船舶舵機(jī)系統(tǒng)及船舶舵機(jī)系統(tǒng)的操舵控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及船舶舵機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，具體提供了一種船舶舵機(jī)系統(tǒng)及船舶舵機(jī)系統(tǒng)的操舵控制方法。本發(fā)明提供的船舶舵機(jī)系統(tǒng)包括控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、與所述伺服電機(jī)的輸出軸同軸設(shè)置的制動(dòng)器、減速器、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、舵葉、舵葉位置編碼器，采用舵葉位置編碼器實(shí)時(shí)檢測舵葉的舵角及舵速，并采用控制器及電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行精確控制，采用伺服電機(jī)通過減速器及齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力，此外制動(dòng)器可以實(shí)現(xiàn)快速有效的制動(dòng)。本發(fā)明提供船舶舵機(jī)系統(tǒng)及船舶舵機(jī)系統(tǒng)的操舵控制方法，采用全電力驅(qū)動(dòng)方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電液伺服驅(qū)動(dòng)方式，可以提高船舶舵機(jī)系統(tǒng)的精度、簡單性和可靠性。
【專利說明】
船舶舵機(jī)系統(tǒng)及船舶舵機(jī)系統(tǒng)的操舵控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及船舶舵機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種船舶舵機(jī)系統(tǒng)及船舶舵機(jī)系統(tǒng)的操舵控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前船舶舵機(jī)系統(tǒng)通常采用電液伺服驅(qū)動(dòng)方式。這種驅(qū)動(dòng)方式雖然具有輸出力矩大、系統(tǒng)體積小、時(shí)間常數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)，但是也存在一些缺點(diǎn)。首先，液壓元件的制造工藝要求較高，相同輸出功率下電液伺服系統(tǒng)成本高于電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng);其次，液壓油的質(zhì)量，如純凈度和粘度等對電液伺服系統(tǒng)工作狀態(tài)有很大影響，所以電液伺服系統(tǒng)本身的調(diào)試和維護(hù)也較電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜；同時(shí)，液壓油的工作特性在很大程度上受溫度的影響，從而影響了系統(tǒng)的控制精度。
[0003]近些年來，隨著船舶全電力推進(jìn)的迅速發(fā)展，船載能源類型日趨單一，船舶電驅(qū)動(dòng)舵機(jī)系統(tǒng)的研究處于方興未艾之勢，那么，如何實(shí)現(xiàn)低成本、高精度、簡便可靠地電驅(qū)動(dòng)舵機(jī)系統(tǒng)成為當(dāng)前亟待解決的問題之一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明提供船舶舵機(jī)系統(tǒng)及船舶舵機(jī)系統(tǒng)的操舵控制方法，以提高船舶舵機(jī)系統(tǒng)的精度、簡單性和可靠性。
[0005]第一方面，本發(fā)明提供的船舶舵機(jī)系統(tǒng)，包括:
[0006]控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、與所述伺服電機(jī)的輸出軸同軸設(shè)置的制動(dòng)器、減速器、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、舵葉、舵葉位置編碼器；
[0007]所述控制器用于:根據(jù)接收到的給定航向信息、控制指令、舵角信號及舵速信號，輸出電機(jī)控制信號給所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)器或輸出制動(dòng)信號給所述制動(dòng)器；
[0008]所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)器用于:根據(jù)所述控制器發(fā)送的所述電機(jī)控制信號驅(qū)動(dòng)所述伺服電機(jī)；
[0009]所述制動(dòng)器用于:根據(jù)所述控制器發(fā)送的制動(dòng)信號，對所述伺服電機(jī)進(jìn)行制動(dòng)操作；
[0010]所述伺服電機(jī)用于:經(jīng)過所述減速器及所述齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將所述伺服電機(jī)的動(dòng)力傳遞給所述舵葉，使所述舵葉沿其轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)；
[0011]所述舵葉位置編碼器用于:實(shí)時(shí)檢測舵葉的舵角及舵速，并將舵角信號和舵速信號發(fā)送給所述控制器。
[0012]由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明提供的船舶舵機(jī)系統(tǒng)，采用全電力驅(qū)動(dòng)方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電液伺服驅(qū)動(dòng)方式，可以簡化艦載能源設(shè)備，不必再配備專用的液壓油源，有效的降低系統(tǒng)成本，同時(shí)節(jié)省了船上有限的空間。電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)更加簡化，設(shè)備更具通用性，同時(shí)避免了漏油的問題，也不會(huì)產(chǎn)生液壓油受溫度的影響而影響系統(tǒng)的控制精度的問題，維護(hù)和保養(yǎng)也比較方便。此外，采用舵葉位置編碼器實(shí)時(shí)檢測舵葉的舵角及舵速，并采用控制器及電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行精確控制，采用伺服電機(jī)提供動(dòng)力，具備較高的準(zhǔn)確度和響應(yīng)速度，提高了船舶舵機(jī)系統(tǒng)的精度。伺服電機(jī)通過減速器及齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)由高速小轉(zhuǎn)矩向低速大轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)變，可以提供足夠的動(dòng)力。在制動(dòng)時(shí)制動(dòng)器可以實(shí)現(xiàn)快速有效的制動(dòng)，增加了船舶舵機(jī)系統(tǒng)的安全性和控制精度。因此，本發(fā)明的船舶舵機(jī)系統(tǒng)具有較高的精度、簡單性和可靠性。
[0013]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述船舶舵機(jī)系統(tǒng)還包括，限位接近開關(guān):設(shè)置在所述舵葉處，用于判斷舵角是否大于預(yù)設(shè)值，若大于預(yù)設(shè)值，則將報(bào)警信號發(fā)送給所述控制器，所述控制器根據(jù)所述報(bào)警信號向所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送電機(jī)反向輸出信號，所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制所述伺服電機(jī)反向輸出動(dòng)力。采用限位接近開關(guān)設(shè)置在舵葉處，判斷舵角是否大于預(yù)設(shè)值，當(dāng)舵角大于該預(yù)設(shè)值時(shí)，觸發(fā)限位接近開關(guān)，發(fā)送報(bào)警信號，并控制伺服電機(jī)反向輸出動(dòng)力，可防止舵角超調(diào)、或系統(tǒng)故障等問題對船舶舵機(jī)系統(tǒng)造成損壞，提高系統(tǒng)的可靠性。
