一种船舶舵机驱动装置及其检测系统的制作方法

本发明涉及船舶舵机领域，尤其涉及一种船舶舵机驱动装置及其检测系统。

背景技术：

目前船舶舵机系统通常采用电液伺服驱动方式。这种驱动方式具有输出力矩大和时间常数小等优点。但是也存在一些缺点。首先，液压油工作特性在很大程度上受温度的影响，导致系统的控制精度会大大降低；其次，电液伺服系统普遍存在液压油泄露的情况，所以系统维护比较复杂；同时，液压元件和液压油不易获取。且近些年来，随着船舶全电力推进技术的迅速发展，船载能源类型日趋单一化，传统的电液伺服驱动方式逐渐被新兴的电驱动方式所代替。

为了达到和传统的电液伺服驱动系统相似的驱动效果，同时又仅使用单一的电力能源，人们对船舶电驱动系统进行了不断研究，到目前为止，研究人员先后提出了直线传动机构(包括蜗轮蜗杆式、齿轮齿条式和螺母丝杆等)以及直线电机驱动系统，但是这些电驱动系统都存在控制精度较差的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种船舶舵机驱动装置及其检测系统，可大幅提高船舶舵机电驱动系统的控制精度。

为达到上述目的，本发明所提供的技术方案为：

第一方面，本发明提供了一种船舶舵机驱动装置，包括依次相连的PLC控制柜、驱动器、电动缸、转舵机构和舵叶。上述电动缸包括缸体及设置于缸体之外的伺服电机和减速器，上述伺服电机通过减速器与上述缸体内部的丝杠的一端相连，上述丝杠的另一端套接有延伸出缸体之外的推杆，上述推杆的末端与所述转舵机构相连。上述驱动器为上述电动缸的配套设备，与伺服电机连接，用于驱动电动缸工作。

进一步地，上述转舵机构为拨叉式转舵机构，包括叉形舵柄和位于叉形舵柄的叉形开口处的滑块，上述叉形舵柄通过滑块与推杆延伸出缸体之外的一端相连。

进一步地，上述电动缸为平行式电动缸，伺服电机为永磁同步电机，上述减速器的减速比为3:1～5:1，上述丝杠的导程为8～12mm。

进一步地，上述PLC控制柜采用的是触摸屏控制。

本发明船舶舵机驱动装置，通过伺服电机驱动、丝杠传动的方式，将电动缸的伺服电机的旋转运动变为推杆的直线运动，达到和液压舵机相似的驱动效果。且电动缸通过精确控制伺服电机的转速、转矩等参数可实现推杆的速度、位置及推力大小的精确控制，当电动缸采用闭环伺服控制时，定位精度可以达到0.01mm，推力精度可达1％，相比传统的电液伺服驱动及电驱动装置，本发明船舶舵机驱动装置将大幅度提高船舶舵机的控制精度。此外，较之电液伺服的驱动方式，电动缸工作只需要定期检查润滑系统，并注脂润滑即可，无易损件需要维护更换，维护简单，使用寿命较长。同时，本发明船舶舵机驱动装置实现了舰载能源设备的进一步简化，不必配备专用的液压油源，不仅节约能源，实现船舶舵机的全电力驱动，也避免了液压油泄漏的问题，使得系统的维护更为简单。

第二方面，本发明提供了一种船舶舵机驱动装置的检测系统，包括上述船舶舵机驱动装置、内环传感器、位置编码器、限位接近开关、信号采集板卡、控制器和工控机。上述内环传感器器安装于电动缸内，与PLC控制柜信号连接。上述位置编码器安装于叉形舵柄处，用于实时获取并发送舵角位置信号和舵叶回零信号。上述限位接近开关与舵叶相连，用于判断舵角是否大于预设值，若大于预设值，则发送限位接近开关的锁定信号。上述信号采集板卡与内环传感器、位置编码器及限位接近开关均信号连接，用于实时获取舵角位置信号、舵叶回零信号和限位接近开关的锁定信号。上述控制器与信号采集板卡和PLC控制柜相连，用于实时读取信号采集板卡中获取的信号，并对PLC控制柜发出相应的控制信号。上述工控机与信号采集板卡和控制器均信号连接，用于实时读取信号采集板卡中获取的信号，并在工控机内部的人机交互界面上显示，进而控制上述控制器发出相应的控制信号。

进一步地，上述内环传感器包括电压传感器和电流传感器，上述电压传感器及电流传感器分别串接于上述伺服电机的定子绕组上，用于实时获取并发送上述伺服电机的电压信号和电流信号。

