專(zhuān)利名稱(chēng)：角度信號(hào)控制的恒速轉(zhuǎn)舵伺服裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
角度信號(hào)控制的恒速轉(zhuǎn)舵伺服裝置技術(shù)領(lǐng)域[0001]本實(shí)用新型涉及船用推進(jìn)器，尤其涉及角度信號(hào)控制的恒速轉(zhuǎn)舵伺服裝置。
背景技術(shù)：
[0002]舵槳轉(zhuǎn)舵方式之一是采用機(jī)帶泵即由主機(jī)直接拖動(dòng)的液壓泵，受主機(jī)速度的影 響，會(huì)隨主機(jī)速度的加快而加快。特別是在船舶高速行駛時(shí)，較快的轉(zhuǎn)舵速度容易導(dǎo)致嚴(yán)重 的安全隱患。一直以來(lái)，各舵槳廠家常用的方法是用主機(jī)轉(zhuǎn)速作為補(bǔ)償參數(shù)，對(duì)比例閥開(kāi)口 按照經(jīng)驗(yàn)值做補(bǔ)償。這種方法屬于開(kāi)環(huán)控制，會(huì)隨著環(huán)境的改變?nèi)缪罅鳌C(jī)械阻尼、液壓系 統(tǒng)包括油路阻尼等因素導(dǎo)致轉(zhuǎn)舵速度的不均衡。發(fā)明內(nèi)容[0003]本實(shí)用新型的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種角度信號(hào)控制的恒速轉(zhuǎn) 舵伺服裝置，適于遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸。[0004]本實(shí)用新型的目的通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)[0005]角度信號(hào)控制的恒速轉(zhuǎn)舵伺服裝置，轉(zhuǎn)舵立柱旋轉(zhuǎn)支撐于法蘭上，轉(zhuǎn)舵立柱的下 部固定下齒輪箱，轉(zhuǎn)舵立柱的上部安裝回轉(zhuǎn)大齒輪，轉(zhuǎn)舵液壓馬達(dá)固定于法蘭上，轉(zhuǎn)舵液壓 馬達(dá)的輸出軸與行星減速器的輸入軸驅(qū)動(dòng)連接，行星減速器的輸出軸上安裝主動(dòng)小齒輪， 主動(dòng)小齒輪與回轉(zhuǎn)大齒輪相嚙合，回轉(zhuǎn)大齒輪還與減速齒輪相嚙合，其特征在于所述減速 齒輪上布置有旋轉(zhuǎn)編碼器，旋轉(zhuǎn)編碼器與舵角指示器和PLC控制單元通訊連接，PLC控制單 元與操縱手柄上的電位器和比例閥控制連接，比例閥位于轉(zhuǎn)舵液壓馬達(dá)的油路回路中。[0006]進(jìn)一步地，上述的角度信號(hào)控制的恒速轉(zhuǎn)舵伺服裝置，其中，所述旋轉(zhuǎn)編碼器為 R36系列霍爾編碼器。[0007]更進(jìn)一步地，上述的角度信號(hào)控制的恒速轉(zhuǎn)舵伺服裝置，其中，所述旋轉(zhuǎn)編碼器為 R36A模擬量霍爾編碼器。[0008]本實(shí)用新型技術(shù)方案突出的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的進(jìn)步主要體現(xiàn)在[0009]本實(shí)用新型采用旋轉(zhuǎn)編碼器更適于遠(yuǎn)距離傳輸，利用舵角反饋系統(tǒng)計(jì)算出實(shí)際的 轉(zhuǎn)舵速度，再根據(jù)技術(shù)要求的轉(zhuǎn)速對(duì)比例閥的開(kāi)度進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，為防止超調(diào)和隨動(dòng)性差 需要給一個(gè)合適的補(bǔ)償，允許調(diào)試人員根據(jù)不同的槳給予不同的慣性參數(shù)，經(jīng)實(shí)船測(cè)試性 能完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。