專利名稱：角度信號控制的恒速轉舵伺服裝置及其控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及船用推進器，尤其涉及角度信號控制的恒速轉舵伺服裝置及其控制方法。
背景技術：
舵槳轉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)境的改變如洋流、機械阻尼、液壓系統(tǒng)包括油路阻尼等因素導致轉舵速度的不均衡。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術存在的不足，提供一種角度信號控制的恒速轉舵伺服裝置及其控制方法，適于遠距離信號傳輸。本發(fā)明的目的通過以下技術方案來實現(xiàn)
角度信號控制的恒速轉舵伺服裝置，轉舵立柱旋轉支撐于法蘭上，轉舵立柱的下部固定下齒輪箱，轉舵立柱的上部安裝回轉大齒輪，轉舵液壓馬達固定于法蘭上，轉舵液壓馬達的輸出軸與行星減速器的輸入軸驅動連接，行星減速器的輸出軸上安裝主動小齒輪，主動小齒輪與回轉大齒輪相嚙合，回轉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編碼器，旋轉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，比例閥位于轉舵液壓馬達的油路回路中。進一步地，上述的角度信號控制的恒速轉舵伺服裝置，其中，所述旋轉編碼器為R36系列霍爾編碼器。更進一步地，上述的角度信號控制的恒速轉舵伺服裝置，其中，所述旋轉編碼器為R36A模擬量霍爾編碼器。本發(fā)明角度信號控制的恒速轉舵伺服裝置的控制方法，通過控制比例閥開度調節(jié)轉舵液壓馬達的轉速，轉舵液壓馬達的輸出軸轉速經(jīng)行星減速器減速后驅動主動小齒輪旋轉，主動小齒輪與回轉大齒輪嚙合從而驅動轉舵立柱旋轉，回轉大齒輪的轉速并傳遞到減速齒輪，由旋轉編碼器檢測減速齒輪的轉速作為舵槳舵角反饋信號，旋轉編碼器將檢測到的舵槳舵角反饋信號反饋到PLC控制單元；
PLC控制單元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)值則轉舵速度指令輸出為零，當差值在死區(qū)值與設定的減速區(qū)域值之間時轉舵速度指令輸出與差值成正比，即轉舵速度指令輸出為差值乘以系數(shù)，當差值大于設定的減速區(qū)域值時轉舵速度指令輸出為恒值，即為設定的轉舵速度；
旋轉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，即實際轉舵速度；將轉舵速度指令和實際轉舵速度在PLC控制單元運算器中做減法運算，并把結果除以比例系數(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模塊調節(jié)比例閥的開度，調節(jié)轉舵液壓馬達的轉速，實現(xiàn)穩(wěn)定舵槳的轉舵速度。本發(fā)明技術方案突出的實質性特點和顯著的進步主要體現(xiàn)在
本發(fā)明采用旋轉編碼器更適于遠距離傳輸，利用舵角反饋系統(tǒng)計算出實際的轉舵速度，再根據(jù)技術要求的轉速對比例閥的開度進行實時調節(jié)，為防止超調和隨動性差需要給一個合適的補償，允許調試人員根據(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計要求。舵槳轉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，調試人員在對控制系統(tǒng)有一個充分了解的基礎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)調整到最佳狀況。由于內部為數(shù)字內核，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。


下面結合附圖對本發(fā)明技術方案作進一步說明
圖I:恒速轉舵伺服裝置的構造示意 圖2 :圖I中A部的局部放大示意圖。
具體實施例方式如圖I所示，角度信號控制的恒速轉舵伺服裝置，轉舵立柱6旋轉支撐于法蘭上，轉舵立柱6的下部固定下齒輪箱7，轉舵立柱6的上部安裝回轉大齒輪5，轉舵液壓馬達2固定于法蘭上，轉舵液壓馬達2的輸出軸與行星減速器3的輸入軸驅動連接，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與回轉大齒輪5相嚙合，如圖2所示，回轉大齒輪5還與減速齒輪8相嚙合，減速齒輪8上布置有旋轉編碼器9，旋轉編碼器采用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位于轉舵液壓馬達2的油路回路中。旋轉編碼器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，再通過內部D/A轉換變成模擬信號，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?？刂品绞接? 20mA表示0 360° (或-180 180° )并且可以把4 20mA范圍內任意一電流值作為機械O。，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置。確定Γ20πιΑ的范圍，由于元器件的離散性(旋轉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。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舵速度，并通過微分模塊計算出轉舵速度。再通過PLC控制單元的PID模塊調節(jié)比例閥的開度，實現(xiàn)轉舵速度的控制。 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舵速度。再根據(jù)得出的轉舵速度指令和實際轉舵速度的差異調整控制液壓馬達流量的比例閥，從而達到穩(wěn)定轉舵速度的結果。角度信號控制的恒速轉舵伺服裝置的控制方法，通過控制比例閥I開度調節(jié)轉舵液壓馬達2的轉速，轉舵液壓馬達2的輸出軸轉速經(jīng)行星減速器3減速后驅動主動小齒輪4旋轉，主動小齒輪4與回轉大齒輪5嚙合從而驅動轉舵立柱6旋轉，回轉大齒輪5的轉速并傳遞到減速齒輪8，由旋轉編碼器9檢測減速齒輪8的轉速作為舵槳舵角反饋信號(因減速齒輪與轉舵齒輪的速比是I :1，所以可以反映舵槳的舵角)，旋轉編碼器9將檢測到的舵槳舵角反饋信號反饋到PLC控制單元10 ；
