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交流变频调速技术在船舶航行控制系统中的应用
摘要：本文介绍了利用交流变调速技术在舰船航行控制系统的应用。介绍了以Inte18751单片机为核心，辅相应的外转硬件电路，实现对交流电机变频器的输出频率和三相输出相序实时控制，从而最终实现对船舶航行姿态的监控，这种控制方式结构简单，控制方便，性能良好，是一种非常适应于中、小型船舶的电力拖动推进系统。
关键词：交流变调速技术 单片机 航行控制台
1 引言
船舶航行动力推进主要有两大类。
机械传输推进系统和电力拖动推进系统。
其中采用电力拖动推进系统的船舶，因其噪音低、污染小、机动灵活，操作方便，易于维修，故多用于供游人参观游览航行在江面或湖面的游艇、游船。
由于受电力电子技术发展的约束，时期的电力推进系统的动力源均采用直流电源，随着电子控制技术发展与大功率晶体管的诞生，采用交流电力的船用推进系统已经成为现实。
采用分立元件组成的模拟控制电力推进系统，存在诸如设计周期长、连接线路多，焊点多，安装调试复杂以及不宜维修等一系列问题，并且控制精度不高，响应时间慢。引入单片机数字控制的交流变频调速电力推进系统，不但克服了模拟控制系统所存在的诸多问题，并且控制性能优于模拟控制系统。
2 系统简介
2.1 系统的设计思路
本系统采用船舶自身的柴油发电机组输出的50HZ、AC380V交流电作动力源，由Inte18751单片机为核心，辅以相应的控制程序，来遥控2台交流变频调速器的输出频率和相序，分别驱动船舶的左右异步电动机带动各自的螺旋桨旋转，通过左、右螺旋桨之转向和转速的不同组合，实现船舶作不同速度的前进、后退和转向等各种航行动作，并对船舶在航行过程中的主要参数进行实时监控，对螺旋桨转速同时采用指针仪表和LED数码管动态跟踪显示。对电力推进系统运行中所出现的异常情况及时进行声光报警，以提醒船舶操作人员注意，必要时可以实现自动关机、以确保船舶的航行安全。
如果控制系统出现故障时，可以通过操作控制台的工况选择开关、应急操纵旋钮以及备用舵来操作船舶航行。
2.2 交流变频器的工作原理
一般交流变频器均采用AC-DC-AC的工作原理，即工频交流电压经不可控整流和滤波后变成直流电，利用脉宽调制技术（SPWM），以便函获得不同频率的输出电压波形，来驱动不同场合的负载，满足不同的技术条件。
2.3 单片机控制的船舶用交流电力推进系统的组成
单片机控制的船用交流电力推进系统框图如图1所示
船舶自备柴油发电机组为整个船舶提供电力和船舶航行的动力。航行控制台根据船舶航行操作指令遥控1#变频器、2#变频器的输出频率和输出相序，再由变频器分别控制左、右交流异步电动机的转速和转向，交流异步电动机通过连轴器同步带动左、右辊旋桨旋转。船舶和各种航行状态就是靠左、右螺旋桨的旋转状态的不同组合来实现的。
船舶的航行状态是由航行控制台实时控制，其具体的控制过程是由船舶航行操作人员通过航行控制台的操作键盘来实现的，为了进一步明确船舶航行状态实现方式，现将航行控制台操作按键与左、右螺旋桨旋转状态以及船舶航行状态的对应关系列入表1中。
表1 航行控制台操作按键与左、右螺旋转状态以及船舶航行状态的对应关系
按键名
左桨旋转状态
右桨旋转状态
船舶航向
前进
顺时针旋转
逆时针旋转
前进航行
后退
逆时针针旋转
顺时针旋转
后退航行
左转
逆时针针旋转
顺时针旋转
左转弯航行
右转
顺时针旋转
逆时针旋转
右转弯航行
加速
加速旋转
加速旋转
加速航行
减速
减速旋转
减速旋转
减速航行
停止
停止旋转
停止旋转
停止航行
急退
方向急速反旋转
方向急速反旋转
航行急速反向