舵槳轉(zhuǎn)舵速度是通過(guò)控制比例閥開(kāi)度實(shí)現(xiàn)，同時(shí)又受洋流、機(jī)械阻 尼、機(jī)械慣量、液壓管路阻力等諸多方面的影響，調(diào)試人員在對(duì)控制系統(tǒng)有一個(gè)充分了解的 基礎(chǔ)上配合一個(gè)適合的比例系數(shù)和積分微分等參數(shù)，可以將系統(tǒng)調(diào)整到最佳狀況。由于內(nèi) 部為數(shù)字內(nèi)核，所以具有更強(qiáng)的抗干擾能力；如果采用數(shù)字傳輸方式，由于采用CRC等校驗(yàn) 方式，因此有較模擬量信號(hào)更強(qiáng)的糾錯(cuò)能力和判斷傳輸故障的能力。無(wú)磨損，長(zhǎng)運(yùn)行壽命， 采用電流傳輸方式，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的信號(hào)傳遞。


[0010]
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型技術(shù)方案作進(jìn)一步說(shuō)明[0011]圖1 :恒速轉(zhuǎn)舵伺服裝置的構(gòu)造示意圖；[0012]圖2 :圖1中A部的局部放大示意圖。
具體實(shí)施方式
[0013]如圖1所示，角度信號(hào)控制的恒速轉(zhuǎn)舵伺服裝置，轉(zhuǎn)舵立柱6旋轉(zhuǎn)支撐于法蘭上， 轉(zhuǎn)舵立柱6的下部固定下齒輪箱7，轉(zhuǎn)舵立柱6的上部安裝回轉(zhuǎn)大齒輪5，轉(zhuǎn)舵液壓馬達(dá)2 固定于法蘭上，轉(zhuǎn)舵液壓馬達(dá)2的輸出軸與行星減速器3的輸入軸驅(qū)動(dòng)連接，行星減速器3 的輸出軸上安裝主動(dòng)小齒輪4，主動(dòng)小齒輪4與回轉(zhuǎn)大齒輪5相嚙合，如圖2所示，回轉(zhuǎn)大齒輪5還與減速齒輪8相嚙合，減速齒輪8上布置有旋轉(zhuǎn)編碼器9，旋轉(zhuǎn)編碼器采用R36系列霍爾編碼器，優(yōu)選R36A模擬量霍爾編碼器。旋轉(zhuǎn)編碼器9與舵角指示器11和PLC控制單元10通訊連接，PLC控制單元10包含有AD模塊和PID模塊，PLC控制單元10與操縱手柄 12上的電位器和比例閥I控制連接，比例閥I位于轉(zhuǎn)舵液壓馬達(dá)2的油路回路中。[0014]旋轉(zhuǎn)編碼器9不同于傳統(tǒng)的雙抽頭電位器。雙抽頭電位器需要兩個(gè)模擬通道，占用了系統(tǒng)的硬件資源；由于取出的是電位器抽頭信號(hào)，為內(nèi)阻較高的電壓信號(hào)，所以抗干擾性不夠理想，特別是遠(yuǎn)距離傳送；判斷故障是用電壓判斷，人為將抽頭信號(hào)限制在一定區(qū)域，如果抽頭斷線(xiàn)由于輸入端存在電容，一方面有可能電壓長(zhǎng)時(shí)間不會(huì)飄到范圍外，而無(wú)法報(bào)警，另一方面由于信號(hào)范圍變小而影響了測(cè)量精度。采用旋轉(zhuǎn)編碼器作為角度信號(hào)，即把角度信號(hào)先變成數(shù)字信號(hào)，再通過(guò)內(nèi)部D/A轉(zhuǎn)換變成模擬信號(hào)，再輸出4-20mA電流信號(hào)。單抽頭輸出，僅占用一個(gè)模擬通道，硬件開(kāi)支較小。旋轉(zhuǎn)編碼器屬于非接觸型，使用壽命較傳統(tǒng)電位器遠(yuǎn)遠(yuǎn)加大，僅受軸承的影響。由于是4-20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，硬件選擇非常靈活，判斷故障也非常簡(jiǎn)單，只要判斷電 流小于4mA即可判為故障，電流信號(hào)也適于遠(yuǎn)距離傳輸信號(hào)。[0015]控制方式用4 20mA表示0 360° (或-180 180° )并且可以把4 20mA范圍內(nèi)任意一電流值作為機(jī)械0°，并把該值存入控制單元(計(jì)算機(jī)或PLC等包含具有運(yùn)算能力的微處理芯器片)的FLASH中，以保證掉電時(shí)能保存設(shè)置。