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)值則轉舵速度指令輸出為零，當差值在死區(qū)值與設定的減速區(qū)域值之間時轉舵速度指令輸出與差值成正比，即轉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))，當差值大于設定的減速區(qū)域值時轉舵速度指令輸出為恒值，即為設定的轉舵速度；
旋轉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，即實際轉舵速度；將轉舵速度指令和實際轉舵速度在PLC控制單元運算器中做減法運算，并把結果除以比例系數(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模塊調節(jié)比例閥的開度，調節(jié)轉舵液壓馬達的轉速，實現(xiàn)穩(wěn)定舵槳的轉舵速度。由于上述過程屬于積分控制，所以對于系統(tǒng)的不穩(wěn)定造成的轉舵速度的波動有過濾作用。調節(jié)系數(shù)可以使系統(tǒng)適應不同的慣性系統(tǒng)。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控制單元計算轉舵速度指令，另一路經(jīng)PLC控制單元微分計算出實際轉舵速度。將轉舵速度指令與實際轉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，最終控制轉舵液壓馬達的轉速。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。使舵槳能按照設定的轉舵速度跟隨手柄指令轉至目標值。
轉舵指令與反饋之間差值達到一定值時，則轉舵速度要求以一個恒定的旋速旋轉；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；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；這在以往的設計中所必需的；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。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速向減小偏差的方向轉舵，為了保證轉舵的恒定，不受主機轉速的影響，系統(tǒng)在轉舵過程中實時監(jiān)測轉舵位置和轉舵速度，并利用其與轉舵指令比較用偏差值來調整比例閥的開度，從而控制舵槳的轉舵速度。綜上所述，采用旋轉編碼器更適于遠距離傳輸，利用舵角反饋系統(tǒng)計算出實際的轉舵速度，再根據(jù)技術要求的轉速對比例閥的開度進行實時調節(jié)，為防止超調和隨動性差需要給一個合適的補償，允許調試人員根據(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計要求。舵槳轉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，調試人員在對控制系統(tǒng)有一個充分了解的基礎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)調整到最佳狀況。由于內部為數(shù)字內核，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。需要理解到的是以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1.角度信號控制的恒速轉舵伺服裝置，轉舵立柱旋轉支撐于法蘭上，轉舵立柱的下部固定下齒輪箱，轉舵立柱的上部安裝回轉大齒輪，轉舵液壓馬達固定于法蘭上，轉舵液壓馬達的輸出軸與行星減速器的輸入軸驅動連接，行星減速器的輸出軸上安裝主動小齒輪，主動小齒輪與回轉大齒輪相嚙合，回轉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編碼器，旋轉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，比例閥位于轉舵液壓馬達的油路回路中。
2.根據(jù)權利要求I所述的角度信號控制的恒速轉舵伺服裝置，其特征在于所述旋轉編碼器為R36系列霍爾編碼器。
3.根據(jù)權利要求I或2所述的角度信號控制的恒速轉舵伺服裝置，其特征在于所述旋轉編碼器為R36A模擬量霍爾編碼器。
4.權利要求I所述的角度信號控制的恒速轉舵伺服裝置的控制方法，其特征在于通過控制比例閥開度調節(jié)轉舵液壓馬達的轉速，轉舵液壓馬達的輸出軸轉速經(jīng)行星減速器減速后驅動主動小齒輪旋轉，主動小齒輪與回轉大齒輪嚙合從而驅動轉舵立柱旋轉，回轉大齒輪的轉速并傳遞到減速齒輪，由旋轉編碼器檢測減速齒輪的轉速作為舵槳舵角反饋信號，旋轉編碼器將檢測到的舵槳舵角反饋信號反饋到PLC控制單元； PLC控制單元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控制単元做減法運算；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)值則轉舵速度指令輸出為零，當差值在死區(qū)值與設定的減速區(qū)域值之間時轉舵速度指令輸出與差值成正比，即轉舵速度指令輸出為差值乘以系數(shù)，當差值大于設定的減速區(qū)域值時轉舵速度指令輸出為恒值，即為設定的轉舵速度； 旋轉編碼器采樣舵槳舵角反饋信號讀進PLC控制單元，算出単位時間舵槳的變化量，即實際轉舵速度；將轉舵速度指令和實際轉舵速度在PLC控制單元運算器中做減法運算，并把結果除以比例系數(shù)，作為比例閥開度的補償值與當前的比例閥開度相加，作為下ー個時間段的比例閥開度；通過PLC控制單元的PID模塊調節(jié)比例閥的開度，調節(jié)轉舵液壓馬達的轉速，實現(xiàn)穩(wěn)定舵槳的轉舵速度。
全文摘要
本發(fā)明涉及角度信號控制的恒速轉舵伺服裝置及控制方法，轉舵立柱旋轉支撐于法蘭上，轉舵立柱的下部固定下齒輪箱，轉舵立柱的上部安裝回轉大齒輪，轉舵液壓馬達固定于法蘭上，轉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，主動小齒輪與回轉大齒輪相嚙合，回轉大齒輪還與減速齒輪相嚙合，減速齒輪上布置有旋轉編碼器，旋轉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舵速度，根據(jù)轉舵速度指令和實際轉舵速度的差異調整比例閥。
文檔編號B63H25/02GK102849201SQ20121034337
公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月17日 優(yōu)先權日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