船舶舵机系统及船舶舵机系统的操舵控制方法
【专利摘要】本发明涉及船舶舵机技术领域，具体提供了一种船舶舵机系统及船舶舵机系统的操舵控制方法。本发明提供的船舶舵机系统包括控制器、电机驱动器、伺服电机、与所述伺服电机的输出轴同轴设置的制动器、减速器、齿轮传动机构、舵叶、舵叶位置编码器，采用舵叶位置编码器实时检测舵叶的舵角及舵速，并采用控制器及电机驱动器进行精确控制，采用伺服电机通过减速器及齿轮传动机构提供动力，此外制动器可以实现快速有效的制动。本发明提供船舶舵机系统及船舶舵机系统的操舵控制方法，采用全电力驱动方式代替传统的电液伺服驱动方式，可以提高船舶舵机系统的精度、简单性和可靠性。
【专利说明】
船舶舵机系统及船舶舵机系统的操舵控制方法
技术领域
[0001]本发明涉及船舶舵机技术领域，具体涉及一种船舶舵机系统及船舶舵机系统的操舵控制方法。
【背景技术】
[0002]目前船舶舵机系统通常采用电液伺服驱动方式。这种驱动方式虽然具有输出力矩大、系统体积小、时间常数小等优点，但是也存在一些缺点。首先，液压元件的制造工艺要求较高，相同输出功率下电液伺服系统成本高于电驱动系统;其次，液压油的质量，如纯净度和粘度等对电液伺服系统工作状态有很大影响，所以电液伺服系统本身的调试和维护也较电驱动系统复杂；同时，液压油的工作特性在很大程度上受温度的影响，从而影响了系统的控制精度。
[0003]近些年来，随着船舶全电力推进的迅速发展，船载能源类型日趋单一，船舶电驱动舵机系统的研究处于方兴未艾之势，那么，如何实现低成本、高精度、简便可靠地电驱动舵机系统成为当前亟待解决的问题之一。
【发明内容】
[0004]针对现有技术中的缺陷，本发明提供船舶舵机系统及船舶舵机系统的操舵控制方法，以提高船舶舵机系统的精度、简单性和可靠性。
[0005]第一方面，本发明提供的船舶舵机系统，包括:
[0006]控制器、电机驱动器、伺服电机、与所述伺服电机的输出轴同轴设置的制动器、减速器、齿轮传动机构、舵叶、舵叶位置编码器；
[0007]所述控制器用于:根据接收到的给定航向信息、控制指令、舵角信号及舵速信号，输出电机控制信号给所述电机驱动器或输出制动信号给所述制动器；
[0008]所述电机驱动器用于:根据所述控制器发送的所述电机控制信号驱动所述伺服电机；
[0009]所述制动器用于:根据所述控制器发送的制动信号，对所述伺服电机进行制动操作；
[0010]所述伺服电机用于:经过所述减速器及所述齿轮传动机构将所述伺服电机的动力传递给所述舵叶，使所述舵叶沿其转轴转动；
[0011]所述舵叶位置编码器用于:实时检测舵叶的舵角及舵速，并将舵角信号和舵速信号发送给所述控制器。
[0012]由上述技术方案可知，本发明提供的船舶舵机系统，采用全电力驱动方式代替传统的电液伺服驱动方式，可以简化舰载能源设备，不必再配备专用的液压油源，有效的降低系统成本，同时节省了船上有限的空间。电驱动系统结构比液压驱动系统更加简化，设备更具通用性，同时避免了漏油的问题，也不会产生液压油受温度的影响而影响系统的控制精度的问题，维护和保养也比较方便。此外，采用舵叶位置编码器实时检测舵叶的舵角及舵速，并采用控制器及电机驱动器进行精确控制，采用伺服电机提供动力，具备较高的准确度和响应速度，提高了船舶舵机系统的精度。伺服电机通过减速器及齿轮传动机构，实现由高速小转矩向低速大转矩的转变，可以提供足够的动力。在制动时制动器可以实现快速有效的制动，增加了船舶舵机系统的安全性和控制精度。因此，本发明的船舶舵机系统具有较高的精度、简单性和可靠性。