[0014]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述船舶舵機(jī)系統(tǒng)還包括，位置傳感器:用于監(jiān)測所述伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)角，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置檢測和初始定位，并發(fā)送給所述控制器及所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，所述控制器檢驗(yàn)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子是否依照電機(jī)控制信號旋轉(zhuǎn)預(yù)定轉(zhuǎn)角，并根據(jù)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)角與預(yù)定轉(zhuǎn)角的差值進(jìn)行位置補(bǔ)償，所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)器判斷實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)角是否超過轉(zhuǎn)角的極限值，若超過則對所述伺服電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)操作。實(shí)時(shí)監(jiān)測所述伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)角，并對實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)角與預(yù)定轉(zhuǎn)角的差值進(jìn)行位置補(bǔ)償，可以減小海浪干擾舵葉或其他干擾導(dǎo)致的位置偏差，可以提高船舶舵機(jī)系統(tǒng)位置控制的精度。此外，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器判斷實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)角是否超過轉(zhuǎn)角的極限值，若超過則對伺服電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)操作，可以提高船舶舵機(jī)系統(tǒng)的可靠性，確保系統(tǒng)的安全。
[0015]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述船舶舵機(jī)系統(tǒng)還包括，電流傳感器:用于監(jiān)測所述伺服電機(jī)的實(shí)時(shí)電流，并將電流信號發(fā)送給所述控制器及所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，所述控制器根據(jù)實(shí)時(shí)電流與預(yù)定電流的差值進(jìn)行電流補(bǔ)償，所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)器判斷實(shí)時(shí)電流是否超過電流的極限值，若超過則對所述伺服電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)操作。實(shí)時(shí)監(jiān)測所述伺服電機(jī)的實(shí)時(shí)電流，并對實(shí)時(shí)電流與預(yù)定電流的差值進(jìn)行電流補(bǔ)償，修正偏差，提高對伺服電機(jī)電流控制的準(zhǔn)確度，可以提高船舶舵機(jī)系統(tǒng)位置控制的精度。此外，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器判斷實(shí)時(shí)電流是否超過預(yù)設(shè)的電流極限值，若超過則對伺服電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)操作，防止伺服電機(jī)的電流過大造成燒毀，可以提高船舶舵機(jī)系統(tǒng)的可靠性，確保系統(tǒng)的安全。
[0016]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述船舶舵機(jī)系統(tǒng)還包括，扭矩傳感器:用于監(jiān)測所述伺服電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速和實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩，并發(fā)送給所述控制器及所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，所述控制器根據(jù)所述伺服電機(jī)根據(jù)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速和實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩與預(yù)定轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的差值進(jìn)行轉(zhuǎn)速補(bǔ)償和轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)器判斷實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速和實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩是否超過相應(yīng)的極限值，若超過則對所述伺服電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)操作。實(shí)時(shí)監(jiān)測所述伺服電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速和實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩，并對實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速和實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩與預(yù)定轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的差值進(jìn)行轉(zhuǎn)速補(bǔ)償和轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，修正偏差，提高對伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩控制的準(zhǔn)確度，可以提高船舶舵機(jī)系統(tǒng)位置控制的精度。此外，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器判斷實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速和實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩是否超過預(yù)設(shè)的極限值，若超過則對伺服電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)操作，防止伺服電機(jī)的超速或長期堵轉(zhuǎn)造成電機(jī)的損壞，可以提高船舶舵機(jī)系統(tǒng)的可靠性，確保系統(tǒng)的安全。
[0017]第二方面，本發(fā)明提供的船舶舵機(jī)系統(tǒng)的操舵控制方法，包括:
[0018]所述舵葉位置編碼器實(shí)時(shí)檢測舵角及舵速，并將舵角信號及舵速信號發(fā)送給所述控制器；
[0019]所述控制器根據(jù)接收給定航向信息、控制指令及所述舵葉位置編碼器發(fā)送的所述舵角信號和舵速信號，生成電機(jī)控制信號并輸出給所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)器；
[0020]所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)器根據(jù)所述電機(jī)控制信號控制所述伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，經(jīng)過所述減速器和所述齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，將所述伺服電機(jī)的動(dòng)力傳遞給所述舵葉，使所述舵葉沿其轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)；
