專利名稱：角度信號控制的恒速轉(zhuǎn)舵伺服裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
角度信號控制的恒速轉(zhuǎn)舵伺服裝置技術(shù)領(lǐng)域[0001]本實用新型涉及船用推進器，尤其涉及角度信號控制的恒速轉(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帶泵即由主機直接拖動的液壓泵，受主機速度的影 響，會隨主機速度的加快而加快。特別是在船舶高速行駛時，較快的轉(zhuǎn)舵速度容易導致嚴重 的安全隱患。一直以來，各舵槳廠家常用的方法是用主機轉(zhuǎn)速作為補償參數(shù)，對比例閥開口 按照經(jīng)驗值做補償。這種方法屬于開環(huán)控制，會隨著環(huán)境的改變?nèi)缪罅?、機械阻尼、液壓系 統(tǒng)包括油路阻尼等因素導致轉(zhuǎn)舵速度的不均衡。發(fā)明內(nèi)容[0003]本實用新型的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種角度信號控制的恒速轉(zhuǎn) 舵伺服裝置，適于遠距離信號傳輸。[0004]本實用新型的目的通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)[0005]角度信號控制的恒速轉(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)舵液壓馬達固定于法蘭上，轉(zhuǎn)舵液壓 馬達的輸出軸與行星減速器的輸入軸驅(qū)動連接，行星減速器的輸出軸上安裝主動小齒輪， 主動小齒輪與回轉(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)舵液壓馬達的油路回路中。[0006]進一步地，上述的角度信號控制的恒速轉(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]更進一步地，上述的角度信號控制的恒速轉(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]本實用新型技術(shù)方案突出的實質(zhì)性特點和顯著的進步主要體現(xiàn)在[0009]本實用新型采用旋轉(zhuǎn)編碼器更適于遠距離傳輸，利用舵角反饋系統(tǒng)計算出實際的 轉(zhuǎn)舵速度，再根據(jù)技術(shù)要求的轉(zhuǎn)速對比例閥的開度進行實時調(diào)節(jié)，為防止超調(diào)和隨動性差 需要給一個合適的補償，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)實船測試性 能完全滿足設(shè)計要求。舵槳轉(zhuǎn)舵速度是通過控制比例閥開度實現(xiàn)，同時又受洋流、機械阻 尼、機械慣量、液壓管路阻力等諸多方面的影響，調(diào)試人員在對控制系統(tǒng)有一個充分了解的 基礎(chǔ)上配合一個適合的比例系數(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 方式，因此有較模擬量信號更強的糾錯能力和判斷傳輸故障的能力。無磨損，長運行壽命， 采用電流傳輸方式，實現(xiàn)長距離的信號傳遞。


[0010]
以下結(jié)合附圖對本實用新型技術(shù)方案作進一步說明[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。
具體實施方式
[0013]如圖1所示，角度信號控制的恒速轉(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2 固定于法蘭上，轉(zhuǎn)舵液壓馬達2的輸出軸與行星減速器3的輸入軸驅(qū)動連接，行星減速器3 的輸出軸上安裝主動小齒輪4，主動小齒輪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，為內(nèi)阻較高的電壓信號，所以抗干擾性不夠理想，特別是遠距離傳送；判斷故障是用電壓判斷，人為將抽頭信號限制在一定區(qū)域，如果抽頭斷線由于輸入端存在電容，一方面有可能電壓長時間不會飄到范圍外，而無法報警，另一方面由于信號范圍變小而影響了測量精度。采用旋轉(zhuǎn)編碼器作為角度信號，即把角度信號先變成數(shù)字信號，再通過內(nèi)部D/A轉(zhuǎn)換變成模擬信號，再輸出4-20mA電流信號。單抽頭輸出，僅占用一個模擬通道，硬件開支較小。旋轉(zhuǎn)編碼器屬于非接觸型，使用壽命較傳統(tǒng)電位器遠遠加大，僅受軸承的影響。由于是4-20mA標準信號，硬件選擇非常靈活，判斷故障也非常簡單，只要判斷電 流小于4mA即可判為故障，電流信號也適于遠距離傳輸信號。[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械0°，并把該值存入控制單元(計算機或PLC等包含具有運算能力的微處理芯器片)的FLASH中，以保證掉電時能保存設(shè)置。確定Γ20πιΑ的范圍，由于元器件的離散性(旋轉(zhuǎn)編碼電位器和計算機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的運算功能。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出轉(zhuǎn)變成PLC能夠接受的數(shù)字量，經(jīng)PLC采樣的信號通過函數(shù)運算得到所需要的轉(zhuǎn)舵速度，并通過微分模塊計算出轉(zhuǎn)舵速度。再通過PLC控制單元的PID模塊調(diào)節(jié)比例閥的開度，實現(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、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)學運算能力。將舵角指令(轉(zhuǎn)舵手柄信號)和舵角反饋(實際舵槳位置信號) 做差值運算，再把舵角反饋信號做一個對時間的微分變換計算出轉(zhuǎn)舵速度。再根據(jù)得出的轉(zhuǎn)舵速度指令和實際轉(zhuǎn)舵速度的差異調(diào)整控制液壓馬達流量的比例閥，從而達到穩(wěn)定轉(zhuǎn)舵速度的結(jié)果。