[0013]作为本发明的进一步改进，所述船舶舵机系统还包括，限位接近开关:设置在所述舵叶处，用于判断舵角是否大于预设值，若大于预设值，则将报警信号发送给所述控制器，所述控制器根据所述报警信号向所述电机驱动器发送电机反向输出信号，所述电机驱动器控制所述伺服电机反向输出动力。采用限位接近开关设置在舵叶处，判断舵角是否大于预设值，当舵角大于该预设值时，触发限位接近开关，发送报警信号，并控制伺服电机反向输出动力，可防止舵角超调、或系统故障等问题对船舶舵机系统造成损坏，提高系统的可靠性。
[0014]作为本发明的进一步改进，所述船舶舵机系统还包括，位置传感器:用于监测所述伺服电机转子的实时转角，伺服电机的转子位置检测和初始定位，并发送给所述控制器及所述电机驱动器，所述控制器检验伺服电机转子是否依照电机控制信号旋转预定转角，并根据实时转角与预定转角的差值进行位置补偿，所述电机驱动器判断实时转角是否超过转角的极限值，若超过则对所述伺服电机进行相应的保护操作。实时监测所述伺服电机转子的实时转角，并对实时转角与预定转角的差值进行位置补偿，可以减小海浪干扰舵叶或其他干扰导致的位置偏差，可以提高船舶舵机系统位置控制的精度。此外，电机驱动器判断实时转角是否超过转角的极限值，若超过则对伺服电机进行相应的保护操作，可以提高船舶舵机系统的可靠性，确保系统的安全。
[0015]作为本发明的进一步改进，所述船舶舵机系统还包括，电流传感器:用于监测所述伺服电机的实时电流，并将电流信号发送给所述控制器及所述电机驱动器，所述控制器根据实时电流与预定电流的差值进行电流补偿，所述电机驱动器判断实时电流是否超过电流的极限值，若超过则对所述伺服电机进行相应的保护操作。实时监测所述伺服电机的实时电流，并对实时电流与预定电流的差值进行电流补偿，修正偏差，提高对伺服电机电流控制的准确度，可以提高船舶舵机系统位置控制的精度。此外，电机驱动器判断实时电流是否超过预设的电流极限值，若超过则对伺服电机进行相应的保护操作，防止伺服电机的电流过大造成烧毁，可以提高船舶舵机系统的可靠性，确保系统的安全。
[0016]作为本发明的进一步改进，所述船舶舵机系统还包括，扭矩传感器:用于监测所述伺服电机的实时转速和实时转矩，并发送给所述控制器及所述电机驱动器，所述控制器根据所述伺服电机根据实时转速和实时转矩与预定转速和转矩的差值进行转速补偿和转矩补偿，所述电机驱动器判断实时转速和实时转矩是否超过相应的极限值，若超过则对所述伺服电机进行相应的保护操作。实时监测所述伺服电机的实时转速和实时转矩，并对实时转速和实时转矩与预定转速和转矩的差值进行转速补偿和转矩补偿，修正偏差，提高对伺服电机转速和转矩控制的准确度，可以提高船舶舵机系统位置控制的精度。此外，电机驱动器判断实时转速和实时转矩是否超过预设的极限值，若超过则对伺服电机进行相应的保护操作，防止伺服电机的超速或长期堵转造成电机的损坏，可以提高船舶舵机系统的可靠性，确保系统的安全。
[0017]第二方面，本发明提供的船舶舵机系统的操舵控制方法，包括:
[0018]所述舵叶位置编码器实时检测舵角及舵速，并将舵角信号及舵速信号发送给所述控制器；
[0019]所述控制器根据接收给定航向信息、控制指令及所述舵叶位置编码器发送的所述舵角信号和舵速信号，生成电机控制信号并输出给所述电机驱动器；
[0020]所述电机驱动器根据所述电机控制信号控制所述伺服电机运转，经过所述减速器和所述齿轮传动机构，将所述伺服电机的动力传递给所述舵叶，使所述舵叶沿其转轴转动；
[0021]当所述舵角接近目标舵角时，所述控制器向所述电机驱动器发出电机停转信号，同时向所述制动器发送制动信号，所述电机驱动器根据所述电机停转信号控制所述伺服电机停转，所述制动器根据所述制动信号对所述伺服电机进行制动操作。