[0021]當(dāng)所述舵角接近目標(biāo)舵角時(shí)，所述控制器向所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出電機(jī)停轉(zhuǎn)信號，同時(shí)向所述制動(dòng)器發(fā)送制動(dòng)信號，所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)器根據(jù)所述電機(jī)停轉(zhuǎn)信號控制所述伺服電機(jī)停轉(zhuǎn)，所述制動(dòng)器根據(jù)所述制動(dòng)信號對所述伺服電機(jī)進(jìn)行制動(dòng)操作。
[0022]由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明提供的船舶舵機(jī)系統(tǒng)的操舵控制方法，采用舵葉位置編碼器實(shí)時(shí)檢測舵葉的舵角及舵速，控制器基于接收給定航向信息、控制指令及所述舵葉位置編碼器發(fā)送的所述舵角信號和舵速信號生成電機(jī)控制信號，同時(shí)可根據(jù)實(shí)時(shí)舵角及舵速與控制信號的偏差進(jìn)行修正，因此更為精準(zhǔn)；同時(shí)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行精確控制伺服電機(jī)，具備較高的準(zhǔn)確度和響應(yīng)速度，進(jìn)一步提高了船舶舵機(jī)系統(tǒng)的控制精度;伺服電機(jī)通過減速器及齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)由高速小轉(zhuǎn)矩向低速大轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)變，可以提供足夠的動(dòng)力；當(dāng)舵角接近目標(biāo)舵角時(shí)，控制器向電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出電機(jī)停轉(zhuǎn)信號，同時(shí)向制動(dòng)器發(fā)送制動(dòng)信號，伺服電機(jī)停轉(zhuǎn)，同時(shí)制動(dòng)器對所述伺服電機(jī)進(jìn)行制動(dòng)操作，可以實(shí)現(xiàn)快速有效的制動(dòng)，增加了船舶舵機(jī)系統(tǒng)的控制精度和安全性。因此，本發(fā)明的船舶舵機(jī)系統(tǒng)的操舵控制方法具有較高的控制精度、簡單性和可靠性。
[0023]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述控制器生成電機(jī)控制信號采用分段滑模變結(jié)構(gòu)控制算法，對于目標(biāo)舵角和實(shí)際舵角間差值的不同情況預(yù)設(shè)不同滑模段的控制方案;所述控制器由給定航向信息、控制指令計(jì)算目標(biāo)舵角，根據(jù)目標(biāo)舵角和實(shí)際舵角的差值選擇滑模段控制方案，并輸出該控制方案對應(yīng)的電機(jī)控制信號。控制器生成電機(jī)控制信號的步驟采用分段滑模變結(jié)構(gòu)控制算法，該算法根據(jù)目標(biāo)舵角和實(shí)際舵角的差值，選取不同的滑模段的控制算法進(jìn)行控制，在不同的滑模段可達(dá)到不同階段的控制目標(biāo)，滑模變結(jié)構(gòu)控制能夠較好滿足系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能和強(qiáng)魯棒性，能夠使系統(tǒng)具有較高的抗干擾能力，且算法簡單，響應(yīng)速度快。
[0024]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，在所述舵葉處設(shè)置的限位接近開關(guān)，監(jiān)測并判斷舵角是否大于預(yù)設(shè)值，若大于預(yù)設(shè)值，則發(fā)送報(bào)警信號給所述控制器;所述控制器根據(jù)所述報(bào)警信號向所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送電機(jī)反向輸出信號，所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制所述伺服電機(jī)反向輸出動(dòng)力。采用限位接近開關(guān)判斷舵角是否大于預(yù)設(shè)值，當(dāng)舵角大于該預(yù)設(shè)值時(shí)，觸發(fā)限位接近開關(guān)，發(fā)送報(bào)警信號，并控制伺服電機(jī)反向輸出動(dòng)力，可防止舵角超調(diào)、或系統(tǒng)故障等問題對船舶舵機(jī)系統(tǒng)造成損壞，提高系統(tǒng)的可靠性。
[0025]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述控制器接收所述電流傳感器、扭矩傳感器和位置傳感器發(fā)送的所述伺服電機(jī)的實(shí)時(shí)電流、實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速、實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)角的信號，并與相應(yīng)的預(yù)定值進(jìn)行對比，并進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償控制。通過傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測，傳感器根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測值與控制信號的預(yù)定值的偏差進(jìn)行修正補(bǔ)償，可以減小海浪干擾舵葉或其他干擾導(dǎo)致的系統(tǒng)偏差，保證操舵過程平穩(wěn)、無振蕩，可以提高船舶舵機(jī)系統(tǒng)操舵控制的精度。
[0026]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收所述電流傳感器、扭矩傳感器和位置傳感器發(fā)送的所述伺服電機(jī)的實(shí)時(shí)電流、實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速、實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)角的信號，并與相應(yīng)的極限值進(jìn)行對比，若其中至少一項(xiàng)超過極限值則對所述伺服電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)操作。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器對伺服電機(jī)的實(shí)時(shí)參數(shù)與預(yù)設(shè)的相應(yīng)極限值對比，當(dāng)某一項(xiàng)參數(shù)超過極限值，則對伺服電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)操作，防止伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)角超調(diào)、過電流、超速或長期堵轉(zhuǎn)造成電機(jī)的損壞，可以提高船舶舵機(jī)系統(tǒng)操舵控制的可靠性，確保系統(tǒng)的安全。
【附圖說明】
[0027]為了更清楚地說明本發(fā)明【具體實(shí)施方式】或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對【具體實(shí)施方式】或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹。在所有附圖中，類似的元件或部分一般由類似的附圖標(biāo)記標(biāo)識(shí)。附圖中，各元件或部分并不一定按照實(shí)際的比例繪制。
[0028]圖1示出了本發(fā)明第一實(shí)施例所提供的一種船舶舵機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；
[0029]圖2示出了本發(fā)明第一實(shí)施例所提供的一種船舶舵機(jī)系統(tǒng)的示意圖；