確定Γ20πιΑ的范圍，由于元器件的離散性(旋轉(zhuǎn)編碼電位器和計(jì)算機(jī)模擬通道的不一致性)，并把不一致性保存在系統(tǒng)的FLASH 中。[0016]伺服裝置采用PLC作為控制單元，PLC控制單元除具有邏輯控制能力外還具有較強(qiáng)的運(yùn)算功能。使用PLC控制單元所配的AD模塊可以將指令和反饋的舵角模擬量檢測(cè)出轉(zhuǎn)變成PLC能夠接受的數(shù)字量，經(jīng)PLC采樣的信號(hào)通過(guò)函數(shù)運(yùn)算得到所需要的轉(zhuǎn)舵速度，并通過(guò)微分模塊計(jì)算出轉(zhuǎn)舵速度。再通過(guò)PLC控制單元的PID模塊調(diào)節(jié)比例閥的開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)舵速度的控制。[0017]采用通常的PLC控制單元或者單片機(jī)、嵌入式系統(tǒng)等帶有CPU的控制單元，控制單元具有一定的數(shù)學(xué)運(yùn)算能力。將舵角指令(轉(zhuǎn)舵手柄信號(hào))和舵角反饋(實(shí)際舵槳位置信號(hào)) 做差值運(yùn)算，再把舵角反饋信號(hào)做一個(gè)對(duì)時(shí)間的微分變換計(jì)算出轉(zhuǎn)舵速度。再根據(jù)得出的轉(zhuǎn)舵速度指令和實(shí)際轉(zhuǎn)舵速度的差異調(diào)整控制液壓馬達(dá)流量的比例閥，從而達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)舵速度的結(jié)果。[0018]角度信號(hào)控制的恒速轉(zhuǎn)舵伺服裝置的控制方法，通過(guò)控制比例閥I開(kāi)度調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)舵液壓馬達(dá)2的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)舵液壓馬達(dá)2的輸出軸轉(zhuǎn)速經(jīng)行星減速器3減速后驅(qū)動(dòng)主動(dòng)小齒輪4旋轉(zhuǎn)，主動(dòng)小齒輪4與回轉(zhuǎn)大齒輪5嚙合從而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)舵立柱6旋轉(zhuǎn)，回轉(zhuǎn)大齒輪5的轉(zhuǎn)速 并傳遞到減速齒輪8，由旋轉(zhuǎn)編碼器9檢測(cè)減速齒輪8的轉(zhuǎn)速作為舵槳舵角反饋信號(hào)(因減 速齒輪與轉(zhuǎn)舵齒輪的速比是1:1，所以可以反映舵槳的舵角)，旋轉(zhuǎn)編碼器9將檢測(cè)到的舵 槳舵角反饋信號(hào)反饋到PLC控制單元10 ；[0019]PLC控制單元10對(duì)操縱手柄舵角指令和舵槳舵角反饋信號(hào)通過(guò)其AD模塊采樣由 PLC控制單元做減法運(yùn)算；減法運(yùn)算的差值由PLC控制單元的邏輯判斷功能做分類(lèi)當(dāng)差值 小于死區(qū)值則轉(zhuǎn)舵速度指令輸出為零，當(dāng)差值在死區(qū)值與設(shè)定的減速區(qū)域值之間時(shí)轉(zhuǎn)舵速 度指令輸出與差值成正比，即轉(zhuǎn)舵速度指令輸出為差值乘以系數(shù)(系數(shù)是PID控制中積分 的時(shí)間常數(shù))，當(dāng)差值大于設(shè)定的減速區(qū)域值時(shí)轉(zhuǎn)舵速度指令輸出為恒值，即為設(shè)定的轉(zhuǎn)舵 速度；[0020]旋轉(zhuǎn)編碼器采樣舵槳舵角反饋信號(hào)讀進(jìn)PLC控制單元，算出單位時(shí)間舵槳的變化 量，即實(shí)際轉(zhuǎn)舵速度；將轉(zhuǎn)舵速度指令和實(shí)際轉(zhuǎn)舵速度在PLC控制單元運(yùn)算器中做減法運(yùn) 算，并把結(jié)果除以比例系數(shù)(系數(shù)是PID控制中積分的時(shí)間常數(shù))，作為比例閥開(kāi)度的補(bǔ)償值 與當(dāng)前的比例閥開(kāi)度相加，作為下一個(gè)時(shí)間段的比例閥開(kāi)度；通過(guò)PLC控制單元的PID模塊 調(diào)節(jié)比例閥的開(kāi)度，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)舵液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定舵槳的轉(zhuǎn)舵速度。