[0022]由上述技术方案可知，本发明提供的船舶舵机系统的操舵控制方法，采用舵叶位置编码器实时检测舵叶的舵角及舵速，控制器基于接收给定航向信息、控制指令及所述舵叶位置编码器发送的所述舵角信号和舵速信号生成电机控制信号，同时可根据实时舵角及舵速与控制信号的偏差进行修正，因此更为精准；同时采用电机驱动器进行精确控制伺服电机，具备较高的准确度和响应速度，进一步提高了船舶舵机系统的控制精度;伺服电机通过减速器及齿轮传动机构，实现由高速小转矩向低速大转矩的转变，可以提供足够的动力；当舵角接近目标舵角时，控制器向电机驱动器发出电机停转信号，同时向制动器发送制动信号，伺服电机停转，同时制动器对所述伺服电机进行制动操作，可以实现快速有效的制动，增加了船舶舵机系统的控制精度和安全性。因此，本发明的船舶舵机系统的操舵控制方法具有较高的控制精度、简单性和可靠性。
[0023]作为本发明的进一步改进，所述控制器生成电机控制信号采用分段滑模变结构控制算法，对于目标舵角和实际舵角间差值的不同情况预设不同滑模段的控制方案;所述控制器由给定航向信息、控制指令计算目标舵角，根据目标舵角和实际舵角的差值选择滑模段控制方案，并输出该控制方案对应的电机控制信号。控制器生成电机控制信号的步骤采用分段滑模变结构控制算法，该算法根据目标舵角和实际舵角的差值，选取不同的滑模段的控制算法进行控制，在不同的滑模段可达到不同阶段的控制目标，滑模变结构控制能够较好满足系统的动静态性能和强鲁棒性，能够使系统具有较高的抗干扰能力，且算法简单，响应速度快。
[0024]作为本发明的进一步改进，在所述舵叶处设置的限位接近开关，监测并判断舵角是否大于预设值，若大于预设值，则发送报警信号给所述控制器;所述控制器根据所述报警信号向所述电机驱动器发送电机反向输出信号，所述电机驱动器控制所述伺服电机反向输出动力。采用限位接近开关判断舵角是否大于预设值，当舵角大于该预设值时，触发限位接近开关，发送报警信号，并控制伺服电机反向输出动力，可防止舵角超调、或系统故障等问题对船舶舵机系统造成损坏，提高系统的可靠性。
[0025]作为本发明的进一步改进，所述控制器接收所述电流传感器、扭矩传感器和位置传感器发送的所述伺服电机的实时电流、实时转速、实时转矩和转子的实时转角的信号，并与相应的预定值进行对比，并进行相应的补偿控制。通过传感器实时监测，传感器根据实时监测值与控制信号的预定值的偏差进行修正补偿，可以减小海浪干扰舵叶或其他干扰导致的系统偏差，保证操舵过程平稳、无振荡，可以提高船舶舵机系统操舵控制的精度。
[0026]作为本发明的进一步改进，所述电机驱动器接收所述电流传感器、扭矩传感器和位置传感器发送的所述伺服电机的实时电流、实时转速、实时转矩和转子的实时转角的信号，并与相应的极限值进行对比，若其中至少一项超过极限值则对所述伺服电机进行相应的保护操作。电机驱动器对伺服电机的实时参数与预设的相应极限值对比，当某一项参数超过极限值，则对伺服电机进行相应的保护操作，防止伺服电机的转角超调、过电流、超速或长期堵转造成电机的损坏，可以提高船舶舵机系统操舵控制的可靠性，确保系统的安全。
【附图说明】
[0027]为了更清楚地说明本发明【具体实施方式】或现有技术中的技术方案，下面将对【具体实施方式】或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
[0028]图1示出了本发明第一实施例所提供的一种船舶舵机系统的结构框图；
[0029]图2示出了本发明第一实施例所提供的一种船舶舵机系统的示意图；
[0030]图3示出了本发明第二实施例所提供的一种船舶舵机系统的操舵控制方法的流程图。
【具体实施方式】
[0031]下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只是作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0032]需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
