CN102849201A - 角度信号控制的恒速转舵伺服装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及角度信号控制的恒速转舵伺服装置及控制方法，转舵立柱旋转支撑于法兰上，转舵立柱的下部固定下齿轮箱，转舵立柱的上部安装回转大齿轮，转舵液压马达固定于法兰上，转舵液压马达的输出轴与行星减速器的输入轴连接，行星减速器的输出轴上安装主动小齿轮，主动小齿轮与回转大齿轮相啮合，回转大齿轮还与减速齿轮相啮合，减速齿轮上布置有旋转编码器，旋转编码器与舵角指示器和PLC控制单元通讯连接，PLC控制单元与操纵手柄上的电位器和比例阀控制连接，比例阀位于转舵液压马达的油路回路中。将舵角指令和舵角反馈做差值运算，将舵角反馈信号做对时间的微分变换计算出转舵速度，根据转舵速度指令和实际转舵速度的差异调整比例阀。

Description

角度信号控制的恒速转舵伺服装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及船用推进器，尤其涉及角度信号控制的恒速转舵伺服装置及其控制方法。

背景技术

舵桨转舵方式之一是采用机带泵即由主机直接拖动的液压泵，受主机速度的影响，会随主机速度的加快而加快。特别是在船舶高速行驶时，较快的转舵速度容易导致严重的安全隐患。一直以来，各舵桨厂家常用的方法是用主机转速作为补偿参数，对比例阀开口按照经验值做补偿。这种方法属于开环控制，会随着环境的改变如洋流、机械阻尼、液压***包括油路阻尼等因素导致转舵速度的不均衡。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种角度信号控制的恒速转舵伺服装置及其控制方法，适于远距离信号传输。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

角度信号控制的恒速转舵伺服装置，转舵立柱旋转支撑于法兰上，转舵立柱的下部固定下齿轮箱，转舵立柱的上部安装回转大齿轮，转舵液压马达固定于法兰上，转舵液压马达的输出轴与行星减速器的输入轴驱动连接，行星减速器的输出轴上安装主动小齿轮，主动小齿轮与回转大齿轮相啮合，回转大齿轮还与减速齿轮相啮合，其特征在于：所述减速齿轮上布置有旋转编码器，旋转编码器与舵角指示器和PLC控制单元通讯连接，PLC控制单元与操纵手柄上的电位器和比例阀控制连接，比例阀位于转舵液压马达的油路回路中。

进一步地，上述的角度信号控制的恒速转舵伺服装置，其中，所述旋转编码器为R36系列霍尔编码器。

更进一步地，上述的角度信号控制的恒速转舵伺服装置，其中，所述旋转编码器为R36A模拟量霍尔编码器。

本发明角度信号控制的恒速转舵伺服装置的控制方法，通过控制比例阀开度调节转舵液压马达的转速，转舵液压马达的输出轴转速经行星减速器减速后驱动主动小齿轮旋转，主动小齿轮与回转大齿轮啮合从而驱动转舵立柱旋转，回转大齿轮的转速并传递到减速齿轮，由旋转编码器检测减速齿轮的转速作为舵桨舵角反馈信号，旋转编码器将检测到的舵桨舵角反馈信号反馈到PLC控制单元； 

PLC控制单元对操纵手柄舵角指令和舵桨舵角反馈信号通过其AD模块采样由PLC控制单元做减法运算；减法运算的差值由PLC控制单元的逻辑判断功能做分类：当差值小于死区值则转舵速度指令输出为零，当差值在死区值与设定的减速区域值之间时转舵速度指令输出与差值成正比，即转舵速度指令输出为差值乘以系数，当差值大于设定的减速区域值时转舵速度指令输出为恒值，即为设定的转舵速度；

旋转编码器采样舵桨舵角反馈信号读进PLC控制单元，算出单位时间舵桨的变化量，即实际转舵速度；将转舵速度指令和实际转舵速度在PLC控制单元运算器中做减法运算，并把结果除以比例系数，作为比例阀开度的补偿值与当前的比例阀开度相加，作为下一个时间段的比例阀开度；通过PLC控制单元的PID模块调节比例阀的开度，调节转舵液压马达的转速，实现稳定舵桨的转舵速度。

本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：

本发明采用旋转编码器更适于远距离传输，利用舵角反馈***计算出实际的转舵速度，再根据技术要求的转速对比例阀的开度进行实时调节，为防止超调和随动性差需要给一个合适的补偿，允许调试人员根据不同的桨给予不同的惯性参数，经实船测试性能完全满足设计要求。舵桨转舵速度是通过控制比例阀开度实现，同时又受洋流、机械阻尼、机械惯量、液压管路阻力等诸多方面的影响，调试人员在对控制***有一个充分了解的基础上配合一个适合的比例系数和积分微分等参数，可以将***调整到最佳状况。由于内部为数字内核，所以具有更强的抗干扰能力；如果采用数字传输方式，由于采用CRC等校验方式，因此有较模拟量信号更强的纠错能力和判断传输故障的能力。无磨损，长运行寿命，采用电流传输方式，实现长距离的信号传递。