[0030]圖3示出了本發(fā)明第二實(shí)施例所提供的一種船舶舵機(jī)系統(tǒng)的操舵控制方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031]下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明技術(shù)方案的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，因此只是作為示例，而不能以此來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0032]需要注意的是，除非另有說明，本申請使用的技術(shù)術(shù)語或者科學(xué)術(shù)語應(yīng)當(dāng)為本發(fā)明所屬領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的通常意義。
[0033]實(shí)施例一
[0034]圖1示出了本發(fā)明第一實(shí)施例所提供的一種船舶舵機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，圖2示出了本發(fā)明第一實(shí)施例所提供的一種船舶舵機(jī)系統(tǒng)的示意圖。如圖1和圖2所示，根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的船舶舵機(jī)系統(tǒng)包括:
[0035]控制器10、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器20、伺服電機(jī)30、與伺服電機(jī)30的輸出軸同軸設(shè)置的制動(dòng)器40、減速器50、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)60、舵葉70、舵葉位置編碼器80。
[0036]控制器10用于:根據(jù)接收到的給定航向信息、控制指令、舵角信號及舵速信號，輸出電機(jī)控制信號給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器20或輸出制動(dòng)信號給制動(dòng)器40;
[0037]電機(jī)驅(qū)動(dòng)器20用于:根據(jù)控制器10發(fā)送的電機(jī)控制信號驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)30;
[0038]制動(dòng)器40用于:根據(jù)控制器10發(fā)送的制動(dòng)信號，對伺服電機(jī)30進(jìn)行制動(dòng)操作；
[0039]伺服電機(jī)30用于:經(jīng)過減速器50及齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)60將伺服電機(jī)30的動(dòng)力傳遞給舵葉70，使舵葉70沿其轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)；
[0040]舵葉位置編碼器80用于:實(shí)時(shí)檢測舵葉70的舵角及舵速，并將舵角信號和舵速信號發(fā)送給控制器10。
[0041]由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明提供的船舶舵機(jī)系統(tǒng)，采用全電力驅(qū)動(dòng)方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電液伺服驅(qū)動(dòng)方式，可以簡化艦載能源設(shè)備，不必再配備專用的液壓油源，有效的降低系統(tǒng)成本，同時(shí)節(jié)省了船上有限的空間。電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)更加簡化，設(shè)備更具通用性，同時(shí)避免了漏油的問題，也不會(huì)產(chǎn)生液壓油受溫度的影響而影響系統(tǒng)的控制精度的問題，維護(hù)和保養(yǎng)也比較方便。此外，采用舵葉位置編碼器80實(shí)時(shí)檢測舵葉70的舵角及舵速，并采用控制器10及電機(jī)驅(qū)動(dòng)器20進(jìn)行精確控制，采用伺服電機(jī)30提供動(dòng)力，具備較高的準(zhǔn)確度和響應(yīng)速度，提高了船舶舵機(jī)系統(tǒng)的精度。伺服電機(jī)30通過減速器50及齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)60，實(shí)現(xiàn)由高速小轉(zhuǎn)矩向低速大轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)變，可以提供足夠的動(dòng)力。在制動(dòng)時(shí)制動(dòng)器40可以實(shí)現(xiàn)快速制動(dòng)，增加了船舶舵機(jī)系統(tǒng)的安全性和控制精度。因此，本發(fā)明的船舶舵機(jī)系統(tǒng)具有較高的精度、簡單性和可靠性。
[0042]在上述實(shí)施例中，控制器10采用DSP芯片，控制器10內(nèi)部通過軟件編寫程序?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的控制算法，主要電路包括電源模塊、復(fù)位模塊、時(shí)鐘模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊、在線仿真接口和串行通信接口等部分。
[0043]伺服電機(jī)30采用永磁同步電機(jī)，與減速器50同軸連接實(shí)現(xiàn)由高速小轉(zhuǎn)矩向低速大轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)變，進(jìn)而通過齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)60，帶動(dòng)舵葉70按照給定指令旋轉(zhuǎn)。
[0044]電機(jī)驅(qū)動(dòng)器20采用與伺服電機(jī)30配套的伺服驅(qū)動(dòng)器?？刂破?0輸出的電機(jī)控制信號，由伺服驅(qū)動(dòng)器外部端子臺(tái)讀入，信號是正負(fù)1V之間的模擬電壓信號。
[0045]減速器50的減速比為50:1，與伺服電機(jī)30通過支座同軸連接，齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)60設(shè)置于減速器50的輸出軸和舵葉70轉(zhuǎn)軸之間，通過傳動(dòng)比為5:1和傳動(dòng)比為4:1的兩組齒輪進(jìn)行傳動(dòng)，并進(jìn)一步減速。避免了單級減速時(shí)對設(shè)備需要較大承受能力，以及對零件的工藝要求苛刻，且容易發(fā)生故障。
[0046]舵葉位置編碼器8采用17-bit增量型編碼器對轉(zhuǎn)舵位置進(jìn)行檢測，編碼器安裝在舵葉70的轉(zhuǎn)軸處，實(shí)時(shí)反饋舵角信號給控制器10。
[0047I作為本實(shí)施例的進(jìn)一步改進(jìn)，船舶舵機(jī)系統(tǒng)還包括，限位接近開關(guān)91:設(shè)置在舵葉70處，用于判斷舵角是否大于預(yù)設(shè)值，若大于預(yù)設(shè)值，則將報(bào)警信號發(fā)送給控制器10，控制器10根據(jù)報(bào)警信號向電機(jī)驅(qū)動(dòng)器20發(fā)送電機(jī)反向輸出信號，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器20控制伺服電機(jī)30反向輸出動(dòng)力。采用限位接近開關(guān)91設(shè)置在舵葉70處，判斷舵角是否大于預(yù)設(shè)值，當(dāng)舵角大于該預(yù)設(shè)值時(shí)，觸發(fā)限位接近開關(guān)91，發(fā)送報(bào)警信號，并控制伺服電機(jī)30反向輸出動(dòng)力，可防止舵角超調(diào)、或系統(tǒng)故障等問題對船舶舵機(jī)系統(tǒng)造成損壞，提高系統(tǒng)的可靠性。例如，限位接近開關(guān)91可安裝在95%最大舵角處，當(dāng)舵葉70轉(zhuǎn)到該點(diǎn)，則觸發(fā)限位接近開關(guān)91，并發(fā)送報(bào)警信號。
