CN103792889A - 一种电驱动减摇鳍电伺服控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电驱动减摇鳍电伺服控制系统，当船舶在水中发生横摇时，设置在船上的横摇运动传感器将横摇运动信号传入数据采集卡，工控机根据横摇运动信号计算出减摇鳍转动的角度，随后由运动控制卡转化为减摇鳍的转速控制信号，并通过工控机传输给交流伺服驱动器，交流伺服驱动器驱动交流伺服电动机并带动减速器及传动机构产生转角。本发明的电伺服控制系统控制性能优良，系统的可靠性、响应速度、精度以及数据在线处理能力都较电液控制系统有较大的提高。

Description

一种电驱动减摇鳍电伺服控制系统

技术领域

本发明涉及减摇鳍智能控制领域，具体地说，涉及一种减摇鳍电伺服控制过程和减摇鳍运行参数的检测方法。

背景技术

现有的减摇鳍伺服系统一直是电液伺服系统，但其具有成本高、体积大、密封器件易老化、漏油、维护不方便等缺点；90年代以后，随着电气控制技术和微控制技术的迅猛发展，交流伺服广泛的应用于国防、工业等各个领域，一定范围内取代了液压伺服系统。现在已经成为伺服系统的主流趋势。交流伺服系统具有结构简单、控制方便、价格低且可靠性高等特点，该项技术的研究开发将促进减摇鳍在一些中小型船舶中的应用。

如专利号为CN.201834187.U的专利，通过横摇运动传感器将船舶横摇运动信号传送给运动控制器，再根据航速与浪级调节模块，输出减摇鳍的转鳍控制信号，控制各单鳍上的驱动控制器，驱动各单鳍运动。但其控制方法还局限于开环控制，没有达到高度自动化控制，调节精度有限，在数据检测及显示方面还不够完善。

发明内容

本发明的目的在于提出一种智能、简便、测试精度高的减摇鳍电伺服控制方法，以克服现有技术上的缺陷，使得减摇鳍减摇过程实现高度的自动化，提高减摇鳍运动速度控制的精确度。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种电驱动减摇鳍电伺服控制系统，包括工控机、PMAC运动控制卡、数据采集卡、横摇运动传感器、交流伺服驱动器、交流伺服电动机、增量式编码器、减速器及传动机构、角位移传感器和减摇鳍；

所述数据采集卡插在工控机的PC I插槽上，横摇运动传感器安装在船舶尾部并与数据采集卡相连，组成船舶横摇角速度检测模块；所述PMAC运动控制卡与工控机相连，增量式编码器与PMAC相连，交流伺服电动机与增量式编码器相连，交流伺服驱动器与交流伺服电动机相连，交流伺服驱动同时与PMAC运动控制卡相连；所述的交流伺服电动机与减速器及传动机构相连，减速器及传动机构与减摇鳍相连，角位移传感器与减摇鳍相连，角位移传感器同时与数据采集卡相连；

当船舶在海浪作用下发生横摇时，横摇运动传感器检测到船舶横摇角速度，数据采集卡采集到船舶横摇角速度，发送给工控机，工控机在线实时显示船舶横摇角速度的变化曲线，工控机计算减摇鳍需要转动的角位移信号φ，对该角位移信号进行数字化处理得到脉冲信号，然后发送给PMAC运动控制卡；PMAC运动控制卡将该信号转化为脉冲电流信号，发送给交流伺服驱动器，驱动交流伺服电动机按指定的转速运转；增量式编码器检测出交流伺服电动机的转速信号，反馈给PMAC运动控制卡， PMAC运动控制卡比较脉冲电流信号与增量式编码器检测出的交流伺服电动机的转速信号，得出信号误差，用以继续调整交流伺服电动机的转速，形成交流伺服电动机转速控制环；交流伺服电动机在减速器的作用下调整到驱动减摇鳍需要的转速，再由传动机构带动减摇鳍转动，角位移传感器检测减摇鳍的角位移信号θ，传送给数据采集卡，之后发送给工控机，工控机计算出给定角位移信号φ与检测到的角位移信号θ的差，得出减摇鳍角位移误差信号，传送给PMAC运动控制卡，继续控制减摇鳍的角位移调节，直至减摇鳍角位移误差≤0.05rad。

