智能化船舶隔振系统的控制技术设计

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(1.海军工程大学,武汉 430033;2．海军青岛航保厂,山东 青岛 266071)

船舶隔振系统有许多不同的解决方案，采用隔振元件的不同，实现方法以及隔振效果都有非常大的区别。本文提出一种基于新型高性能气囊隔振器，引入计算机智能化控制技术的隔振方案。

图1 智能化船舶隔振系统设计方案

1 总体设计

该隔振系统以新型高性能气囊隔振器为隔振元件以实用性和高可靠性为出发点，系统方案见图1。

系统的智能控制器主要实现对以下几个硬件装置的控制。

1) 主推进电机姿态检测单元。

主要包括光电位置探测器和位移传感器，负责监测主推进电机和相邻轴系的对中情况以及各气囊高度，信号采集进入控制器后进行对中姿态和姿态调整量的计算。要求具有较高的分辨率、线性度和稳定性，以及较强的环境适应性。

2) 充放气控制单元。

主要由电磁阀和压力传感器组成，监测各气囊和气源压力，接受控制器的指令，执行对气囊的充、放气动作。要求结构紧凑、动作执行精准、可靠性高。

3) 磁流变阻尼器及其控制系统。

主要的作用是对冲击载荷和由于共振、摇摆引起的大位移进行控制，包括加速度传感器和磁流变阻尼器电流控制装置。

2 传感器信号处理实现

2.1 模数转换电路及硬件数字滤波器的设计

电流型传感器的信号是通过仪表放大器调理电路转化为电压信号的，电压型传感器信号可以直接通过运算放大器处理(如AD8021)输入到AD7656，本系统使用16 ADC AD7656，能满足系统的高精度要求，同时系统中所采用的传感器信号的更新频率都比较低，最高的不超过20 kHz,而AD7656的采样频率为250 kb/s，显然能满足要求。AD7656可以进行6路同步采样对于扩展传感器的个数提供了非常大的余地。

模数转换所得到的二进制数据中包含着噪声的影响，对所得到的数据进行除噪才能保证得到更加准确的数据，数字信号处理器以及FPGA都能实现数字滤波器的功能。在本方案中采取了使用FPGA设计数字滤波器，使得信号处理的速度更快更具有实时性。DSP则用来实现更加复杂的智能控制算法的设计[1]，在功能上对硬件进行合理的分配以实现更加优越的综合性能，本部分的功能结构见图2。

图2 信号处理结构

2.2 仪表放大器的应用

仪表放大器是一种高增益、直流耦合放大器,它具有差分输入、单端输出、高输入阻抗和高共模抑制比等特点。具有差分输入和其输出相对于参考端为单端输出的闭环增益单元。输入阻抗呈现为对称阻抗且具有大的数值。与由接在反向输入端和输出端之间的外部电阻决定的闭环增益运算放大器不同，仪表放大器使用了一个与其信号输入端隔离的内部反馈电阻网络。利用加到两个差分输入端的输入信号，增益或是从内部预置，或是通过也与信号输入端隔离的内部或外部增益电阻器由用户设置。典型仪表放大器的增益设置范围为1～1 000。

为了有效工作，要求仪表放大器不仅能放大微伏级信号，而且还能抑制其输入端的共模信号电压。这就要求仪表放大器具有很大的共模抑制(CMR)：典型的CMR值为70～100 dB。当增益提高时，CMR通常还能获得改善。

AD627是一种低功耗的仪表放大器。它采用单、双两种电源供电，并可实现轨-轨输出。在85 μA的电流下即可正常工作，并具有极佳的交流和直流特性。其最大特点是允许用户使用一个外部电阻器来设定增益。AD627的失调电压、失调漂移、增益误差和增益漂移均较低，因此，AD627可将用户系统的直流误差降到最低。由于有较好的高频共模抑制比，AD627可保持最小的高频误差，也正是因为具有较高的CMRR特性(可高达200 Hz)，从而使得传输线干扰和传输线谐波等都被排斥掉了。AD627采用真正的仪用放大器结构，有两个反馈环，基本结构和典型的“双运放”仪用放大器类似，只是细节有所不同。另外，AD627所具有的一个“电流反馈”结构使得AD627具有较好的共模抑制比，基本原理电路见图3所示。