[0048]作為本實(shí)施例的進(jìn)一步改進(jìn)，船舶舵機(jī)系統(tǒng)還包括，位置傳感器92:用于監(jiān)測伺服電機(jī)30轉(zhuǎn)子的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)角，伺服電機(jī)30的轉(zhuǎn)子位置檢測和初始定位，并發(fā)送給控制器10及電機(jī)驅(qū)動(dòng)器20，控制器10用于檢驗(yàn)伺服電機(jī)30轉(zhuǎn)子是否依照電機(jī)控制信號旋轉(zhuǎn)預(yù)定轉(zhuǎn)角，并根據(jù)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)角與預(yù)定轉(zhuǎn)角的差值進(jìn)行位置補(bǔ)償，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器20判斷實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)角是否超過轉(zhuǎn)角的極限值，若超過則對伺服電機(jī)30進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)操作。實(shí)時(shí)監(jiān)測伺服電機(jī)30轉(zhuǎn)子的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)角，并對實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)角與預(yù)定轉(zhuǎn)角的差值進(jìn)行位置補(bǔ)償，可以減小海浪干擾舵葉70或其他干擾導(dǎo)致的位置偏差，可以提高船舶舵機(jī)系統(tǒng)位置控制的精度。此外，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器20判斷實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)角是否超過轉(zhuǎn)角的極限值，若超過則對伺服電機(jī)30進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)操作，可以提高船舶舵機(jī)系統(tǒng)的可靠性，確保系統(tǒng)的安全。
[0049]作為本實(shí)施例的進(jìn)一步改進(jìn)，船舶舵機(jī)系統(tǒng)還包括，電流傳感器93:用于監(jiān)測伺服電機(jī)30的實(shí)時(shí)電流，并將電流信號發(fā)送給控制器10及電機(jī)驅(qū)動(dòng)器20，控制器10根據(jù)實(shí)時(shí)電流與預(yù)定電流的差值進(jìn)行電流補(bǔ)償，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器20判斷實(shí)時(shí)電流是否超過電流的極限值，若超過則對伺服電機(jī)30進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)操作。實(shí)時(shí)監(jiān)測伺服電機(jī)30的實(shí)時(shí)電流，并對實(shí)時(shí)電流與預(yù)定電流的差值進(jìn)行電流補(bǔ)償，修正偏差，提高對伺服電機(jī)30電流控制的準(zhǔn)確度，可以提高船舶舵機(jī)系統(tǒng)位置控制的精度。此外，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器20判斷實(shí)時(shí)電流是否超過預(yù)設(shè)的電流極限值，若超過則對伺服電機(jī)30進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)操作，防止伺服電機(jī)30的電流過大造成燒毀，可以提高船舶舵機(jī)系統(tǒng)的可靠性，確保系統(tǒng)的安全。電流傳感器93可為HAS型電流傳感器，傳感器連接在驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)30定子繞組接頭之間的線纜上。
[0050]作為本實(shí)施例的進(jìn)一步改進(jìn)，船舶舵機(jī)系統(tǒng)還包括，扭矩傳感器94:用于監(jiān)測伺服電機(jī)30的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速和實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩，并發(fā)送給控制器10及電機(jī)驅(qū)動(dòng)器20，控制器10根據(jù)伺服電機(jī)30根據(jù)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速和實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩與預(yù)定轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的差值進(jìn)行轉(zhuǎn)速補(bǔ)償和轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器20判斷實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速和實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩是否超過相應(yīng)的極限值，若超過則對伺服電機(jī)30進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)操作。實(shí)時(shí)監(jiān)測伺服電機(jī)30的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速和實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩，并對實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速和實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩與預(yù)定轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的差值進(jìn)行轉(zhuǎn)速補(bǔ)償和轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，修正偏差，提高對伺服電機(jī)30轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩控制的準(zhǔn)確度，可以提高船舶舵機(jī)系統(tǒng)位置控制的精度。此外，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器器20判斷實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速和實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩是否超過預(yù)設(shè)的極限值，若超過則對伺服電機(jī)30進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)操作，防止伺服電機(jī)30的超速或長期堵轉(zhuǎn)造成電機(jī)的損壞，可以提高船舶舵機(jī)系統(tǒng)的可靠性，確保系統(tǒng)的安全。扭矩傳感器94可為CYT-302型扭矩傳感器94，并通過配套的F/I轉(zhuǎn)換模塊測定轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，扭矩傳感器94與待測電機(jī)轉(zhuǎn)子同軸連接。
[0051]此外，本實(shí)施例的船舶舵機(jī)系統(tǒng)還包括信號采集板卡101，上述各傳感器發(fā)送給控制器10的信號均由信號采集板卡101進(jìn)行采集，減少工控器直接接收信號所需要的復(fù)雜的布線和復(fù)雜的程序等限制，可以實(shí)現(xiàn)靈活的、自定義的信號采集系統(tǒng)，使船舶舵機(jī)系統(tǒng)具備更好的分工和適應(yīng)性。此外，信號采集板卡101也可將采集的信號發(fā)送給工控機(jī)102，在工控機(jī)102上實(shí)現(xiàn)對船舶舵機(jī)系統(tǒng)的監(jiān)控，控制器10也可從工控機(jī)102上讀取信號采集板卡101發(fā)送的信號。
[0052]工控機(jī)102內(nèi)部可設(shè)計(jì)多種軟件功能，以實(shí)現(xiàn)給定參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)監(jiān)測和數(shù)據(jù)處理等功能。例如，參數(shù)可包括給定航向、給定舵角、舵機(jī)外環(huán)控制器10參數(shù)等;系統(tǒng)監(jiān)測部分主要對舵角、舵速、電機(jī)電壓電流、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速、限位接近信號等報(bào)警信號進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，進(jìn)而觀測舵角的跟蹤效果，同時(shí)保證系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)過電壓、過電流、超速、長期堵轉(zhuǎn)和舵角超調(diào)等問題，避免對系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響，而不能正常工作;數(shù)據(jù)處理部分主要實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析、歷史數(shù)據(jù)查詢和統(tǒng)計(jì)等功能。