附图说明

下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：

图1：恒速转舵伺服装置的构造示意图；

图2：图1中A部的局部放大示意图。

具体实施方式

如图1所示，角度信号控制的恒速转舵伺服装置，转舵立柱6旋转支撑于法兰上，转舵立柱6的下部固定下齿轮箱7，转舵立柱6的上部安装回转大齿轮5，转舵液压马达2固定于法兰上，转舵液压马达2的输出轴与行星减速器3的输入轴驱动连接，行星减速器3的输出轴上安装主动小齿轮4，主动小齿轮4与回转大齿轮5相啮合，如图2所示，回转大齿轮5还与减速齿轮8相啮合，减速齿轮8上布置有旋转编码器9，旋转编码器采用R36系列霍尔编码器，优选R36A模拟量霍尔编码器。旋转编码器9与舵角指示器11和PLC控制单元10通讯连接，PLC控制单元10包含有AD模块和PID模块，PLC控制单元10与操纵手柄12上的电位器和比例阀1控制连接，比例阀1位于转舵液压马达2的油路回路中。

旋转编码器9不同于传统的双抽头电位器。双抽头电位器需要两个模拟通道，占用了***的硬件资源；由于取出的是电位器抽头信号，为内阻较高的电压信号，所以抗干扰性不够理想，特别是远距离传送；判断故障是用电压判断，人为将抽头信号限制在一定区域，如果抽头断线由于输入端存在电容，一方面有可能电压长时间不会飘到范围外，而无法报警，另一方面由于信号范围变小而影响了测量精度。采用旋转编码器作为角度信号，即把角度信号先变成数字信号，再通过内部D/A转换变成模拟信号，再输出4-20mA电流信号。单抽头输出，仅占用一个模拟通道，硬件开支较小。旋转编码器属于非接触型，使用寿命较传统电位器远远加大，仅受轴承的影响。由于是4-20mA标准信号，硬件选择非常灵活，判断故障也非常简单，只要判断电流小于4mA即可判为故障，电流信号也适于远距离传输信号。

控制方式用4~20mA表示0~360°（或-180~180°）并且可以把4~20mA范围内任意一电流值作为机械0°，并把该值存入控制单元（计算机或PLC等包含具有运算能力的微处理芯器片）的FLASH中，以保证掉电时能保存设置。确定4~20mA的范围，由于元器件的离散性（旋转编码电位器和计算机模拟通道的不一致性），并把不一致性保存在***的FLASH中。

伺服装置采用PLC作为控制单元，PLC控制单元除具有逻辑控制能力外还具有较强的运算功能。使用PLC控制单元所配的AD模块可以将指令和反馈的舵角模拟量检测出转变成PLC能够接受的数字量，经PLC采样的信号通过函数运算得到所需要的转舵速度，并通过微分模块计算出转舵速度。再通过PLC控制单元的PID模块调节比例阀的开度，实现转舵速度的控制。

采用通常的PLC控制单元或者单片机、嵌入式***等带有CPU的控制单元，控制单元具有一定的数学运算能力。将舵角指令（转舵手柄信号）和舵角反馈（实际舵桨位置信号）做差值运算，再把舵角反馈信号做一个对时间的微分变换计算出转舵速度。再根据得出的转舵速度指令和实际转舵速度的差异调整控制液压马达流量的比例阀，从而达到稳定转舵速度的结果。

角度信号控制的恒速转舵伺服装置的控制方法，通过控制比例阀1开度调节转舵液压马达2的转速，转舵液压马达2的输出轴转速经行星减速器3减速后驱动主动小齿轮4旋转，主动小齿轮4与回转大齿轮5啮合从而驱动转舵立柱6旋转，回转大齿轮5的转速并传递到减速齿轮8，由旋转编码器9检测减速齿轮8的转速作为舵桨舵角反馈信号（因减速齿轮与转舵齿轮的速比是1：1，所以可以反映舵桨的舵角），旋转编码器9将检测到的舵桨舵角反馈信号反馈到PLC控制单元10； 

PLC控制单元10对操纵手柄舵角指令和舵桨舵角反馈信号通过其AD模块采样由PLC控制单元做减法运算；减法运算的差值由PLC控制单元的逻辑判断功能做分类：当差值小于死区值则转舵速度指令输出为零，当差值在死区值与设定的减速区域值之间时转舵速度指令输出与差值成正比，即转舵速度指令输出为差值乘以系数（系数是PID控制中积分的时间常数），当差值大于设定的减速区域值时转舵速度指令输出为恒值，即为设定的转舵速度；

旋转编码器采样舵桨舵角反馈信号读进PLC控制单元，算出单位时间舵桨的变化量，即实际转舵速度；将转舵速度指令和实际转舵速度在PLC控制单元运算器中做减法运算，并把结果除以比例系数（系数是PID控制中积分的时间常数），作为比例阀开度的补偿值与当前的比例阀开度相加，作为下一个时间段的比例阀开度；通过PLC控制单元的PID模块调节比例阀的开度，调节转舵液压马达的转速，实现稳定舵桨的转舵速度。由于上述过程属于积分控制，所以对于***的不稳定造成的转舵速度的波动有过滤作用。调节系数可以使***适应不同的惯性***。

