自动舵固态轴角发送系统的研究

曹自力等

摘要： 该文提出了一种用于自动舵舵角指示系统的固态轴角发送系统，利用CAN总线接收舵角指令了，驱动轴角指示自整角机旋转，通过数字接口方式大大扩展了轴角显示应用范围，可以用于任何具有微机控制领域的角度显示，具有明显的应用优势，在自动舵系统中应用该固态轴角发送系统大大减少系统噪声，提高自动舵整体性能。

关键词： 自动舵；固态发送；自整角机

中图分类号：TP21 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）04-0206-03

操舵仪有自动操舵仪（俗称电罗经或磁罗经操舵自动跟踪操舵仪）、随动操舵仪（俗称舵轮操舵，包括遥控操舵）和应急操舵仪（俗称手动操舵、手柄操舵），自动操舵仪是按照设定的航向直线运行；随动操舵仪是按照驾驶员的指令，按一定的舵角做回转运动，只要合理使用，能使船舶处于最佳航行状态；为了保证自动舵的航行控制精度，必须要保证航向和舵角的采集精度和复示精度[1]。传统应用中，利用力矩式自整角机驱动舵角指令或者航向接收电机。随着计算机技术的大量应用无法与数字系统匹配，无法直接使用现有数字接口通信。

本文提出的使用微控制器和乘法型DAC设计的固态轴角发送模块，可以直接驱动自整角机，代替了发送电机，使得系统更加容易接入数字系统。

1 乘法型DAC应用技术

所有数模转换器（DAC）都提供与数字设置增益和所施加基准电压之积成比例的输出。乘法DAC与固定基准电压DAC不同，因为它可以将高分辨率数字设置增益应用施加到可变带宽模拟信号上[2]。该文将讨论电阻梯乘法DAC及其对交流信号处理应用的适用性。电阻（R-2R）梯用于运算放大器反馈电路，提供数字控制电流，电流经RFB转换成输出电压，放大器以低阻抗提供此输出[3]。基准电压输入具有恒定的对地电阻R。图2显示了该工作原理。图2a中，源电流VREF/R的一半由开关S1导引连接至放大器负输入（虚地侧）的IOUT1或导引至地（一般称IOUT2） 。同理，剩余电流的一半由开关S2导引……如此类推。如果开关由一个数字字D（S1是MSB）激活，则流经RFB（=R）的IOUT1端电流之和为D ×2^n ×VREF/R。此配置的重要优势包括：可最大程度地降低瞬态，因为开关在地和虚地之间切换；RFB与梯形电阻片

内匹配，具备出色的温度跟踪性能。AD5544/AD5554分别是16/14位、电流输出数模转换器（DAC），工作电压范围为2.7 V至5.5 V。满量程输出电流由所施加的外部基准输入电压（VREFX）决定。与外部电流至电压精密放大器配合使用时，集成的反馈电阻（RFB）可提供温度跟踪和满量程电压输出。

自整角机激磁交流信号通过电子变压器隔离作为AD5544参考电压，根据自整角机信号函数关系，三相信号呈对称三角关系，相位与激磁信号相同，幅值满足对称三角形关系。利用AD5544可以实现16位精度的幅值控制。

2 功率放大电路

由于自整角机三相信号电压幅值最大可以达到90V，而AD5544通过运放输出电压最高为15V，幅值与功率都要放大。为了实现满角度范围内的幅值控制必须采用高压高功率放大。根据功率要求选用APEX公司的P58A大功率高压运放，最大输出电流可达2A，满足系统的功率要求。

由于功率输出受负载影响较大，负载电机由于受到外部环境的影响，阻力和负载会变化很大。造成输出电流波动较大，而且负载又是感性负载，更容易造成尖峰电压的波动。为此，功率输出电路的保护亦为重要，输出采用过流过压保护双重保护，使用双向TVS管和自恢复保险丝，对输出电压进行瞬态保护。为了提高输出功率还可以增加调谐电容，使得并联电容与电感达到谐振，改善输出负载品质因数，降低输出电流。功率输出电路如图4所示。

3 结束语

本文所提出的自整角机固态发送模块已经用于自动舵舵角和航向复示系统，可以直接和现有的数字系统通信匹配，大大提高了系统的灵活性。通过实际使用验证，该固态发送模块可以代替自整角机发送机，可以应用于更多使用测量角度的场合。

参考文献：

[1] 张士格.基于单神经元和专家PID的船舶自动舵控制策略[D].广州：华南理工大学，2008.

[2] 陆永平，岑文远.感应同步器及其系统[M].北京：国防工业出版社，1985.

[3] 浦昭邦，王保光.测控仪器设计[M].北京：机械工业出版社，2001.

[4] LPC1768 Data Sheet[M].NXP，2009.

[5] 妖天任，孙洪.现代信号处理[M].武汉：华中科技大学出版社，1999.