[0033]实施例一
[0034]图1示出了本发明第一实施例所提供的一种船舶舵机系统结构框图，图2示出了本发明第一实施例所提供的一种船舶舵机系统的示意图。如图1和图2所示，根据本发明第一实施例的船舶舵机系统包括:
[0035]控制器10、电机驱动器20、伺服电机30、与伺服电机30的输出轴同轴设置的制动器40、减速器50、齿轮传动机构60、舵叶70、舵叶位置编码器80。
[0036]控制器10用于:根据接收到的给定航向信息、控制指令、舵角信号及舵速信号，输出电机控制信号给电机驱动器20或输出制动信号给制动器40;
[0037]电机驱动器20用于:根据控制器10发送的电机控制信号驱动伺服电机30;
[0038]制动器40用于:根据控制器10发送的制动信号，对伺服电机30进行制动操作；
[0039]伺服电机30用于:经过减速器50及齿轮传动机构60将伺服电机30的动力传递给舵叶70，使舵叶70沿其转轴转动；
[0040]舵叶位置编码器80用于:实时检测舵叶70的舵角及舵速，并将舵角信号和舵速信号发送给控制器10。
[0041]由上述技术方案可知，本发明提供的船舶舵机系统，采用全电力驱动方式代替传统的电液伺服驱动方式，可以简化舰载能源设备，不必再配备专用的液压油源，有效的降低系统成本，同时节省了船上有限的空间。电驱动系统结构比液压驱动系统更加简化，设备更具通用性，同时避免了漏油的问题，也不会产生液压油受温度的影响而影响系统的控制精度的问题，维护和保养也比较方便。此外，采用舵叶位置编码器80实时检测舵叶70的舵角及舵速，并采用控制器10及电机驱动器20进行精确控制，采用伺服电机30提供动力，具备较高的准确度和响应速度，提高了船舶舵机系统的精度。伺服电机30通过减速器50及齿轮传动机构60，实现由高速小转矩向低速大转矩的转变，可以提供足够的动力。在制动时制动器40可以实现快速制动，增加了船舶舵机系统的安全性和控制精度。因此，本发明的船舶舵机系统具有较高的精度、简单性和可靠性。
[0042]在上述实施例中，控制器10采用DSP芯片，控制器10内部通过软件编写程序实现相应的控制算法，主要电路包括电源模块、复位模块、时钟模块、D/A转换模块、在线仿真接口和串行通信接口等部分。
[0043]伺服电机30采用永磁同步电机，与减速器50同轴连接实现由高速小转矩向低速大转矩的转变，进而通过齿轮传动机构60，带动舵叶70按照给定指令旋转。
[0044]电机驱动器20采用与伺服电机30配套的伺服驱动器。控制器10输出的电机控制信号，由伺服驱动器外部端子台读入，信号是正负1V之间的模拟电压信号。
[0045]减速器50的减速比为50:1，与伺服电机30通过支座同轴连接，齿轮传动机构60设置于减速器50的输出轴和舵叶70转轴之间，通过传动比为5:1和传动比为4:1的两组齿轮进行传动，并进一步减速。避免了单级减速时对设备需要较大承受能力，以及对零件的工艺要求苛刻，且容易发生故障。
[0046]舵叶位置编码器8采用17-bit增量型编码器对转舵位置进行检测，编码器安装在舵叶70的转轴处，实时反馈舵角信号给控制器10。
[0047I作为本实施例的进一步改进，船舶舵机系统还包括，限位接近开关91:设置在舵叶70处，用于判断舵角是否大于预设值，若大于预设值，则将报警信号发送给控制器10，控制器10根据报警信号向电机驱动器20发送电机反向输出信号，电机驱动器20控制伺服电机30反向输出动力。采用限位接近开关91设置在舵叶70处，判断舵角是否大于预设值，当舵角大于该预设值时，触发限位接近开关91，发送报警信号，并控制伺服电机30反向输出动力，可防止舵角超调、或系统故障等问题对船舶舵机系统造成损坏，提高系统的可靠性。例如，限位接近开关91可安装在95%最大舵角处，当舵叶70转到该点，则触发限位接近开关91，并发送报警信号。
