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文 | 成倚贤
编辑 | 成倚贤
●—≺ 前言 ≻—●
船用齿轮箱是船舶动力系统的主推进传动安装，拥有正车、倒车、离合、减速和承受螺旋桨推力等功能，与原动机、轴系和螺旋桨一块构成船舶动力系统，广泛应用于特种船、工程船和军辅船等各类船舶中。
因为润滑油对船用齿轮箱传动原动机输出的推进功率有重要影响，因此呢保准润滑油恰当供给针对保准船用齿轮箱安全稳定运行而言拥有重要道理。
●—≺ 发展周期 ≻—●
船用油泵掌控方式从显现迄今共经历了３个发展周期：
第1周期是手动掌控方式，操作人员经过观察相应仪表的运行数据，结合个人的经验，手动掌控油泵的启停。
第二周期是电气硬线式掌控方式，一般将接触器与压力开关等传感器协同运用，当压力低时起步油泵，当压力高时停止油泵运行。
第三周期是微型计算机掌控方式，经过预先设计的软件程序实现繁杂的掌控规律。
结合关联技术的发展可知，以后船用油泵类掌控必然会朝着以网络化为基本的智能化方向发展。
咱们的团队以某船用齿轮箱电动滑油泵的掌控需要为基本，思虑到当前国外芯片供应短缺，船用掌控设备研发需实现完全自主可控，以国产的兆易创新GD32F407微掌控器芯片为主控芯片研发专用掌控器。
按照齿轮箱在区别转速下运行时对润滑油的需要和各工况点下机带泵运行的效率，设计各工况点的起步压力和停止压力，以此为基本掌控电动滑油泵的启停。
同期，思虑船舶的数字化和智能化发展趋势，为掌控器预留多个I/O(Input/Output)接口和网络接口，并将其拓展应用到其他应用场景中。
●—≺ 掌控原理 ≻—●
齿轮箱自带１个机带滑油泵和１个电动滑油泵。
其中，机带滑油泵跟随齿轮箱轴系转动，无需经过外边设备掌控，电动滑油泵由外边电动机带动运转，按照润滑需要掌控其起步和停止。
按照齿轮箱机带泵的运行特性，在齿轮箱轴系转动之前，滑油压力供给不足，因此呢需在齿轮箱运行之前打开电动滑油泵，提前供油预润滑。
当齿轮箱在中低工况下运行时，因为机带泵的转速和运行效率偏低，存在润滑油供给不足的问题，需采用电动滑油泵辅助供给润滑油。
当齿轮箱在中高工况下运行时，若机带泵润滑油供给充足，可停止电动滑油泵的运转，达到节能降噪的目的。
当齿轮箱在运行过程中突然变工况运行时，若润滑油压力供给不足，电动滑油泵快速起步，为齿轮箱供给润滑油。
当机带泵在齿轮箱运行过程中出现故障引起润滑油进口压力不足时，电动滑油泵快速起步，为齿轮箱供给润滑油。
●—≺ 设计思路 ≻—●
齿轮箱电动滑油泵掌控一般采用压力开关与接触器联合掌控的方式，经过低压压力开关和高压压力开关各设定１个压力值，驱动接触器掌控电动滑油泵的起步和停止。
这种掌控方式结构简单，在单一稳定运行工况下拥有很大优良，但在船舶齿轮箱频繁变工况运行时有很显著的缺点！
例如:掌控方式单一，全工况匹配性较差，当碰到压力脉动时，可能会频繁启停电动滑油泵，引起接触器或电机损坏。
在设定压力开关压力值时，既要充分思虑齿轮箱在全工况下的滑油压力需要，又要兼顾其在极端或临界工况下的特殊需要，一般低压值(启泵压力)设定的较小，高压值(停泵压力)设定的很强。
从而引起电动滑油泵运行频率很高，管道泵体压力值维持高值，有害于实现节能降噪和延长设备的运用寿命。
咱们的团队经过油泵掌控器采集润滑油进口压力和齿轮箱转速，综合思虑齿轮箱在区别转速下运行时的润滑需要和各工况点的机带泵运行效率，设计各工况点的起步压力和停止压力。
使齿轮箱在取得良好的润滑效果的同期，尽可能降低对电动滑油泵运行时间的需要，从而达到节能降噪和延长设备运用寿命的目的。
在设计油泵掌控器过程中，除了思虑基本的掌控性能以外，还要思虑以下几个方面的内容:
可多场景应用，该掌控器预留了较多I/O接口和CAN(ControllerAreaNetwork)总线接口，可应用到其他类似设备的掌控中，可实现与外边设备通信和网络远程掌控，期望经过１次研发满足多个场景下的应用需要，降低研发成本。