[0053]實(shí)施例二
[0054]圖3示出了本發(fā)明第二實(shí)施例所提供的一種船舶舵機(jī)系統(tǒng)的操舵控制方法的流程圖。如圖3所示，根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的船舶舵機(jī)系統(tǒng)的操舵控制方法，包括:
[0055]S100、舵葉位置編碼器80實(shí)時(shí)檢測舵角及舵速，并將舵角信號及舵速信號發(fā)送給控制器10;
[0056]S200、控制器10根據(jù)接收給定航向信息、控制指令及舵葉位置編碼器80發(fā)送的舵角信號和舵速信號，生成電機(jī)控制信號并輸出給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器20;
[0057]S300、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器20根據(jù)電機(jī)控制信號控制伺服電機(jī)30運(yùn)轉(zhuǎn)，經(jīng)過減速器50和齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)60，將伺服電機(jī)30的動(dòng)力傳遞給舵葉70，使舵葉70沿其轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)；
[0058]S400、當(dāng)舵角接近目標(biāo)舵角時(shí)，控制器10向電機(jī)驅(qū)動(dòng)器20發(fā)出電機(jī)停轉(zhuǎn)信號，同時(shí)向制動(dòng)器40發(fā)送制動(dòng)信號，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器20根據(jù)電機(jī)停轉(zhuǎn)信號控制伺服電機(jī)30停轉(zhuǎn)，φ慟器40根據(jù)制動(dòng)信號對伺服電機(jī)30進(jìn)行制動(dòng)操作。
[0059]由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明提供的船舶舵機(jī)系統(tǒng)的操舵控制方法，采用舵葉位置編碼器80實(shí)時(shí)檢測舵葉70的舵角及舵速，控制器10基于接收給定航向信息、控制指令及舵葉位置編碼器80發(fā)送的舵角信號和舵速信號生成電機(jī)控制信號，同時(shí)可根據(jù)實(shí)時(shí)舵角及舵速與控制信號的偏差進(jìn)行修正，因此更為精準(zhǔn)；同時(shí)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)器20進(jìn)行精確控制伺服電機(jī)30，具備較高的準(zhǔn)確度和響應(yīng)速度，進(jìn)一步提高了船舶舵機(jī)系統(tǒng)的控制精度;伺服電機(jī)30通過減速器50及齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)60，實(shí)現(xiàn)由高速小轉(zhuǎn)矩向低速大轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)變，可以提供足夠的動(dòng)力；當(dāng)舵角接近目標(biāo)舵角時(shí)，控制器10向電機(jī)驅(qū)動(dòng)器20發(fā)出電機(jī)停轉(zhuǎn)信號，同時(shí)向制動(dòng)器40發(fā)送制動(dòng)信號，伺服電機(jī)30停轉(zhuǎn)，同時(shí)制動(dòng)器40對伺服電機(jī)30進(jìn)行制動(dòng)操作，可以實(shí)現(xiàn)快速制動(dòng)，增加了船舶舵機(jī)系統(tǒng)的控制精度和安全性。因此，本發(fā)明的船舶舵機(jī)系統(tǒng)的操舵控制方法具有較高的控制精度、簡單性和可靠性。
[0060]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，控制器10生成電機(jī)控制信號采用分段滑模變結(jié)構(gòu)控制算法，對于目標(biāo)舵角和實(shí)際舵角間差值的不同情況預(yù)設(shè)不同滑模段的控制方案;控制器10由給定航向信息、控制指令計(jì)算目標(biāo)舵角，根據(jù)目標(biāo)舵角和實(shí)際舵角的差值選擇滑模段控制方案，并輸出該控制方案對應(yīng)的電機(jī)控制信號?？刂破?0生成電機(jī)控制信號的步驟采用分段滑模變結(jié)構(gòu)控制算法，該算法根據(jù)目標(biāo)舵角和實(shí)際舵角的差值，選取不同的滑模段的控制算法進(jìn)行控制，在不同的滑模段可達(dá)到不同階段的控制目標(biāo)，滑模變結(jié)構(gòu)控制能夠較好滿足系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能和強(qiáng)魯棒性，能夠使系統(tǒng)具有較高的抗干擾能力，且算法簡單，響應(yīng)速度快。例如，當(dāng)舵角差值位于一滑模段的舵角差值范圍時(shí)，電機(jī)控制信號為驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)30以該滑模段設(shè)定加速度達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速并保持該轉(zhuǎn)速；當(dāng)接近給定舵角時(shí)，電機(jī)控制信號為驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)30快速降速。
[0061]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，在舵葉70處設(shè)置的限位接近開關(guān)91，監(jiān)測并判斷舵角是否大于預(yù)設(shè)值，若大于預(yù)設(shè)值，則發(fā)送報(bào)警信號給控制器10;控制器10根據(jù)報(bào)警信號向電機(jī)驅(qū)動(dòng)器20發(fā)送電機(jī)反向輸出信號，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器20控制伺服電機(jī)30反向輸出動(dòng)力。采用限位接近開關(guān)91判斷舵角是否大于預(yù)設(shè)值，當(dāng)舵角大于該預(yù)設(shè)值時(shí)，觸發(fā)限位接近開關(guān)91，發(fā)送報(bào)警信號，并控制伺服電機(jī)30反向輸出動(dòng)力，可防止舵角超調(diào)、或系統(tǒng)故障等問題對船舶舵機(jī)系統(tǒng)造成損壞，提高系統(tǒng)的可靠性。
[0062]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，控制器10接收電流傳感器93、扭矩傳感器94和位置傳感器92發(fā)送的伺服電機(jī)30的實(shí)時(shí)電流、實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速、實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)角的信號，并與相應(yīng)的預(yù)定值進(jìn)行對比，并進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償控制。通過傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測，傳感器根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測值與控制信號的預(yù)定值的偏差進(jìn)行修正補(bǔ)償，可以減小海浪干擾舵葉70或其他干擾導(dǎo)致的系統(tǒng)偏差，可以提尚船舶航機(jī)系統(tǒng)操航控制的精度。