由于上述過(guò)程屬 于積分控制，所以對(duì)于系統(tǒng)的不穩(wěn)定造成的轉(zhuǎn)舵速度的波動(dòng)有過(guò)濾作用。調(diào)節(jié)系數(shù)可以使 系統(tǒng)適應(yīng)不同的慣性系統(tǒng)。[0021]舵角反饋經(jīng)PLC控制單元的AD模塊采樣到PLC控制單元，一路與舵角指令比較由 PLC控制單元計(jì)算轉(zhuǎn)舵速度指令，另一路經(jīng)PLC控制單元微分計(jì)算出實(shí)際轉(zhuǎn)舵速度。將轉(zhuǎn)舵 速度指令與實(shí)際轉(zhuǎn)舵速度比較后把差值積分除以系數(shù)，作為比例閥的補(bǔ)償量與之前的比例 閥開(kāi)度相加得出當(dāng)前的比例閥開(kāi)度，最終控制轉(zhuǎn)舵液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速。由于采用了積分，有效 的穩(wěn)定了采樣時(shí)信號(hào)的干擾和海上浪涌及舵槳本身的不確定因素造成的抖動(dòng)。使舵槳能按 照設(shè)定的轉(zhuǎn)舵速度跟隨手柄指令轉(zhuǎn)至目標(biāo)值。[0022]轉(zhuǎn)舵指令與反饋之間差值達(dá)到一定值時(shí)，則轉(zhuǎn)舵速度要求以一個(gè)恒定的旋速旋 轉(zhuǎn)；當(dāng)小于此值時(shí)，即進(jìn)入減速區(qū)，則旋速根據(jù)差值的減少按照比例減?。恢钡竭M(jìn)入死區(qū)， 使槳完全停轉(zhuǎn)；死區(qū)是防止過(guò)沖，也是為防止信號(hào)干擾造成的比例閥頻繁開(kāi)關(guān)；這在以往 的設(shè)計(jì)中所必需的；由于比例閥有減速區(qū)域，因此比例閥的死區(qū)比開(kāi)關(guān)閥減小很多，而在伺 服系統(tǒng)中由于控制更為精確，所以死區(qū)可以比比例閥進(jìn)一步減小。[0023]當(dāng)手柄與舵槳反饋信號(hào)之間的存在差異，并且差異較大時(shí)，舵槳將以一個(gè)恒定的 轉(zhuǎn)速向減小偏差的方向轉(zhuǎn)舵，為了保證轉(zhuǎn)舵的恒定，不受主機(jī)轉(zhuǎn)速的影響，系統(tǒng)在轉(zhuǎn)舵過(guò) 程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)舵位置和轉(zhuǎn)舵速度，并利用其與轉(zhuǎn)舵指令比較用偏差值來(lái)調(diào)整比例閥的開(kāi) 度，從而控制舵槳的轉(zhuǎn)舵速度。[0024]綜上所述，采用旋轉(zhuǎn)編碼器更適于遠(yuǎn)距離傳輸，利用舵角反饋系統(tǒng)計(jì)算出實(shí)際的 轉(zhuǎn)舵速度，再根據(jù)技術(shù)要求的轉(zhuǎn)速對(duì)比例閥的開(kāi)度進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，為防止超調(diào)和隨動(dòng)性差 需要給一個(gè)合適的補(bǔ)償，允許調(diào)試人員根據(jù)不同的槳給予不同的慣性參數(shù)，經(jīng)實(shí)船測(cè)試性 能完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。舵槳轉(zhuǎn)舵速度是通過(guò)控制比例閥開(kāi)度實(shí)現(xiàn)，同時(shí)又受洋流、機(jī)械阻 尼、機(jī)械慣量、液壓管路阻力等諸多方面的影響，調(diào)試人員在對(duì)控制系統(tǒng)有一個(gè)充分了解的 基礎(chǔ)上配合一個(gè)適合的比例系數(shù)和積分微分等參數(shù)，可以將系統(tǒng)調(diào)整到最佳狀況。