[0018]角度信號控制的恒速轉(zhuǎn)舵伺服裝置的控制方法，通過控制比例閥I開度調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)舵液壓馬達2的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)舵液壓馬達2的輸出軸轉(zhuǎn)速經(jīng)行星減速器3減速后驅(qū)動主動小齒輪4旋轉(zhuǎn)，主動小齒輪4與回轉(zhuǎn)大齒輪5嚙合從而驅(qū)動轉(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檢測減速齒輪8的轉(zhuǎn)速作為舵槳舵角反饋信號(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將檢測到的舵 槳舵角反饋信號反饋到PLC控制單元10 ；[0019]PLC控制單元10對操縱手柄舵角指令和舵槳舵角反饋信號通過其AD模塊采樣由 PLC控制單元做減法運算；減法運算的差值由PLC控制單元的邏輯判斷功能做分類當差值 小于死區(qū)值則轉(zhuǎn)舵速度指令輸出為零，當差值在死區(qū)值與設(shè)定的減速區(qū)域值之間時轉(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 的時間常數(shù))，當差值大于設(shè)定的減速區(qū)域值時轉(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讀進PLC控制單元，算出單位時間舵槳的變化 量，即實際轉(zhuǎn)舵速度；將轉(zhuǎn)舵速度指令和實際轉(zhuǎn)舵速度在PLC控制單元運算器中做減法運 算，并把結(jié)果除以比例系數(shù)(系數(shù)是PID控制中積分的時間常數(shù))，作為比例閥開度的補償值 與當前的比例閥開度相加，作為下一個時間段的比例閥開度；通過PLC控制單元的PID模塊 調(diào)節(jié)比例閥的開度，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)舵液壓馬達的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)穩(wěn)定舵槳的轉(zhuǎn)舵速度。由于上述過程屬 于積分控制，所以對于系統(tǒng)的不穩(wěn)定造成的轉(zhuǎn)舵速度的波動有過濾作用。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控制單元計算轉(zhuǎn)舵速度指令，另一路經(jīng)PLC控制單元微分計算出實際轉(zhuǎn)舵速度。將轉(zhuǎn)舵 速度指令與實際轉(zhuǎn)舵速度比較后把差值積分除以系數(shù)，作為比例閥的補償量與之前的比例 閥開度相加得出當前的比例閥開度，最終控制轉(zhuǎn)舵液壓馬達的轉(zhuǎn)速。由于采用了積分，有效 的穩(wěn)定了采樣時信號的干擾和海上浪涌及舵槳本身的不確定因素造成的抖動。使舵槳能按 照設(shè)定的轉(zhuǎn)舵速度跟隨手柄指令轉(zhuǎn)至目標值。[0022]轉(zhuǎn)舵指令與反饋之間差值達到一定值時，則轉(zhuǎn)舵速度要求以一個恒定的旋速旋 轉(zhuǎn)；當小于此值時，即進入減速區(qū)，則旋速根據(jù)差值的減少按照比例減??；直到進入死區(qū)， 使槳完全停轉(zhuǎn)；死區(qū)是防止過沖，也是為防止信號干擾造成的比例閥頻繁開關(guān)；這在以往 的設(shè)計中所必需的；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)可以比比例閥進一步減小。[0023]當手柄與舵槳反饋信號之間的存在差異，并且差異較大時，舵槳將以一個恒定的 轉(zhuǎn)速向減小偏差的方向轉(zhuǎn)舵，為了保證轉(zhuǎn)舵的恒定，不受主機轉(zhuǎn)速的影響，系統(tǒng)在轉(zhuǎn)舵過 程中實時監(jiān)測轉(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調(diào)整比例閥的開 度，從而控制舵槳的轉(zhuǎn)舵速度。[0024]綜上所述，采用旋轉(zhuǎn)編碼器更適于遠距離傳輸，利用舵角反饋系統(tǒng)計算出實際的 轉(zhuǎn)舵速度，再根據(jù)技術(shù)要求的轉(zhuǎn)速對比例閥的開度進行實時調(diào)節(jié)，為防止超調(diào)和隨動性差 需要給一個合適的補償，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)實船測試性 能完全滿足設(shè)計要求。舵槳轉(zhuǎn)舵速度是通過控制比例閥開度實現(xiàn)，同時又受洋流、機械阻 尼、機械慣量、液壓管路阻力等諸多方面的影響，調(diào)試人員在對控制系統(tǒng)有一個充分了解的 基礎(chǔ)上配合一個適合的比例系數(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等校驗方式，因此有較模擬量信號更強的糾錯能力和判斷傳輸故障的能力。無磨損，長運行壽命， 采用電流傳輸方式，實現(xiàn)長距離的信號傳遞。[0025]需要理解到的是以上所述僅是本實用新型的優(yōu)選實施方式，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技 術(shù)人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以作出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本實用新型的保護范圍。
權(quán)利要求1.角度信號控制的恒速轉(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)舵液壓馬達固定于法蘭上，轉(zhuǎn)舵液壓馬達的輸出軸與行星減速器的輸入軸驅(qū)動連接，行星減速器的輸出軸上安裝主動小齒輪，主動小齒輪與回轉(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)舵液壓馬達的油路回路中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的角度信號控制的恒速轉(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。
專利摘要本實用新型涉及角度信號控制的恒速轉(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)舵液壓馬達固定于法蘭上，轉(zhuǎn)舵液壓馬達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小齒輪，主動小齒輪與回轉(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)舵液壓馬達的油路回路中。將舵角指令和舵角反饋做差值運算，將舵角反饋信號做對時間的微分變換計算出轉(zhuǎn)舵速度，根據(jù)轉(zhuǎn)舵速度指令和實際轉(zhuǎn)舵速度的差異調(diào)整比例閥。
文檔編號B63H25/28GK202828082SQ20122047223
公開日2013年3月27日 申請日期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 申請人:蘇州船用動力系統(tǒng)股份有限公司