[0063]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器20接收電流傳感器93、扭矩傳感器94和位置傳感器92發(fā)送的伺服電機(jī)30的實(shí)時(shí)電流、實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速、實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)角的信號，并與相應(yīng)的極限值進(jìn)行對比，若其中至少一項(xiàng)超過極限值則對伺服電機(jī)30進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)操作。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器20對伺服電機(jī)30的實(shí)時(shí)參數(shù)與預(yù)設(shè)的相應(yīng)極限值對比，當(dāng)某一項(xiàng)參數(shù)超過極限值，則對伺服電機(jī)30進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)操作，防止伺服電機(jī)30的轉(zhuǎn)角超調(diào)、過電流、超速或長期堵轉(zhuǎn)造成電機(jī)的損壞，可以提高船舶舵機(jī)系統(tǒng)操舵控制的可靠性，確保系統(tǒng)的安全。
[0064]此外，控制器10內(nèi)部主程序和中斷服務(wù)程序流程可以如下設(shè)置，當(dāng)船舶啟航時(shí)，工控機(jī)102和控制器10同時(shí)啟動(dòng)工作，首先封鎖輸出并關(guān)閉DSP中斷，開始運(yùn)行系統(tǒng)初始化程序，包括控制模塊初始化、外設(shè)寄存器初始化和參數(shù)變量初始化等。然后與工控機(jī)102建立通訊，接收舵角給定指令和實(shí)際舵角舵速反饋信號，進(jìn)而更新系統(tǒng)參數(shù)和變量;然后，打開DSP中斷，進(jìn)入中斷等待狀態(tài)。中斷采用定時(shí)器Tl下溢中斷來實(shí)現(xiàn)，定時(shí)時(shí)間為舵速和舵角的采樣周期，即每隔一個(gè)采樣周期，控制器10從工控機(jī)102讀取一組舵角給定和舵角舵速實(shí)際信號。當(dāng)中斷發(fā)生時(shí)，執(zhí)行中斷服務(wù)程序。首先保護(hù)現(xiàn)場，然后根據(jù)工控機(jī)102送入的給定舵角和實(shí)際舵角舵速信號，通過分段滑模變結(jié)構(gòu)控制算法運(yùn)行，輸出給定扭矩信號并通過D/A轉(zhuǎn)換，發(fā)送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器20，驅(qū)動(dòng)舵葉70向給定舵令位置運(yùn)動(dòng)，最后恢復(fù)現(xiàn)場返回主程序，再次與工控機(jī)102通訊，重新讀入給定舵角和實(shí)際舵角舵速等系統(tǒng)參數(shù)給定和相關(guān)變量，然后進(jìn)入下一個(gè)運(yùn)行周期。
[0065]本發(fā)明實(shí)施例所提供的系統(tǒng)，其實(shí)現(xiàn)原理及產(chǎn)生的技術(shù)效果和方法實(shí)施例相同，為簡要描述，系統(tǒng)實(shí)施例部分未提及之處，可參考方法實(shí)施例中相應(yīng)內(nèi)容。附圖中的流程圖和框圖顯示了根據(jù)本發(fā)明的多個(gè)實(shí)施例的系統(tǒng)、方法和計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品的可能實(shí)現(xiàn)的體系架構(gòu)、功能和操作。在這點(diǎn)上，流程圖或框圖中的每個(gè)方框可以代表一個(gè)模塊、程序段或代碼的一部分，所述模塊、程序段或代碼的一部分包含一個(gè)或多個(gè)用于實(shí)現(xiàn)規(guī)定的邏輯功能的可執(zhí)行指令。也應(yīng)當(dāng)注意，在有些作為替換的實(shí)現(xiàn)中，方框中所標(biāo)注的功能也可以以不同于附圖中所標(biāo)注的順序發(fā)生。
[0066]在本申請所提供的幾個(gè)實(shí)施例中，應(yīng)該理解到，所揭露的系統(tǒng)和方法，可以通過其它的方式實(shí)現(xiàn)，以上所描述的裝置實(shí)施例僅僅是示意性的。另外，在本發(fā)明各個(gè)實(shí)施例中的各功能單元可以集成在一個(gè)處理單元中，也可以是各個(gè)單元單獨(dú)物理存在，也可以兩個(gè)或兩個(gè)以上單元集成在一個(gè)單元中。
[0067]所述作為分離部件說明的單元可以是或者也可以不是物理上分開的，作為單元顯示的部件可以是或者也可以不是物理單元，即可以位于一個(gè)地方，或者也可以分布到多個(gè)網(wǎng)絡(luò)單元上?？梢愿鶕?jù)實(shí)際的需要選擇其中的部分或者全部單元來實(shí)現(xiàn)本實(shí)施例方案的目的。
[0068]最后應(yīng)說明的是:以上各實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制;盡管參照前述各實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解:其依然可以對前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分或者全部技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求和說明書的范圍當(dāng)中。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種船舶舵機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，包括: 控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、與所述伺服電機(jī)的輸出軸同軸設(shè)置的制動(dòng)器、減速器、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、舵葉、舵葉位置編碼器； 所述控制器用于:根據(jù)接收到的給定航向信息、控制指令、舵角信號及舵速信號，輸出電機(jī)控制信號給所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)器或輸出制動(dòng)信號給所述制動(dòng)器； 所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)器用于:根據(jù)所述控制器發(fā)送的所述電機(jī)控制信號驅(qū)動(dòng)所述伺服電機(jī)；所述制動(dòng)器用于:根據(jù)所述控制器發(fā)送的制動(dòng)信號，對所述伺服電機(jī)進(jìn)行制動(dòng)操作；所述伺服電機(jī)用于:經(jīng)過所述減速器及所述齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將所述伺服電機(jī)的動(dòng)力傳遞給所述舵葉，使所述舵葉沿其轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)； 所述舵葉位置編碼器用于:實(shí)時(shí)檢測舵葉的舵角及舵速，并將舵角信號和舵速信號發(fā)送給所述控制器。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的船舶舵機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，還包括， 限位接近開關(guān):設(shè)置在所述舵葉處，用于判斷舵角是否大于預(yù)設(shè)值，若大于預(yù)設(shè)值，則將報(bào)警信號發(fā)送給所述控制器，所述控制器根據(jù)所述報(bào)警信號向所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送電機(jī)反向輸出信號，所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制所述伺服電機(jī)反向輸出動(dòng)力。