舵角反馈经PLC控制单元的AD模块采样到PLC控制单元，一路与舵角指令比较由PLC控制单元计算转舵速度指令，另一路经PLC控制单元微分计算出实际转舵速度。将转舵速度指令与实际转舵速度比较后把差值积分除以系数，作为比例阀的补偿量与之前的比例阀开度相加得出当前的比例阀开度，最终控制转舵液压马达的转速。由于采用了积分，有效的稳定了采样时信号的干扰和海上浪涌及舵桨本身的不确定因素造成的抖动。使舵桨能按照设定的转舵速度跟随手柄指令转至目标值。

转舵指令与反馈之间差值达到一定值时，则转舵速度要求以一个恒定的旋速旋转；当小于此值时，即进入减速区，则旋速根据差值的减少按照比例减小；直到进入死区，使桨完全停转；死区是防止过冲，也是为防止信号干扰造成的比例阀频繁开关；这在以往的设计中所必需的；由于比例阀有减速区域，因此比例阀的死区比开关阀减小很多，而在伺服***中由于控制更为精确，所以死区可以比比例阀进一步减小。

当手柄与舵桨反馈信号之间的存在差异，并且差异较大时，舵桨将以一个恒定的转速向减小偏差的方向转舵，为了保证转舵的恒定，不受主机转速的影响，***在转舵过程中实时监测转舵位置和转舵速度，并利用其与转舵指令比较用偏差值来调整比例阀的开度，从而控制舵桨的转舵速度。

综上所述，采用旋转编码器更适于远距离传输，利用舵角反馈***计算出实际的转舵速度，再根据技术要求的转速对比例阀的开度进行实时调节，为防止超调和随动性差需要给一个合适的补偿，允许调试人员根据不同的桨给予不同的惯性参数，经实船测试性能完全满足设计要求。舵桨转舵速度是通过控制比例阀开度实现，同时又受洋流、机械阻尼、机械惯量、液压管路阻力等诸多方面的影响，调试人员在对控制***有一个充分了解的基础上配合一个适合的比例系数和积分微分等参数，可以将***调整到最佳状况。由于内部为数字内核，所以具有更强的抗干扰能力；如果采用数字传输方式，由于采用CRC等校验方式，因此有较模拟量信号更强的纠错能力和判断传输故障的能力。无磨损，长运行寿命，采用电流传输方式，实现长距离的信号传递。

需要理解到的是：以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1. 角度信号控制的恒速转舵伺服装置，转舵立柱旋转支撑于法兰上，转舵立柱的下部固定下齿轮箱，转舵立柱的上部安装回转大齿轮，转舵液压马达固定于法兰上，转舵液压马达的输出轴与行星减速器的输入轴驱动连接，行星减速器的输出轴上安装主动小齿轮，主动小齿轮与回转大齿轮相啮合，回转大齿轮还与减速齿轮相啮合，其特征在于：所述减速齿轮上布置有旋转编码器，旋转编码器与舵角指示器和PLC控制单元通讯连接，PLC控制单元与操纵手柄上的电位器和比例阀控制连接，比例阀位于转舵液压马达的油路回路中。

2.根据权利要求1所述的角度信号控制的恒速转舵伺服装置，其特征在于：所述旋转编码器为R36系列霍尔编码器。

3.根据权利要求1或2所述的角度信号控制的恒速转舵伺服装置，其特征在于：所述旋转编码器为R36A模拟量霍尔编码器。

4.权利要求1所述的角度信号控制的恒速转舵伺服装置的控制方法，其特征在于：通过控制比例阀开度调节转舵液压马达的转速，转舵液压马达的输出轴转速经行星减速器减速后驱动主动小齿轮旋转，主动小齿轮与回转大齿轮啮合从而驱动转舵立柱旋转，回转大齿轮的转速并传递到减速齿轮，由旋转编码器检测减速齿轮的转速作为舵桨舵角反馈信号，旋转编码器将检测到的舵桨舵角反馈信号反馈到PLC控制单元；

PLC控制单元对操纵手柄舵角指令和舵桨舵角反馈信号通过其AD模块采样由PLC控制单元做减法运算；减法运算的差值由PLC控制单元的逻辑判断功能做分类：当差值小于死区值则转舵速度指令输出为零，当差值在死区值与设定的减速区域值之间时转舵速度指令输出与差值成正比，即转舵速度指令输出为差值乘以系数，当差值大于设定的减速区域值时转舵速度指令输出为恒值，即为设定的转舵速度；

旋转编码器采样舵桨舵角反馈信号读进PLC控制单元，算出单位时间舵桨的变化量，即实际转舵速度；将转舵速度指令和实际转舵速度在PLC控制单元运算器中做减法运算，并把结果除以比例系数，作为比例阀开度的补偿值与当前的比例阀开度相加，作为下一个时间段的比例阀开度；通过PLC控制单元的PID模块调节比例阀的开度，调节转舵液压马达的转速，实现稳定舵桨的转舵速度。

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