在舵叶附近安装舵角反馈器9，作为双闭环控制的信息输入；
2）改造控制驱动单元。配置主控盒6、电机控制器5；在舵轮4和液压转向器2之间以机械方式安装舵轮驱动器3。主控盒设置手动/自动模式，接收来自首向传感器和舵角反馈器的信息后，发送控制指令给电机控制器。在手动操舵基础模式下，舵轮4直接带动液压转向器2；在改进的自动操舵模式下，舵轮4与液压转向器2传动分离，通过舵轮驱动器3带动液压转向器。
3.1 控制系统硬件设计旋转驱动型自动舵控制系统硬件由PWM输出电路、逆变电路、转速控制环节构成。
相比有刷直流电机以及交流电机，无刷直流电机（Brushless Direct Current, BLDC）具有更好的速度/扭矩性能，其动态响应快，调速性能好，寿命长等优点[8–9]。本文设计的旋转驱动型自动舵控制系统选用无刷直流电机。
以STM32F103CBT6为主控制器，采用PWM控制电机转速，MOSFET驱动电机，霍尔传感器检测电机转子位置。系统同时通过CAN与主控盒进行通信，接收来自上位机的控制命令。STM32不断采集实时转速及电流，通过速度外环以及电流内环达到设定转速，实现对BLDC的双闭环控制。系统结构框图如图4所示。
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图 4 旋转驱动型自动舵控制框图 Fig. 4 Control flow chart of rotary-driven autopilot |
STM32F103CBT6采用Cortex-M3内核，芯片集成了一个高级定时器TIM1，能够输出6路互补带死区控制的PWM波；驱动电路将定时器输出的6路PWM波经过驱动芯片IR2136后用以驱动IRF4105 MOSFET. STM32接收电机输出的HA，HB，HC代表转子位子的3个霍尔信号，经过组合逻辑运算，输出按一定持续控制的6个MOSFET导通与关断的信号，进而实现整个系统的控制。
IR2136是功率MOSFE和IGBT专用栅极集成驱动电路，其控制逻辑输入和CMOS、LSTTL电平兼容，同时输入带有噪声滤波器，具有良好的噪声抑制能力[10]。其驱动电路及MOSFET逆变桥电路如图5和图6所示。
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图 5 驱动电路图 Fig. 5 Drive circuit diagram |
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图 6 MOSFET逆变桥电路图 Fig. 6 MOSFET inverter bridge circuit diagram |
图中逆变桥用于将直流电源转换为可以驱动BLDC运行的三相交流电。
3.1.2 转速检测电路设计大多数无刷直流电机在定子的非驱动端都嵌有3个霍尔传感器，当转子磁极经过霍尔传感器时，霍尔传感器将会产生高低电平的变换。通过３个霍尔传感器输出信号的组合可以得到电机的当前位置，从而得到电机的换相时序。STM32F103CBT6具有3个通用定时器以及一个高级定时器，每个定时器的TIMX_CH1、TIMX_CH2、TIMX_CH3三个输入捕获引脚在定时器内部经过异或后再将结果送给输入捕获逻辑执行单元，大大简化了STM32与霍尔传感器接口电路的设计[11]。其检测电路如图7所示。
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图 7 转速检测电路图 Fig. 7 Speed detection circuit |
对于高转速、大惯量的电机，为提高系统控制效率，引入电流环为电机提供相对恒定的驱动电流。电流检测常见的有霍尔电流传感器和电阻采样的方法[12]。本文采用的是电阻采样法来测量的电机电流，检测电路如图8所示。
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图 8 电流检测电路图 Fig. 8 Current detection circuit |
为了保证旋转驱动型自动舵控制系统的控制精度和动态响应特性，系统选用电流内环、速度外环的双闭环控制策略。电流内环的作用是提高系统的快速响应，提供过流保护保障系统安全运行。电流内环采用变速积分的PI调节器，基本思想是通过改变积分项的累加速度，使其与偏差大小相适应。速度外环的作用是提高系统抗负载扰动的能力，抑制速度波动，保证系统静态精度和动态跟踪的能力。速度环采用积分分离PI算法，开始时仅使用比例控制使速度快速达到设定值范围内，当速度接近设定值后才引入积分作用[13]。其控制策略如图9所示。
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图 9 控制策略图 Fig. 9 Control strategy diagram |
根据应用对象的不同，电磁阀型自动舵主要用于大中型船舶，旋转驱动型自动舵主要用于中小型船舶[14–15]。而舵轮驱动器属于旋转驱动型自动舵的核心模块，其主要由驱动电机、传动机构、离合机构及控制单元等4部分组成。
本文设计的舵轮驱动器包括直流无刷行星减速电机、手电连接器以及电机控制单元3个部件。其中，手电连接器中内置简化后的传动与离合机构，通过一体化设计，集成了控制单元与手电连接器，减小了体积，增加了可靠性，并大大降低了接线工作量。手电连接器的结构主要由外壳、机械传动离合机构以及电机3部分组成，如图10所示。
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图 10 所设计手电连接器结构剖面图 Fig. 10 Structure of manual-automatic connector |
根据链传动的效率定义[16]，可计算舵轮驱动器主轴输出端的转矩和转速：
| $ {n_{{\rm{max}}}}{\rm{ = }}\frac{{{n_e}}}{{{i_1} \cdot {i_2}}}{\text{，}} $ | (1) |
| $ {T_{\max }}{\rm{ = }}{\eta _1} \cdot {\eta _2} \cdot 9550 \cdot \frac{P}{{{n_e}}} \cdot {i_1} \cdot {i_2}{\text{。}} $ | (2) |
式中：
设定无刷电机的额定转速为3 000 r/min，额定力矩为0.191 N.m，额定功率60 W，选用行星二级减速机，减速比为45。经计算减速电机输出轴转速为67 r/min，允许转矩为6.96 N.m。根据全液压转向器的设计要求，其输入转速应不大于75 r/min，输入扭矩范围应控制在1～5 N.m。舵轮驱动器主轴输出端的输出转速和转矩须满足上述要求。
4 性能测试通过船舶运动模拟方法对旋转驱动型自动舵进行200°转向测试。
1）假定主机转速不变，无风、浪和流。
2）模拟船舶参数，如表1所示。
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表 1 船舶模拟参数表 Tab.1 Parameters of ship |
3）初始航向200°，初始船速14 kn。
舵机主控盒上选择自动模式，设置目标航向为230°，转向测试结果如图11所示。
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图 11 测试结果 Fig. 11 Test results |
图11(a)给出了转向测试的舵角响应曲线，舵角响应曲线较为平稳，且为了保证航行安全，激活了20°的舵角阈值。
如图11(b)所示，转向测试中航向角的变化曲线，角度变化平稳，过调量极大值为229.6°，4 min后航向角稳定在229.5°，综上所述本文设计的舵系统转向控制精度较高。
5 结 语针对手力换向舵机的升级，本文提出一种旋转驱动型自动舵系统，阐明了系统原理和控制原理；详细描述了基于STM32主控制器电路以及传动系统设计方案。
最后通过仿真实验验证，表明所设计的旋转驱动型自动舵操舵性能稳定、精度高，所设计的舵轮驱动器可直连全液压转向器，在不改变原有的液压回路前提下，实现船舶自动操舵，有效减轻操舵强度，提高航迹精度，降低船舶燃油消耗，满足市场需求。
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