图3 AD627的基本原理电

图中A1与V1、R5构成了第一个反馈回路,通过该回路可在Q1上得到稳定的集电极电流(假设增益设定电阻此时不存在)。电阻R1和R2组成的反馈环可使A1的输出电压和反向端电压相等。通过A2可形成另一个几乎完全相同的反馈环,它可使Q2的电流和Q1相等，同时A2还可提供输出电压。当两个环平衡时，同向端到OUTPUT的增益为5，A1输出到OUTPUT的增益为-4，A1的反向端增益是A2增益的1.25倍。AD627差动模式时的增益为1+R4/R3，额定值为5。AD627是通过电阻RG来设定增益的[2]。

在仪表放大器的电路设计中,以下一些实际问题需要考虑:

1) AD627的增益是通过改变编程电阻RG来实现的。为了使AD627的输出电压增益精确,应使用误差小于(0.1～1.0)%的电阻;同时,为了保持增益的高稳定性,避免高的增益漂移,应选择低温度系数的电阻。

2) 由于AD627的输出电压为相对于基准端的电压,为获得较高的共模抑制比,REF引脚应连接于低阻抗点。

3) 所有的仪表放大器都能将通带外的高频信号整流;整流后,这些信号在输出中表现为直流失调误差。可以设计一个低通滤波器来防止不必要的噪声到达差分输入端。在很多应用中，屏蔽电缆被用来减少噪声；为了在整个频率范围内得到最好的共模抑制比,屏蔽层必须正确连接。

2.3 电流型传感器数据采集系统结构

4～20 mA电流型传感器的信号连接到16 bit Simultaneous ADC AD7656，见图4。

图4 传感器信号调理电路系统结构图

4～20 mA传感器的信号是单端的。这一开始就提出了需要一只简单的分流电阻器以便把电流转换成电压加到 ADC 的高阻抗模拟输入端。然而，回路(到传感器)中的任何线路电阻都会增加与电流相关的失调误差。因此，必须差分地检测该电流。在本系统中，一只 24.9 Ω 的分流电阻器在AD627的输入端产生介于 100 mV(对应 4mA输入) 与 500 mV(对应 20 mA 输入)之间的最大差分输入电压。在不存在增益电阻器的情况下，AD627 把 该 500 mV 输入电压放大5倍达到 2.5 V，即 ADC 的满度输入电压。4 mA 的零点电流对应于代码 819， 1 LSB 对应 0.61 mV。整个系统逻辑都通过FPGA进行控制并对转换数据进行数字滤波处理，最后与DSP进行数据交换。

3 传感器数据采集误差考虑

为了达到理想的控制效果，对传感器的数据采集的准确性至关重要，数字化的引入不可避免存在着量化误差。由于量化误差无法避免，可以通过提高数据采集的转换精度来减少量化误差的影响。

3.1 光电位置探测器的技术参数

5～30 V供电，功率0.000 5 W，电流型输出，光点位置不变的情况下，类似于恒流源，工作温度范围-30～70 ℃，频率响应4 kHz。分辨率为12 μm，总可测范围22×0.6 mm，因此，分辨率为9.09×10-5。

3.2 压力传感器的技术参数

测量范围0～7 MPa，直流24 V供电，4～20 mA模拟量输出。精度(线性度、迟滞和重复性误差的总和)≤满量程的0.25 %；零点漂移小于满量程的0.005%/℃；工作温度范围-70～+150 ℃。频率响应大于2 kHz。带负载能力0～1 000Ω。防护等级：IP 67。

3.3 位移传感器的技术参数

测量范围5～25 mm，直流24 V供电，4～20 mA模拟量输出。线性误差为满量程的1%，温度范围-10～70 ℃。防护等级：IP67。

为了达到系统的控制要求所提出的传感器的技术指标，在此指标范围的要求之下所设计的传感器数据采集电路和数据处理算法必须满足指标要求。本系统所采用的数字转换器的转换精度是16位，从以上各个传感器的技术参数可以看出完全满足了技术要求。所采用的AD7656的频率响应最高可达250 kb/s，传感器数据更新速率最高为20 kHz，完全能够满足传感器数据采集的要求。

4 结束语

利用DSP、FPGA以及仪表放大器对传感器信号进行数据采集与信号调理，并对容易遇到的问题进行剖析，从工程的角度提供了一种行之有效的方案。

[1] 苏奎峰，吕 强，耿庆锋，等．TMS320F2812 原理与开发[M]．北京：电子工业出版社，2005.

[2] AD627 - Micropower.Single and Dual Supply Rail-to-Rail In-AMP[M].AD INC, 2005.