进一步地，上述内环传感器还包括扭矩传感器，上述扭矩传感器与伺服电机的转子相连接，用于实时获取并发送上述伺服电机的转速信号和转矩信号。

进一步地，上述内环传感器还包括光栅尺，上述光栅尺安装在缸体的内表面上，用于实时获取并发送推杆的位移信号。

进一步地，上述位置编码器为17-bit增量式编码器。

进一步地，上述工控机内部的人机交互界面包括参数设置、系统监测和数据处理，其中，上述参数设置包括舵角给定设置和位置编码器的参数设置，上述系统监测包括舵角随时间的变化和舵角跟随误差随时间的变化，上述数据处理包括实验结果分析、历史数据查询及统计报表打印。

采用上述结构，用户可在上述工控机内部的人机交互界面上发出一定的指令信息(如位姿给定等控制指令)，并将上述指令信息通过以太网通讯传输给控制器。控制器在接到上述指令信息之后，可通过位姿转换和算法解析等操作，计算出电动缸的运动参数，即电动缸的伸缩量，并将上述运动参数传输给PLC控制柜，基于上述运动参数，PLC控制柜可控制驱动器驱动上述电动缸进行工作，与电动缸的推杆末端相连的转舵机构在电动缸的带动下进行转动，从而实现舵机的运动。

上述检测系统工作过程中，安装在缸体内表面的光栅尺可实时获取电动缸推杆的位移信号，并将上述信息反馈到信息采集板卡；而安装在舵柄上的位置编码器可实时获取舵角位置信号和舵叶回零信号，并将上述信息发送至信息采集板卡。上述信息采集板卡在获取上述信息之后，将上述信息传输给工控机的人机交互界面及控制器，用户可在人机交互界面上实时获知当前船舶舵机驱动装置的工作状态，并根据上述工作状态通过人机交互界面发出相应的修改指令信息，从而实现上述船舶舵机驱动装置的精准控制。同时，为了保证本发明船舶舵机驱动装置的检测系统安全可靠的运行，上述系统中还设置有伺服电机的电压传感器、电流传感器、转矩传感器及舵叶处的限位接近开关。上述电压传感器、电流传感器及转矩传感器可实现上述伺服电机的电压、电流、转矩、转速信号的实时反馈，并将所获得信号信息发送至信息采集板卡，上述信息采集板卡在获取上述信号信息之后同时将上述信号信息发送至控制器及工控机的人机交互界面上，控制器可自行判断上述信号信息是否大于系统规定值，若大于，控制器可控制系统发出故障安全警报，并在人机交互界面上提示用户系统何处出现故障，以方便用户的对本发明船舶舵机驱动装置的维修检查。而安装于舵叶处的限位接近开关也可实时检测舵角是否大于预设值，若其大于预设值，则发送限位接近开关的锁定信号，当信号采集板卡接收到上述锁定信号时，将上述锁定信号发送至控制器及工控机的人机交互界面，控制器可控制系统发出故障安全警报，并在上述人机交互界面上显示。

附图说明

以下附图仅旨在对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。

图1为本发明实施例的船舶舵机驱动装置的结构示意图；

图2为本发明实施例的船舶舵机驱动装置的检测系统的结构示意图；

图3为本发明实施例的船舶舵机驱动装置的检测系统中内环传感器的安装位置示意图；

图4为本发明实施例的船舶舵机驱动装置的检测系统中位置编码器及限位接近开关的安装位置示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1所示，本发明实施例提供了一种船舶舵机驱动装置，包括依次相连的PLC控制柜11、驱动器12、电动缸13、转舵机构14和舵叶15。上述电动缸13包括缸体133及设置于缸体133之外的伺服电机131和减速器132，上述伺服电机131通过减速器132与上述缸体133内部的丝杠134的一端相连，上述丝杠134的另一端套接有延伸出缸体133之外的推杆135，上述推杆135的末端与所述转舵机构14相连。上述驱动器12为上述电动缸13的配套设备，与伺服电机131连接，用于驱动电动缸13工作。

具体实施时，本发明船舶舵机驱动装置，通过伺服电机131驱动、丝杠134传动的方式，将电动缸13的伺服电机131的旋转运动变为推杆135的直线运动，达到和液压舵机相似的驱动效果。且电动缸13通过精确控制伺服电机131的转速、转矩等参数可实现推杆135的速度、位置及推力大小的精确控制，当电动缸13采用闭环伺服控制时，定位精度可以达到0.01mm，推力精度可达1％，相比传统的电液伺服驱动及电驱动装置，本发明船舶舵机驱动装置将大幅度提高船舶舵机的控制精度。此外，较之电液伺服的驱动方式，电动缸13工作只需要定期检查润滑系统，并注脂润滑即可，无易损件需要维护更换，维护简单，使用寿命较长。同时，本发明船舶舵机驱动装置实现了舰载能源设备的进一步简化，不必配备专用的液压油源，不仅节约能源，实现船舶舵机的全电力驱动，也避免了液压油泄漏的问题，使得系统的维护更为简单。