航行控制台是交流电力推进系统的控制核心，为此本文着重讨论航行控制台硬件组成构成和软件编程，以及如何利用航行控制台来遥控实现船舶的航行。
3 航行控制台的系统硬件的设计
航行控制台硬件框图见图2所示。
3.1 单片微型计算机（Inte18751）
为了提高系统的抗干扰能力，单片机选用Inte18751单片机，它是航行控制台的整个硬件控制系统的核心，有一个带4KB光擦除只读存储器（EPROM）和256B随机存储器，数据位为八位。
Inte18751单片机在本控制系统中主要完成控制过程中所必需的各种数学和逻辑运算、信号处理、逻辑控制以及系统的故障判断和分析等任务。
3.2 电源模块
电源模块由两部分组成，一部分是由220V交流电经过开关电源输出+5V、+12V、-12V直流电，作为控制系统的数学电路的电源；另一部分是船舶蓄电池提供的+24V直流电经过高波纹抑止比稳压器件LM117输出+18V直流电，作为控制系统的模拟电路的电源。
电源模块的两部分电源，各自独立，互不影响，提高了整个电路的抗干能力。
3.3 采样与模/数转换电路
由船舶尾部的测速传感器送来的左、右螺旋桨的弱电压信号，分别经过预放大、整形处理后，经电子模拟开关AD7501选通二信号通道的其中一路送到放大器LM218处理，经放大后的转速信号的幅值要求在0V-+5V之间，然后再送到A/D转换器件DAC0809变换成相应的数字信号，由单片机Inte18751进行处理。
DAC0809是8路8位逐步比近法A/D转换器，其分辨率相对比较低。根据需要螺旋桨的转速范围在0转/分～730转/分。其对应的转速电压信号的范围为0V-5V，所以经A/D转换后，每一个量化单位所对应的转速大约为3转，基本满足实际要求。
3.4 模拟输出模块
模拟输出模块由两路模拟信号输出通道构成，二模拟输出信号均为4mA-20mA的直流电源连续信号，用于控制1#、2#交流变频调速器之输出频率，最终动态控制船舶的左、右螺旋桨的转速，并由此来确定航速，它们分别是由相应的数字量经D/A转换芯片AC0832和由运算放大器组成的功率放大电路变换而来。
3.5 数字输出模块
数字输出模块分信号控制通道和故障指示通道两部分。
3.5.1 信号控制通道
信号控制通道共有6路控制信号组成，其中2路用来控制交流变频调速器电源端的交流接器，4路用于控制交流变频调速器的输出相序，以驱动螺旋桨的正、反向旋转。从而操作船舶航向。2路用于变频器故障光电指示，1路用于柴油发电机组油机故障光电指示
3.5.2 故障批示通道
故障指示通道3路组成，其中2路用于1#、2#变频器故障光电指示，1路用于柴油发电机组的油机故障光电指示。
3.5.3 键盘输入电路
键盘输入电路是通过Inte18751单片机本身的中行接口通过移位寄存器74HC164扩展而来，共有9个功能键，主要完成船舶航行的各种控制指令的一达以及显示模式的选择。
3.5.4 显示电路
显示电路也是通过74HC164扩展而来的，它由3个7段绿色LED数码管和4全红色发光二极管组成，数码管用于显示船舶左螺旋桨或右螺旋桨的转速，以及造成系统自动停机故障点指示。发光二极管用于指示船舶当前的航行状态。
3.5.5 信号传输线
为了提高系统抗干扰能力，信号传输线采用带屏蔽的双绞线。信号传输线的作用就是为了航行控制台、交流变频器等之间的信号传输，以实现航行控制台对交流变频器的遥控操作。
4 航行控制台的系统软件设计
根据系统的要求，系统软件所完成的主要功能为：系统完成自栓任务后，再根据键盘输入命令，发出相应的控制命令和过程命令，完成船舶的各种航行工况的操作，并动态监视和控制左、右螺旋桨的转速。定时检测系统的硬件和软件故障，实现船舶的安全航行。