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的船舶舵機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，還包括， 位置傳感器:用于監(jiān)測所述伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)角，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置檢測和初始定位，并發(fā)送給所述控制器及所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，所述控制器檢驗(yàn)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子是否依照電機(jī)控制信號旋轉(zhuǎn)預(yù)定轉(zhuǎn)角，并根據(jù)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)角與預(yù)定轉(zhuǎn)角的差值進(jìn)行位置補(bǔ)償，所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)器判斷實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)角是否超過轉(zhuǎn)角的極限值，若超過則對所述伺服電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)操作。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的船舶舵機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，還包括， 電流傳感器:用于監(jiān)測所述伺服電機(jī)的實(shí)時(shí)電流，并將電流信號發(fā)送給所述控制器及所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，所述控制器根據(jù)實(shí)時(shí)電流與預(yù)定電流的差值進(jìn)行電流補(bǔ)償，所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)器判斷實(shí)時(shí)電流是否超過電流的極限值，若超過則對所述伺服電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)操作。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的船舶舵機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，還包括， 扭矩傳感器:用于監(jiān)測所述伺服電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速和實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩，并發(fā)送給所述控制器及所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，所述控制器根據(jù)所述伺服電機(jī)根據(jù)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速和實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩與預(yù)定轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的差值進(jìn)行轉(zhuǎn)速補(bǔ)償和轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)器判斷實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速和實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩是否超過相應(yīng)的極限值，若超過則對所述伺服電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)操作。6.一種船舶舵機(jī)系統(tǒng)的操舵控制方法，其特征在于，包括: 所述舵葉位置編碼器實(shí)時(shí)檢測舵角及舵速，并將舵角信號及舵速信號發(fā)送給所述控制器； 所述控制器根據(jù)接收給定航向信息、控制指令及所述舵葉位置編碼器發(fā)送的所述舵角信號和舵速信號，生成電機(jī)控制信號并輸出給所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)器； 所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)器根據(jù)所述電機(jī)控制信號控制所述伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，經(jīng)過所述減速器和所述齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，將所述伺服電機(jī)的動(dòng)力傳遞給所述舵葉，使所述舵葉沿其轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)所述舵角接近目標(biāo)舵角時(shí)，所述控制器向所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出電機(jī)停轉(zhuǎn)信號，同時(shí)向所述制動(dòng)器發(fā)送制動(dòng)信號，所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)器根據(jù)所述電機(jī)停轉(zhuǎn)信號控制所述伺服電機(jī)停轉(zhuǎn)，所述制動(dòng)器根據(jù)所述制動(dòng)信號對所述伺服電機(jī)進(jìn)行制動(dòng)操作。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的船舶舵機(jī)系統(tǒng)的操舵控制方法，其特征在于， 所述控制器生成電機(jī)控制信號采用分段滑模變結(jié)構(gòu)控制算法，對于目標(biāo)舵角和實(shí)際舵角間差值的不同情況預(yù)設(shè)不同滑模段的控制方案;所述控制器由給定航向信息、控制指令計(jì)算目標(biāo)舵角，根據(jù)目標(biāo)舵角和實(shí)際舵角的差值選擇滑模段控制方案，并輸出該控制方案對應(yīng)的電機(jī)控制信號。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的船舶舵機(jī)系統(tǒng)的操舵控制方法，其特征在于， 在所述舵葉處設(shè)置的限位接近開關(guān)，監(jiān)測并判斷舵角是否大于預(yù)設(shè)值，若大于預(yù)設(shè)值，則發(fā)送報(bào)警信號給所述控制器;所述控制器根據(jù)所述報(bào)警信號向所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送電機(jī)反向輸出信號，所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制所述伺服電機(jī)反向輸出動(dòng)力。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的船舶舵機(jī)系統(tǒng)的操舵控制方法，其特征在于， 所述控制器接收所述電流傳感器、扭矩傳感器和位置傳感器發(fā)送的所述伺服電機(jī)的實(shí)時(shí)電流、實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速、實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)角的信號，并與相應(yīng)的預(yù)定值進(jìn)行對比，并進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償控制。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的船舶舵機(jī)系統(tǒng)的操舵控制方法，其特征在于， 所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收所述電流傳感器、扭矩傳感器和位置傳感器發(fā)送的所述伺服電機(jī)的實(shí)時(shí)電流、實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速、實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)角的信號，并與相應(yīng)的極限值進(jìn)行對比，若其中至少一項(xiàng)超過極限值則對所述伺服電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)操作。
【文檔編號】B63H25/24GK105947165SQ201610343762
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年5月23日
【發(fā)明人】劉勝, 戰(zhàn)慧強(qiáng), 張?zhí)m勇, 李冰, 劉洪丹
【申請人】哈爾濱工程大學(xué)