由于內(nèi) 部為數(shù)字內(nèi)核，所以具有更強(qiáng)的抗干擾能力；如果采用數(shù)字傳輸方式，由于采用CRC等校驗(yàn)方式，因此有較模擬量信號(hào)更強(qiáng)的糾錯(cuò)能力和判斷傳輸故障的能力。無(wú)磨損，長(zhǎng)運(yùn)行壽命， 采用電流傳輸方式，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的信號(hào)傳遞。[0025]需要理解到的是以上所述僅是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技 術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本實(shí)用新型原理的前提下，還可以作出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求1.角度信號(hào)控制的恒速轉(zhuǎn)舵伺服裝置，轉(zhuǎn)舵立柱旋轉(zhuǎn)支撐于法蘭上，轉(zhuǎn)舵立柱的下部固定下齒輪箱，轉(zhuǎn)舵立柱的上部安裝回轉(zhuǎn)大齒輪，轉(zhuǎn)舵液壓馬達(dá)固定于法蘭上，轉(zhuǎn)舵液壓馬達(dá)的輸出軸與行星減速器的輸入軸驅(qū)動(dòng)連接，行星減速器的輸出軸上安裝主動(dòng)小齒輪，主動(dòng)小齒輪與回轉(zhuǎn)大齒輪相嚙合，回轉(zhuǎn)大齒輪還與減速齒輪相嚙合，其特征在于所述減速齒輪上布置有旋轉(zhuǎn)編碼器，旋轉(zhuǎn)編碼器與舵角指示器和PLC控制單元通訊連接，PLC控制單元與操縱手柄上的電位器和比例閥控制連接，比例閥位于轉(zhuǎn)舵液壓馬達(dá)的油路回路中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的角度信號(hào)控制的恒速轉(zhuǎn)舵伺服裝置，其特征在于所述旋轉(zhuǎn)編碼器為R36系列霍爾編碼器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的角度信號(hào)控制的恒速轉(zhuǎn)舵伺服裝置，其特征在于所述旋轉(zhuǎn)編碼器為R36A模擬量霍爾編碼器。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型涉及角度信號(hào)控制的恒速轉(zhuǎn)舵伺服裝置，轉(zhuǎn)舵立柱旋轉(zhuǎn)支撐于法蘭上，轉(zhuǎn)舵立柱的下部固定下齒輪箱，轉(zhuǎn)舵立柱的上部安裝回轉(zhuǎn)大齒輪，轉(zhuǎn)舵液壓馬達(dá)固定于法蘭上，轉(zhuǎn)舵液壓馬達(dá)的輸出軸與行星減速器的輸入軸連接，行星減速器的輸出軸上安裝主動(dòng)小齒輪，主動(dòng)小齒輪與回轉(zhuǎn)大齒輪相嚙合，回轉(zhuǎn)大齒輪還與減速齒輪相嚙合，減速齒輪上布置有旋轉(zhuǎn)編碼器，旋轉(zhuǎn)編碼器與舵角指示器和PLC控制單元通訊連接，PLC控制單元與操縱手柄上的電位器和比例閥控制連接，比例閥位于轉(zhuǎn)舵液壓馬達(dá)的油路回路中。將舵角指令和舵角反饋?zhàn)霾钪颠\(yùn)算，將舵角反饋信號(hào)做對(duì)時(shí)間的微分變換計(jì)算出轉(zhuǎn)舵速度，根據(jù)轉(zhuǎn)舵速度指令和實(shí)際轉(zhuǎn)舵速度的差異調(diào)整比例閥。
文檔編號(hào)B63H25/28GK202828082SQ20122047223
公開(kāi)日2013年3月27日 申請(qǐng)日期2012年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月17日
發(fā)明者黃民, 邱黎輝 申請(qǐng)人:蘇州船用動(dòng)力系統(tǒng)股份有限公司