[0048]作为本实施例的进一步改进，船舶舵机系统还包括，位置传感器92:用于监测伺服电机30转子的实时转角，伺服电机30的转子位置检测和初始定位，并发送给控制器10及电机驱动器20，控制器10用于检验伺服电机30转子是否依照电机控制信号旋转预定转角，并根据实时转角与预定转角的差值进行位置补偿，电机驱动器20判断实时转角是否超过转角的极限值，若超过则对伺服电机30进行相应的保护操作。实时监测伺服电机30转子的实时转角，并对实时转角与预定转角的差值进行位置补偿，可以减小海浪干扰舵叶70或其他干扰导致的位置偏差，可以提高船舶舵机系统位置控制的精度。此外，电机驱动器20判断实时转角是否超过转角的极限值，若超过则对伺服电机30进行相应的保护操作，可以提高船舶舵机系统的可靠性，确保系统的安全。
[0049]作为本实施例的进一步改进，船舶舵机系统还包括，电流传感器93:用于监测伺服电机30的实时电流，并将电流信号发送给控制器10及电机驱动器20，控制器10根据实时电流与预定电流的差值进行电流补偿，电机驱动器20判断实时电流是否超过电流的极限值，若超过则对伺服电机30进行相应的保护操作。实时监测伺服电机30的实时电流，并对实时电流与预定电流的差值进行电流补偿，修正偏差，提高对伺服电机30电流控制的准确度，可以提高船舶舵机系统位置控制的精度。此外，电机驱动器20判断实时电流是否超过预设的电流极限值，若超过则对伺服电机30进行相应的保护操作，防止伺服电机30的电流过大造成烧毁，可以提高船舶舵机系统的可靠性，确保系统的安全。电流传感器93可为HAS型电流传感器，传感器连接在驱动器和伺服电机30定子绕组接头之间的线缆上。
[0050]作为本实施例的进一步改进，船舶舵机系统还包括，扭矩传感器94:用于监测伺服电机30的实时转速和实时转矩，并发送给控制器10及电机驱动器20，控制器10根据伺服电机30根据实时转速和实时转矩与预定转速和转矩的差值进行转速补偿和转矩补偿，电机驱动器20判断实时转速和实时转矩是否超过相应的极限值，若超过则对伺服电机30进行相应的保护操作。实时监测伺服电机30的实时转速和实时转矩，并对实时转速和实时转矩与预定转速和转矩的差值进行转速补偿和转矩补偿，修正偏差，提高对伺服电机30转速和转矩控制的准确度，可以提高船舶舵机系统位置控制的精度。此外，电机驱动器器20判断实时转速和实时转矩是否超过预设的极限值，若超过则对伺服电机30进行相应的保护操作，防止伺服电机30的超速或长期堵转造成电机的损坏，可以提高船舶舵机系统的可靠性，确保系统的安全。扭矩传感器94可为CYT-302型扭矩传感器94，并通过配套的F/I转换模块测定转速和转矩，扭矩传感器94与待测电机转子同轴连接。
[0051]此外，本实施例的船舶舵机系统还包括信号采集板卡101，上述各传感器发送给控制器10的信号均由信号采集板卡101进行采集，减少工控器直接接收信号所需要的复杂的布线和复杂的程序等限制，可以实现灵活的、自定义的信号采集系统，使船舶舵机系统具备更好的分工和适应性。此外，信号采集板卡101也可将采集的信号发送给工控机102，在工控机102上实现对船舶舵机系统的监控，控制器10也可从工控机102上读取信号采集板卡101发送的信号。
[0052]工控机102内部可设计多种软件功能，以实现给定参数设置、系统监测和数据处理等功能。例如，参数可包括给定航向、给定舵角、舵机外环控制器10参数等;系统监测部分主要对舵角、舵速、电机电压电流、转矩转速、限位接近信号等报警信号进行实时监测，进而观测舵角的跟踪效果，同时保证系统不会出现过电压、过电流、超速、长期堵转和舵角超调等问题，避免对系统产生不良影响，而不能正常工作;数据处理部分主要实现实验结果分析、历史数据查询和统计等功能。