参数可配置，掌控器的可配置参数存储在掌控器的EEPROM(ElectricallyErasableProgrammableReadOnlyMemory)中，可经过CAN总线灵活配置和修改各参数，设备运行参数可经过CAN总线发送给调试设备，便于对设备进行调试和维修。
掌控器软件采用模块化设计方式设计，各功能单元相互独立，方便调用，经过移植和修改掌控器程序可满足其他场景下的算法掌控需要，提高软件开发的效率。
●—≺ 硬件设计实现 ≻—●
油泵掌控器由主CPU(CenteralProcessingUnit)板、基板和外壳构成，主CPU板上部署有微掌控单元(MicroControlUnit,MCU)及其驱动电路，基板上部署有电源模块和接线插头等，二者之间经过插针连接。
该油泵掌控器采用铝合金外壳全封闭结构。
为提高设备的自主可控水平，MCU芯片选择兆易创新的基于Cortex~M4内核的GD32F407微掌控器芯片,利用该芯片上的ADC(AnalogtoDigitalConvert端口实现输入和输出功能。
油泵掌控器对外接口重点包含２路PWM(方波、正弦波)输入通道、２路电流(4~20MA)输入通道、４路开关量输入通道、４路开关量输出通道(常开常闭切换)和２路CAN总线通信通道，由24VDC电源供电。
另外，还有４路LED(Light~EmittingDiode)指示灯用于指示工作状态，１个HTAG接口用于烧写程序和调试。
●—≺ 软件设计实现 ≻—●
掌控器软件未采用国外的嵌入式操作系统，而是采用自主研发的由基于时间触发设计模式的软件架构编写的调度器。
掌控器按照MCU硬件资源配置中断响应函数，时间间隔为10ms，就可将所有任务的处理划分为10ms的基本时间片段进行遍历和轮询。
因此呢，调度器实质上是区别任务之间共享的按时器中断服务程序，所有任务都经过该事件调度器协调配置。
经过该调度器能获取最简单的协作式多任务处理流程，并使所有任务都始终有序地得到循环调度处理，该调度器可同期处理多项繁杂任务，当调度器被任务中的事件触发之后，遍历任务块链表，按照任务的优先级执行需被调度执行的任务。
咱们的团队设计的调度器拥有程序结构简单、自主可控、靠谱性好、运行效率高、资源占用少、运行过程便于监测和掌控等许多优点。
软件设计分为以下３部分: 与软件平台层和底层硬件相关的驱动，重点为芯片GD32F407的驱动，包含复位电路、CAN驱动、WDT(WatchdogTimer)驱动、TIMER驱动、ADC驱动和PWM驱动等。协作式多任务调度器，重点完成调度器初始化、多任务创建、多任务遍历执行、多任务过程处理(起步、挂起、销毁和新建等)、多任务过程监测和多任务过程守护等。掌控器应用程序设计，包含实时采集电流信号、PWM信号和开关量输入信号，实时掌控开关量信号的输出，接收和发送CAN总线报文，读写EEPROM，设计齿轮箱滑油压力掌控算法等。
掌控器上电之后，首要对其进行初始化操作，包含硬件初始化、参数初始化、中断初始化和调度初始化。
任务创建重点包含I/O任务创建、中断任务创建、网络任务创建、看门狗任务创建、掌控算法任务创建和过程错误处理任务创建，随后进入任务调度器轮询过程，按设定的调度时间调用各任务。
●—≺ 掌控接口状况 ≻—●
油泵掌控安装对外接口的实质运用状况:１路PWM输入，用于测绘齿轮箱轴系的转速，１路电流输入，用于测绘齿轮箱滑油入口的压力，１路开关量输入信号，用于接收齿轮箱电动滑油泵自动/手动信号，２路开关量输出，分别用于输出电动滑油泵起步信号和停止信号。
●—≺ 掌控算法 ≻—●
齿轮箱电动滑油泵的重点功能是在齿轮箱运行之前对其进行预润滑，弥补齿轮箱机带泵运行的局限性和处理润滑油供给不足的问题。
按照齿轮箱的工作特性，实现这些功能的过程如下:
采用手动模式时，掌控器的所有流程任务都处在自动模式下的正常运行状态，不输出掌控信号参与对电动滑油泵的掌控，电动滑油泵的启停由机旁操作人员直接掌控。采用自动模式时，由掌控器按照既定的程序实现对电动滑油泵的掌控，当齿轮箱准备运行时，需先打开电动滑油泵对其进行预润滑。当齿轮箱轴系的转速少于转速n1时，电动滑油泵保持运行状态。
当齿轮箱轴系的转速大于n1时，电动滑油泵的启停按照转速￣压力曲线掌控。
该曲线分为启泵压力曲线和停泵压力曲线，其中:启泵压力曲线实质上是将齿轮箱各工况点下滑油需要的较低安全压力值连接起来得到的曲线。
停泵压力曲线实质上是将齿轮箱各工况点下满足滑油需要的必定安全裕度的压力值连接起来得到的曲线，齿轮箱在低工况下运行时对润滑油压力的需求较低。
在高工况下运行时对润滑油压力的需求较高，每种转速工况都对应１个启泵压力和停泵压力，转速压力曲线充分思虑了齿轮箱在各运行工况下对润滑油的需要和机带泵的运行效率，按各运行工况下的转速范围分段设定转速-压力曲线。
同期，为防止压力波动引起滑油泵频繁启停，设置起步和停止延时时间，结合压力曲线描述如下： 当转速少于N1时，电动滑油泵维持起步状态。当转速大于n1时:若滑油压力连续2s小于启泵压力，直接起步电动滑油泵，若滑油压力连续5s高于停泵压力，延时30s停止电动滑油泵运行。
●—≺ 掌控参数 ≻—●
配置受齿轮箱长时间运行、维修保养和制造差异等原因影响，齿轮箱及其油泵的运行工况会出现变化。
该掌控器预留了参数配置接口，可灵活配置、修改启泵压力和停泵压力，不消重新研发和烧写程序。
同期，可为齿轮箱研发专用配置和调试软件。
油泵掌控器采用模块化、通用化和网络化设计方式设计，以提高掌控器的适用性，扩大其运用范围。
在设计程序过程中，一般不消重新研发程序，只需经过参数配置软件就可实现掌控器功能。
参数配置重点指网络节点设置，PWM参数设置包含量程和比率系数设置，4~20mA电流参数设置包含量程和比率设置，开关量输入包含常开常闭和延时设置。
线性曲线设置包含转速分点、停泵分点压力、启泵分点压力、起步压力判断周期、停止压力判断周期、起步延时和停止延时设置。
网络参数设置包含包号和数据位置设置等。
油泵掌控器完成参数配置并上电之后就可按既定的程序工作，经过通道采集转速信号、滑油压力信号和自动/手动信号。
当采用手动模式时，掌控器只采集通道信号，不输出滑油泵掌控信号。
当采用自动模式时，按既定的程序实施对齿轮箱电动滑油泵的掌控。
该掌控装置和掌控方式能实现对齿轮箱电动滑油泵的灵活掌控，按照齿轮箱在运行工况下的压力需要精细掌控该工况下电动滑油泵的起步和停止。
●—≺ 拓展应用 ≻—●
该掌控器硬件接口资源丰富，只要满足接口需求就可运用，可应用于多种场景中。
该掌控器拥有网络接口，可接入一体化网络实现遥控掌控，可与多个设备连接实现联合掌控，可连接调试软件，便于维修保养。
在设计该掌控器软件时预留了非常多参数配置空间，在其他类似场景中应用时不消重复研发软件，只需简单配置参数便可运用。
●—≺ 结语 ≻—●
咱们的团队采用国产化芯片兆易创新GD32F407设计的船用齿轮箱油泵掌控器在设备测试和应用周期性能稳定靠谱，测绘精度高，运行稳定靠谱，能达到既定的设计和运用需求。
采用按运行工况分段设定起步压力和停止压力的方式掌控齿轮箱电动滑油泵的启停，实质效果良好。
能按照齿轮箱运行时对润滑油的实质需要精确掌控电动滑油泵的起步和停止，缩短电动滑油泵的运行时间，达到节能降噪和延长设备运用寿命的目的。
在实质应用过程中，因为该安装拥有接口丰富、应用范围广的特点，在满足接口需求的状况下，若要将其应用于其他掌控方式与咱们的团队所述掌控方式类似的场景中，只需进行参数配置便可直接运用该安装，此硬件和软件拥有很强的适用性，能大大节约研发成本，加强安装的利用率。
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发表于 2024-10-10 14:09:37