船舶主机转速测量处理技术

摘 要:针对船舶电控柴油机技术的广泛应用,提出船舶主机转速测量处理技术.该技术包括由计算机系统控制的具有网络通信功能的主机转速信号测量与转换系统、曲柄角度的精确测量和静态位置测量系统.老旧船的测速发电机改造工程及仿真模拟试验表明该技术具有应用价值.

关键词: 船舶主机; 转速信号转换; 信号处理电路; 曲柄位置测量。

中图分类号:U664.142;U664.2文献标志码:A。

Rotating speed signal processing technology of marine main engines。

ZHOU Minghua, YANG Weirong。

(Merchant Marine College, Shanghai Maritime Univ., Shanghai 200135, China)。

Abstract:In view of the widespread applications of the technology of electrically controlled marine diesel engine, a rotational speed signal processing technology of marine diesel engine is proposed. The technology includes marine engine signal detection and conversion system which is controlled by computer and has the network communication function, and system which contains the accurate position measuring function about crank angle and static position surveying function. An improvement project about existing ship’s tachometer—generator and simulating test shows that the technology has some application values.

Key words:marine main engine; rotational speed signal conversion; signal processing circuit; crank position measurement。

0 引 言。

随着电控柴油机技术的飞速发展以及计算机数字技术的广泛应用,对于无凸轮轴的电喷柴油机,主机转速信号已从转速测量提高到曲柄角度的精确测量.而一些老旧船的测速发电机或机械部分已至老化期,亟待更新.因此,开发出1套主机转速信号测量与转换系统和曲柄角度的精确测量系统,尤其是能在静止状态下精确测量主机曲柄角度的系统,显得十分重要.

1 主机转速信号的采样方法。

目前,主机转速测量的方法[1]主要有:。

(1)电磁脉冲测量.最常用的是从飞轮端齿轮处测取脉冲信号,利用传感器与齿轮之间的间隙变化,生成脉冲信号,经过整形,与时钟频率比较计数后,获得转速信号输出;。

(2)光电脉冲测量.光电传感器或光电编码器大多安装在凸轮轴处,或者安装在调速器输出轴上;。

(3)主轴测速发电机电压测量.这是老旧船主机转速测量的主要方法,一般安装在主轴的链轮上,通过链条与测速发电机连接,由测速发电机输出电压信号.

目前,大多数船舶都从飞轮端齿轮处测取脉冲信号,其优点是安装便捷、易于管理,但飞轮的位置较低,极易受到舱底水的污染,只有采用电磁脉冲测量,才能使信号受到的影响和干扰达到最小.

从船上使用的结果看,垂直在飞轮上方45°左右的位置较好,安装也较方便,具体测量点的选取见图1.

图1 主机转速信号探头安装示意。

以6个气缸的二冲程柴油机为例,其相邻发火的2个气缸曲柄夹角为60°,以1号气缸曲柄上止点记号在飞轮上的垂直位置为基准(0°),与TDC传感器的安装位置在空间上相差12°～25°(考虑到喷油提前角),先确定1号缸上止点曲柄角度,再通过测试,依次确定其他各缸的上止点曲柄角度位置.[2]。

探头T1和T2探测的信号相差半个齿间脉冲,可确定正倒车和脉冲计数.T1和T2传感器拾起信号经过放大电路放大转换后,数字脉冲信号进入1个相位触发器,输出正倒车信号.图2为主机转速信号脉冲示意图.

图2 主机转速信号脉冲示意。

T1和T2的数字脉冲信号是S信号采样频率计数的时间周期,并对S信号采样频率脉冲个数进行计数,从而计算出转速,转换成数字信号(可输出到数字通信模块中,通过CAN总线输出到数字仪表)后,再进入D/A转换器,转换成模拟量的信号输出到显示仪表.

G点为1号气缸上止点曲柄角度提前角的信号位置,从G点脉冲开始,可对T1和T2的数字脉冲信号进行计数,按采样频率输出曲柄角度.

从图2可知,飞轮端齿轮的齿数越多,测量精度就越高.一般最少需60个齿,多的可以用120,240或360个齿.

2 曲柄位置的测量。

在全电控的柴油机中,当主机在气动启动时,需对各缸的曲柄位置进行静态测量和识别,从而确定各缸空气启动阀门的开启与关闭,并且对排气阀门的开启与关闭进行控制.6缸二冲程柴油机的发火顺序为:1—5—3—6—2—4,见图3.需对二冲程直流扫气柴油机的曲柄位置,主要是上止点的位置、扫气口打开的位置和扫气口关闭的位置,进行测量.