[0053]实施例二
[0054]图3示出了本发明第二实施例所提供的一种船舶舵机系统的操舵控制方法的流程图。如图3所示，根据本发明第二实施例的船舶舵机系统的操舵控制方法，包括:
[0055]S100、舵叶位置编码器80实时检测舵角及舵速，并将舵角信号及舵速信号发送给控制器10;
[0056]S200、控制器10根据接收给定航向信息、控制指令及舵叶位置编码器80发送的舵角信号和舵速信号，生成电机控制信号并输出给电机驱动器20;
[0057]S300、电机驱动器20根据电机控制信号控制伺服电机30运转，经过减速器50和齿轮传动机构60，将伺服电机30的动力传递给舵叶70，使舵叶70沿其转轴转动；
[0058]S400、当舵角接近目标舵角时，控制器10向电机驱动器20发出电机停转信号，同时向制动器40发送制动信号，电机驱动器20根据电机停转信号控制伺服电机30停转，φ恸器40根据制动信号对伺服电机30进行制动操作。
[0059]由上述技术方案可知，本发明提供的船舶舵机系统的操舵控制方法，采用舵叶位置编码器80实时检测舵叶70的舵角及舵速，控制器10基于接收给定航向信息、控制指令及舵叶位置编码器80发送的舵角信号和舵速信号生成电机控制信号，同时可根据实时舵角及舵速与控制信号的偏差进行修正，因此更为精准；同时采用电机驱动器20进行精确控制伺服电机30，具备较高的准确度和响应速度，进一步提高了船舶舵机系统的控制精度;伺服电机30通过减速器50及齿轮传动机构60，实现由高速小转矩向低速大转矩的转变，可以提供足够的动力；当舵角接近目标舵角时，控制器10向电机驱动器20发出电机停转信号，同时向制动器40发送制动信号，伺服电机30停转，同时制动器40对伺服电机30进行制动操作，可以实现快速制动，增加了船舶舵机系统的控制精度和安全性。因此，本发明的船舶舵机系统的操舵控制方法具有较高的控制精度、简单性和可靠性。
[0060]作为本发明的进一步改进，控制器10生成电机控制信号采用分段滑模变结构控制算法，对于目标舵角和实际舵角间差值的不同情况预设不同滑模段的控制方案;控制器10由给定航向信息、控制指令计算目标舵角，根据目标舵角和实际舵角的差值选择滑模段控制方案，并输出该控制方案对应的电机控制信号。控制器10生成电机控制信号的步骤采用分段滑模变结构控制算法，该算法根据目标舵角和实际舵角的差值，选取不同的滑模段的控制算法进行控制，在不同的滑模段可达到不同阶段的控制目标，滑模变结构控制能够较好满足系统的动静态性能和强鲁棒性，能够使系统具有较高的抗干扰能力，且算法简单，响应速度快。例如，当舵角差值位于一滑模段的舵角差值范围时，电机控制信号为驱动伺服电机30以该滑模段设定加速度达到设定转速并保持该转速；当接近给定舵角时，电机控制信号为驱动伺服电机30快速降速。
[0061]作为本发明的进一步改进，在舵叶70处设置的限位接近开关91，监测并判断舵角是否大于预设值，若大于预设值，则发送报警信号给控制器10;控制器10根据报警信号向电机驱动器20发送电机反向输出信号，电机驱动器20控制伺服电机30反向输出动力。采用限位接近开关91判断舵角是否大于预设值，当舵角大于该预设值时，触发限位接近开关91，发送报警信号，并控制伺服电机30反向输出动力，可防止舵角超调、或系统故障等问题对船舶舵机系统造成损坏，提高系统的可靠性。
[0062]作为本发明的进一步改进，控制器10接收电流传感器93、扭矩传感器94和位置传感器92发送的伺服电机30的实时电流、实时转速、实时转矩和转子的实时转角的信号，并与相应的预定值进行对比，并进行相应的补偿控制。通过传感器实时监测，传感器根据实时监测值与控制信号的预定值的偏差进行修正补偿，可以减小海浪干扰舵叶70或其他干扰导致的系统偏差，可以提尚船舶航机系统操航控制的精度。