系统软件主要由主程序和键盘输入及处理、显示输出、A/D转换以及状态检测及故障报警等子程序组成。
主程序流程图如图3所示：
显示输出了程序流程图如图4所示：
键盘输入及处理子程序完成各种键盘输入航行控制指令的辨识和控制指令
的执行。
D/A转换子程序流程图如图5所示：
A/D转换子程序流程图如图6所示：
当船舶的整个电力拖动系统发生严重故障时，如柴油机冷却水温过高，交流变频器输出严重过载等严重故障，转入报警中断服务子程序，开始进行记录故障点，切断变频器供电电源，使船舶停车，显示故障信息，接通声光报警电路等一系列的动作。
5 系统的抗干扰措施
由于系统的控制对象为强电设备（交流接触、异步电机等），环境电磁干扰
比较严重。特别是控制信号传输线和检测信号传输的距离比较长（35m左右），由线路引进的不可预见的电磁干扰可能性非常大。为了提高系统的抗干扰能力，使系统能够可靠而稳定的工作，我们在设计和安装调试过程中，采取了如下措施。
5.1 提高电源的抗干扰能力
主控线路的数字电路采用分开供电的方法：
数字电路的电源采用隔离度好、抗干扰能力强的开关式直流稳压电源，该开关式直流稳压电源输入为AC220V，输出为+5V，+12V，-12V。
模拟电路的电源采用船舶自备的24V蓄电池供电，中间加入一级高波纹抑制比的直流稳压器件1m117，稳压输出+18V直流电为模拟电路单独供电。
5.2 抑制执行机械动作的回馈干扰
在系统的开关量输出端加入一级光电藉合器和一级小电流继电器实现双重隔离，并且在继电器的吸合线圈两端并联上高速齐纳续流二极管。经过以上措施后，有效地抑制触点吸合与断开瞬间产生的尖脉冲干扰，或其它强电线路串入电磁干扰。
这种双重隔离措施的原理如图8所示：
5.3 模拟输出信号采用电流环传输技术
将D/A芯片传输来的0-5V的电压信号通过V-I变换电路转换为4-20mA的电流型号。以提高传输线路的抗干扰能力。
5.4 信号传输线的选择与安装
我们采用了如下措施：
由于从航行控制台到交流变频器的距离比较远，为了昼避免设备的误动作，减少外界的干扰，对信号传输线选择和安装我们采用了如下措施：
选用带屏蔽层的双绞线，作为信号传输线，以减少共模干扰，屏蔽层仅一端接地，以避免由于异地的不同地电位引起的电位差干扰系统，传输线要尽量远离强电（如AC220V、AC380V等）架设和安装，距离要大于500mm，并且避免与电源线并行。
5.5 软件抗干扰措施
利用看门狗技术来实现计算机自己监视自己的运行情况。这种看门狗基本技术特点为：
监视软件本身能够独立运行，基本上不依赖于CPU，CPU在一个固定的时间间隔内访问监视软件一次，也就是喂一次狗，以此表示系统目前运行尚且正常，其中时间间隔根据实际需要人为确定。当系统因受干扰使CPU陷入死循环后，由于CPU不能定时访问监视软件，监视软件及时发现异常并使系统实现软复位，使系统恢复正常运行。
在各个程序模块之间和程序之后，添加若干条空操作指令和一条无条件绝对跳转指令组成“陷阱”。一旦程序跑飞，跌入“陷阱”便可转入系统寝化程序，使程序得以继续运行。
6 应急处理措施
该船舶航行控制系统设计为自动控制，在正常情况下，只需要通过键盘简单的操作命令即可。
但为了确保船舶航行的可靠性和安全性，控制系统又添加了应急手动控制部分。一旦计算机控制部分出现异常，无法正常运行，操作人员可以通过控制面板的“控制模式选择旋钮”旋向“应急”位置，用应急控制方式对船舶实现分档控制操作。
7 结束语
该船舶航行控制系统已在北京颐和园管理处的豪华游船正式使用，一切技术指标均达到用户要求和设计要求，运行状况良好。实践证明，在中小型船舶的推进装置中，利用交流变调速技术的交流电力推进系统来替代传统的机械传输推进系统是行之有效的。