图3 主机曲柄静态位置的测量示意。

从图3可知,气缸2,4,1处于活塞下行阶段,此时,这3个气缸的排气阀门应关闭,启动空气阀门应打开,压缩空气推动活塞下行;转过一定角度后,2号缸的空气阀门关闭,排气阀门打开(开始对T1和T2数字脉冲信号进行计数,在该缸的扫气口被关闭前,关闭排气阀门),随着活塞下行,该缸的扫气口被打开;当曲轴转到5缸的上止点曲柄角度位置时,该缸的排气阀门应关闭,启动空气阀门应打开,压缩空气继续推动活塞下行.其他各缸依次进行,使柴油机的转速达到发火转速以上,调速器给出启动油量的供油信号,各缸按照启动油量和供油提前角发火,直至在调速器给定的转速运行.

在这一过程中,主机启动时有3个气缸的排气阀门处于开启状态,而常规的柴油机只有1个气缸的排气阀门处于开启状态,2个气缸处于压缩状态.因此,电控柴油机的启动比常规的柴油机前半转轻松一些.

此外,电子气缸注油装置的定时基于曲轴转速的计速器反馈信号,通过传感器将活塞的运动信号反馈到注油装置,使活塞处于最合适的位置时(如当第1道活塞环通过喷孔时)向气缸注射润滑油.根据需求,可依据柴油机工况自动或手动调节注油量.。

采用光电编码器测量静态位置是个很好的方法,但在全电控无凸轮轴的柴油机中,需要考虑安装在自由端的输出轴.[3]。

3 信号的转换与处理。

从传感器输入的信号有T1和T2的2个数字脉冲信号以及各缸的上止点曲柄角度位置G点脉冲信号.经过信号转换与处理后,需输出的信号包括:。

(1)转速或角速度信号.获得的转速信号输出有3种:①模拟量输出,信号由T1和T2传感器拾起,经放大电路放大转换整形后,脉冲频率信号进入计数处理,经过D/A转换器转换后,可输出0～20 mA的信号或—10 V～+10 V,—5 V～+5 V以及—65 V～+65 V等各种模拟信号,满足一些老旧船的测速发电机或机械部分老化时更新替换的需要;②数字量输出,可输出到数字通信模块中,通过CAN总线输出到数字仪表;③满足电子调速器的数字量输出.

(2)各缸的曲柄角度信号.具有实时、连续和高采样频率的数字信号,满足输送给电喷、电控柴油机的控制单元ECU的通信要求,满足提供柴油机启动时各缸曲柄的静态位置信号的要求.

(3)正倒车信号输出.

(4)通信与故障信号输出.

(5)其他输出,如飞车保护信号,气缸注油控制单元信号等.

在由微机芯片处理器组成电路板内部,设置计数时间周期S脉冲(约0.1 s),曲柄角度信号采样频率(考虑柴油机实际使用的转速≤300 r/min时,最低约5 kHz).硬件电路由微机和集成电路的芯片组成,设有1个由低通滤波器以及脉冲整形组成的预处理电路,能除去低频率的杂波和高频率的交叠.取样信号经预处理电路和高速采样转换电路处理后,由微机芯片计算和控制通信及信号的输出,使信号得到实时处理和传输.硬件电路布置结构见图4.编制软件时,首先考虑CAN总线通信接口的协议,并将可调整的飞轮齿轮数、转速范围和输出信号类型作为调试时的基本参数.[4]在初次上电后,系统自动进入自检程序,对所有的传感器、传感器线路以及输出回路进行检查和故障判断.然后,系统进入1个模拟的输入输出程序,检查和判断输入输出信号有无错误(如曲柄角度从0°～359°,转速从0到飞车转速),相关的输出信号是否正常等,如无出错,系统进入正常工作状态.

图4 硬件电路布置结构。

4 电源、驱动电路与信号输出。

设计时,坚持简单、实用和可靠原则.在电源和信号输出电路设计上,采用隔离保护与短路保护.

在电源的制作和元件的选择过程中,使用双电源(220 V交流/24 V直流),并使电源不间断自动切换.电源要有承受较大过载电流的能力,输出电流分路输出并在每个回路作限流保护.[5]。

驱动电路的制作过程中,所有的信号输入回路和信号输出回路都单独设定隔离与保护措施,并设置一定数量空置的输入输出回路备用.D/A转换电路使用可编程的TLC 5618集成芯片,如采用可编程的AD 5750集成芯片,输出电流0～20 mA的信号或输出电压—10 V～+10 V,—5 V～+5 V和—65 V～+65 V等的各种模拟量信号.

模拟量信号的输出采用专用电源,与其他电路电源完全隔离.脉冲信号和数字量输出信号全部采用光隔离加驱动输出回路.[6]。

当柴油机的转速在1 r/min以下时,转速或角速度信号及各缸的曲柄角度信号输出都为0,即无信号输出,此时,只有主机曲柄静态位置的输出信号;当柴油机的转速在1 r/min以上且转过2转后,才有转速或角速度信号及各缸的曲柄角度信号输出.。

5 结束语。

本文设计的主机转速信号测量与转换系统、曲柄角度的精确测量和静态位置测量系统,具有广泛的应用前景和市场,特别是对全电控柴油机具有重要意义.在老旧船的测速发电机改造中,取得很好的效果.

参考文献:。

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(编辑 陈锋杰)。