[0063]作为本发明的进一步改进，电机驱动器20接收电流传感器93、扭矩传感器94和位置传感器92发送的伺服电机30的实时电流、实时转速、实时转矩和转子的实时转角的信号，并与相应的极限值进行对比，若其中至少一项超过极限值则对伺服电机30进行相应的保护操作。电机驱动器20对伺服电机30的实时参数与预设的相应极限值对比，当某一项参数超过极限值，则对伺服电机30进行相应的保护操作，防止伺服电机30的转角超调、过电流、超速或长期堵转造成电机的损坏，可以提高船舶舵机系统操舵控制的可靠性，确保系统的安全。
[0064]此外，控制器10内部主程序和中断服务程序流程可以如下设置，当船舶启航时，工控机102和控制器10同时启动工作，首先封锁输出并关闭DSP中断，开始运行系统初始化程序，包括控制模块初始化、外设寄存器初始化和参数变量初始化等。然后与工控机102建立通讯，接收舵角给定指令和实际舵角舵速反馈信号，进而更新系统参数和变量;然后，打开DSP中断，进入中断等待状态。中断采用定时器Tl下溢中断来实现，定时时间为舵速和舵角的采样周期，即每隔一个采样周期，控制器10从工控机102读取一组舵角给定和舵角舵速实际信号。当中断发生时，执行中断服务程序。首先保护现场，然后根据工控机102送入的给定舵角和实际舵角舵速信号，通过分段滑模变结构控制算法运行，输出给定扭矩信号并通过D/A转换，发送给电机驱动器20，驱动舵叶70向给定舵令位置运动，最后恢复现场返回主程序，再次与工控机102通讯，重新读入给定舵角和实际舵角舵速等系统参数给定和相关变量，然后进入下一个运行周期。
[0065]本发明实施例所提供的系统，其实现原理及产生的技术效果和方法实施例相同，为简要描述，系统实施例部分未提及之处，可参考方法实施例中相应内容。附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。
[0066]在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统和方法，可以通过其它的方式实现，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的。另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
[0067]所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
[0068]最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
【主权项】
1.一种船舶舵机系统，其特征在于，包括: 控制器、电机驱动器、伺服电机、与所述伺服电机的输出轴同轴设置的制动器、减速器、齿轮传动机构、舵叶、舵叶位置编码器； 所述控制器用于:根据接收到的给定航向信息、控制指令、舵角信号及舵速信号，输出电机控制信号给所述电机驱动器或输出制动信号给所述制动器； 所述电机驱动器用于:根据所述控制器发送的所述电机控制信号驱动所述伺服电机；所述制动器用于:根据所述控制器发送的制动信号，对所述伺服电机进行制动操作；所述伺服电机用于:经过所述减速器及所述齿轮传动机构将所述伺服电机的动力传递给所述舵叶，使所述舵叶沿其转轴转动； 所述舵叶位置编码器用于:实时检测舵叶的舵角及舵速，并将舵角信号和舵速信号发送给所述控制器。2.