优选地，上述转舵机构14为拨叉式转舵机构，包括叉形舵柄142和位于叉形舵柄142的叉形开口处的滑块141，上述叉形舵柄142通过滑块141与推杆135延伸出缸体133之外的一端相连。拨叉式转舵机构是一种常用的转舵机构，使用过程无需导板，结构简单，公称扭矩较高。需要说明的是，拨叉式转舵机构的选用仅为本发明实施例的一个优选方案，不能作为对本发明实施范围的限定，上述转舵机构也可以采用十字头式转舵机构或者滚轮式转舵机构。

优选地，上述电动缸13为平行式电动缸，伺服电机131为永磁同步电机，上述减速器132的减速比为4:1，上述丝杠134的导程为10mm。平行式电动缸是指伺服电机131与缸体133平行安装的电动缸13，这种电动缸13的安装长度短，可适用于较小环境下的应用，且较之直线式或垂直式电动缸，平行式电动缸具有更高的控制精度，有利于提高本发明实施例船舶舵机驱动装置的控制精度；较之其他形式的电机，永磁同步电机具有结构简单，体积小、重量轻、损耗小、效率高、功率因数高等优点，适用于要求响应快速且定位准确的高性能伺服传动系统，采用这种形式的电机，也有利于提高本发明实施例船舶舵机驱动装置的控制精度；而采用这种4:1减速比的减速器132可较好的实现对电动缸13的控制；丝杠134的导程越大，其丝杠转动一圈其传动的距离也就越大，但导程值的增大也会导致控制精度的下降，丝杠134的导程越小，其控制精度越高，但丝杠转动一圈所传动的距离也就越小，传动过程所消耗的能量也就越大，综合控制精度与传动能量消耗两方面的因素，本发明实施例的丝杠134的导程优选为10mm。需要说明的是，上述电动缸13的类型、伺服电机131的类型、上述减速器132的减速比及丝杠134的导程的选择都仅为本发明实施例的一个优选方案，不能作为对本发明实施范围的限定，上述电动缸13也可以为直线式电动缸或垂直式电动缸，上述永磁同步电机也可以为电励磁同步电机，上述减速器132的减速比及丝杠的导程可根据实际情况选取。

优选地，上述PLC控制柜11采用的是触摸屏控制。采用触摸屏的控制，使得本发明实施例船舶舵机驱动装置使用起来更为方便。

实施例二

如图2和图3所示，本发明实施例提供了一种船舶舵机驱动装置的检测系统，包括上述船舶舵机驱动装置1、内环传感器24、位置编码器26、限位接近开关25、信号采集板卡23、控制器22和工控机21。上述内环传感器24安装于电动缸13内，与PLC控制柜11信号连接。上述位置编码器26安装于叉形舵柄142处，用于实时获取并发送舵角位置信号和舵叶回零信号。上述限位接近开关25与舵叶15相连，用于判断舵角是否大于预设值，若大于预设值，则发送限位接近开关25的锁定信号。上述信号采集板卡23与内环传感器24、位置编码器26及限位接近开关26均信号连接，用于实时获取舵角位置信号、舵叶回零信号和限位接近开关26的锁定信号。上述控制器22与信号采集板卡23和PLC控制柜11相连，用于实时读取信号采集板卡23中获取的信号，并对PLC控制柜11发出相应的控制信号。上述工控机21与信号采集板卡23和控制器22均信号连接，用于实时读取信号采集板卡23中获取的信号，并在工控机21内部的人机交互界面上显示，进而控制上述控制器22发出相应的控制信号。