根据权利要求1所述的船舶舵机系统，其特征在于，还包括， 限位接近开关:设置在所述舵叶处，用于判断舵角是否大于预设值，若大于预设值，则将报警信号发送给所述控制器，所述控制器根据所述报警信号向所述电机驱动器发送电机反向输出信号，所述电机驱动器控制所述伺服电机反向输出动力。3.根据权利要求2所述的船舶舵机系统，其特征在于，还包括， 位置传感器:用于监测所述伺服电机转子的实时转角，伺服电机的转子位置检测和初始定位，并发送给所述控制器及所述电机驱动器，所述控制器检验伺服电机转子是否依照电机控制信号旋转预定转角，并根据实时转角与预定转角的差值进行位置补偿，所述电机驱动器判断实时转角是否超过转角的极限值，若超过则对所述伺服电机进行相应的保护操作。4.根据权利要求3所述的船舶舵机系统，其特征在于，还包括， 电流传感器:用于监测所述伺服电机的实时电流，并将电流信号发送给所述控制器及所述电机驱动器，所述控制器根据实时电流与预定电流的差值进行电流补偿，所述电机驱动器判断实时电流是否超过电流的极限值，若超过则对所述伺服电机进行相应的保护操作。5.根据权利要求4所述的船舶舵机系统，其特征在于，还包括， 扭矩传感器:用于监测所述伺服电机的实时转速和实时转矩，并发送给所述控制器及所述电机驱动器，所述控制器根据所述伺服电机根据实时转速和实时转矩与预定转速和转矩的差值进行转速补偿和转矩补偿，所述电机驱动器判断实时转速和实时转矩是否超过相应的极限值，若超过则对所述伺服电机进行相应的保护操作。6.一种船舶舵机系统的操舵控制方法，其特征在于，包括: 所述舵叶位置编码器实时检测舵角及舵速，并将舵角信号及舵速信号发送给所述控制器； 所述控制器根据接收给定航向信息、控制指令及所述舵叶位置编码器发送的所述舵角信号和舵速信号，生成电机控制信号并输出给所述电机驱动器； 所述电机驱动器根据所述电机控制信号控制所述伺服电机运转，经过所述减速器和所述齿轮传动机构，将所述伺服电机的动力传递给所述舵叶，使所述舵叶沿其转轴转动；当所述舵角接近目标舵角时，所述控制器向所述电机驱动器发出电机停转信号，同时向所述制动器发送制动信号，所述电机驱动器根据所述电机停转信号控制所述伺服电机停转，所述制动器根据所述制动信号对所述伺服电机进行制动操作。7.根据权利要求6所述的船舶舵机系统的操舵控制方法，其特征在于， 所述控制器生成电机控制信号采用分段滑模变结构控制算法，对于目标舵角和实际舵角间差值的不同情况预设不同滑模段的控制方案;所述控制器由给定航向信息、控制指令计算目标舵角，根据目标舵角和实际舵角的差值选择滑模段控制方案，并输出该控制方案对应的电机控制信号。8.根据权利要求7所述的船舶舵机系统的操舵控制方法，其特征在于， 在所述舵叶处设置的限位接近开关，监测并判断舵角是否大于预设值，若大于预设值，则发送报警信号给所述控制器;所述控制器根据所述报警信号向所述电机驱动器发送电机反向输出信号，所述电机驱动器控制所述伺服电机反向输出动力。9.根据权利要求8所述的船舶舵机系统的操舵控制方法，其特征在于， 所述控制器接收所述电流传感器、扭矩传感器和位置传感器发送的所述伺服电机的实时电流、实时转速、实时转矩和转子的实时转角的信号，并与相应的预定值进行对比，并进行相应的补偿控制。10.根据权利要求9所述的船舶舵机系统的操舵控制方法，其特征在于， 所述电机驱动器接收所述电流传感器、扭矩传感器和位置传感器发送的所述伺服电机的实时电流、实时转速、实时转矩和转子的实时转角的信号，并与相应的极限值进行对比，若其中至少一项超过极限值则对所述伺服电机进行相应的保护操作。
【文档编号】B63H25/24GK105947165SQ201610343762
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月23日
【发明人】刘胜, 战慧强, 张兰勇, 李冰, 刘洪丹
【申请人】哈尔滨工程大学