采用上述结构，用户可在上述工控机21内部的人机交互界面上发出一定的指令信息(如位姿给定等控制指令)，并将上述指令信息通过以太网通讯传输给控制器22。控制器22在接到上述指令信息之后，可通过位姿转换和算法解析等操作，计算出电动缸13的运动参数，即电动缸13的伸缩量，并将上述运动参数传输给PLC控制柜11，基于上述运动参数，PLC控制柜11可控制驱动器12驱动上述电动缸13进行工作，与电动缸13的推杆135末端相连的转舵机构14在电动缸13的带动下进行转动，从而实现舵机的运动。上述检测系统工作过程中，安装于电动缸13内部的内环传感器24可实时获取当前电动缸13的运行状态信息，并将上述运行状态信息实时发送给PLC控制柜11及信息采集板卡23，信息采集板卡23在获得上述运行状态信息之后，将上述信息发送至控制器22及主控机21，并在主控机21内部的人机交互界面上显示，用户可根据人机交互界面上显示的信息实时获知当前电动缸13的运行状态，并根据当前运行状态发出相应的指令更改信息，从而实现上述船舶舵机驱动装置的精准控制(位置编码器26的具体工作过程与之类似，在此不做赘述)。同时为了保证本发明船舶舵机驱动装置的检测系统安全可靠的运行，上述检测系统还在舵叶15处安装有限位接近开关25，用于实时检测舵角是否大于预设值，若其大于预设值，则发送限位接近开关25的锁定信号到信号采集板卡23，当信号采集板卡23接收到上述锁定信号时，将上述锁定信号发送至控制器22及工控机21的人机交互界面，控制器22可控制系统发出故障安全警报，并在上述人机交互界面上显示上提示用户系统何处出现故障，以方便用户的对本发明船舶舵机驱动装置的维修检查，从而达到系统安全可靠的进行工作的目的。

如图4所示，作为本发明实施例的一种优选方案，上述内环传感器22包括电压传感器1311和电流传感器1312，上述电压传感器1311及电流传感器1312分别串接于上述伺服电机131的定子绕组上，用于实时获取并发送上述伺服电机131的电压信号和电流信号。设置于伺服电机131内部的电压传感器1311和电流传感器1312可实时获取上述伺服电机131的电压及电流信号，并将上述信号信息发送至信息采集板卡23，上述信息采集板卡23在获取上述信号信息之后同时将上述信号信息发送至控制器22及工控机21的人机交互界面上，控制器22可自行判断上述信号信息是否大于系统规定值，若大于，控制器22可控制系统发出故障安全警报，并在人机交互界面上提示用户系统何处出现故障，以方便用户的对本发明船舶舵机驱动装置的维修检查，从而保证了本发明船舶舵机驱动装置的检测系统安全可靠的进行工作。

如图4所示，上述内环传感器22还包括扭矩传感器1313，上述扭矩传感器1313与伺服电机131的转子相连接，用于实时获取并发送上述伺服电机131的转速信号和转矩信号。设置于伺服电机131内部的扭矩传感器1313可实时获取上述伺服电机131的转速及转矩信号，并将上述信号信息发送至信息采集板卡23，上述信息采集板卡23在获取上述信号信息之后同时将上述信号信息发送至控制器22及工控机21的人机交互界面上，控制器22可自行判断上述信号信息是否大于系统规定值，若大于，控制器22可控制系统发出故障安全警报，并在人机交互界面上提示用户系统何处出现故障，以方便用户的对本发明船舶舵机驱动装置的维修检查，从而保证了本发明船舶舵机驱动装置的检测系统安全可靠的进行工作。

如图4所示，上述内环传感器22还包括光栅尺1331，上述光栅尺1331安装在缸体133的内表面上，用于实时获取并发送推杆135的位移信号。安装在缸体133内表面的光栅尺1331可实时获取电动缸13的推杆135的位移信号，并将上述信息反馈到信息采集板卡23，上述信息采集板卡23在获取上述信息之后，将上述信息传输给工控机21的人机交互界面及控制器，用户可在人机交互界面上实时获知当前船舶舵机驱动装置的工作状态，并根据上述工作状态通过人机交互界面发出相应的修改指令信息，从而进一步地实现上述船舶舵机驱动装置的精准控制。

优选地，上述位置编码器26为17-bit增量式编码器。17-bit增量式编码器是将位移信号转换成周期性电信号，再把电信号转换称计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小，其测量精度较高，可准确的反映上述船舶舵机驱动工作过程中舵角位置的信息。需要说明的是，上述位置编码器26型号的选取仅为本发明实施力的一种优选方案，不能作为对本发明实施范围的限定，在不影响本发明功能实现的前提下，上述位置编码器也可以20-bit增量式编码器或其他形式的编码器。

优选地，上述工控机21内部的人机交互界面包括参数设置、系统监测和数据处理。上述参数设置包括舵角给定设置和位置编码器的参数设置，上述系统监测包括舵角随时间的变化和舵角跟随误差随时间的变化，上述数据处理包括实验结果分析、历史数据查询及统计报表打印。通过上述设置，使得本发明的船舶舵机驱动装置的检测系统的人机交互界面更加友好，用户可根据自己的需要选择上述功能进行使用。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进，均应归属于本发明的专利涵盖范围之内。