还包括限位开关，安装在船体鳍轴上的限位开关与数据采集卡相连，减摇鳍运动到饱和鳍角值位置时，触发限位开关使交流伺服电动机制动。

交流伺服驱动器和交流伺服电动机之间组成电流反馈的电流环，以提高系统响应精度和响应速度；

在PMAC运动控制卡控制交流伺服电动机产生转角时，与减摇鳍相连的角位移传感器同时产生鳍角实时反馈信号，传回上位机并产生转角差，实现位置随动。 

本发明与现有技术相比，其显著优点：①本发明采用工控机与数据采集卡结合的数据采集方式，简单易行，可实现减摇鳍船舶横摇角、交流伺服电动机转速、减摇鳍角位移信号的实时监测，方便对数据的处理；②交流伺服驱动器和电动机之间组成电流环，可以提高系统响应精度和响应速度；③交流伺服电动机和PMAC运动控制卡之间组成速度环，以增强系统抗负载扰动能力，抑制速度波动；④安装于减摇鳍的角位移传感器同时会产生鳍角实时反馈信号，传回上位机并产生转角差，可以实现减摇鳍的位置随动，操作更加灵活。 

附图说明

图1是本发明的控制系统原理示意框图。

图2是本发明的驱动执行机构的连接示意图；其中：1鳍箱，2交流伺服驱动器，3PMAC运动控制卡，4交流伺服电动机，5减速器及传动机构，6减摇鳍。

具体实施方式

本发明减摇鳍电伺服控制系统采用PMAC运动控制卡控制减摇鳍的转速，交流伺服变频器和电动机之间组成电流环，以提高系统响应精度和响应速度；交流伺服电动机和运动控制卡之间组成速度环，以增强系统抗负载扰动能力，抑制速度波动；安装于减摇鳍的角位移传感器同时会产生鳍角实时反馈信号，传回上位机并产生转角差，实现减摇鳍位置的随动。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

参照图1，本发明电驱动减摇鳍电伺服控制系统，包括工控机、PMAC运动控制卡、数据采集卡、横摇运动传感器、交流伺服驱动器、交流伺服电动机、增量式编码器、减速器及传动机构、角位移传感器、限位开关。

所述上位机使用研华工控机，数据采集卡插在工控机的PC I插槽上，横摇运动传感器安装在船舶尾部，与数据采集卡相连，组成船舶横摇角速度检测模块；当船舶在海浪作用下发生横摇时，横摇运动传感器检测到船舶横摇角速度，数据采集卡采集到船舶横摇角速度，发送给工控机，工控机在线实时显示船舶横摇角速度的变化曲线，同时经过数据处理后将信号发送给PMAC运动控制卡；

所述PMAC运动控制卡与工控机相连，增量式编码器与PMAC相连，交流伺服电动机与增量式编码器相连，交流伺服驱动器与交流伺服电动机相连，交流伺服驱动同时与PMAC运动控制卡相连，交流伺服驱动器和交流伺服电动机之间组成电流反馈的电流环，以提高系统响应精度和响应速度；所述工控机发送给PMAC运动控制卡的船舶横摇角速度信号，是脉冲驱动信号，由PMAC运动控制卡处理运算后发送给交流伺服驱动器，交流伺服驱动器产生驱动交流伺服电动机所需的脉冲电流信号，驱动交流伺服电动机按指定的转速运转，增量式编码器检测出交流伺服电动的转速，反馈给PMAC运动控制卡，形成交流伺服电动机转速控制环。

所述的交流伺服电动机与减速器及传动机构相连，减速器及传动机构与减摇鳍相连，角位移传感器与减摇鳍相连，同时与数据采集卡相连，安装在船体上的限位开关与数据采集卡相连，减摇鳍运动到饱和鳍角值位置时，触发限位开关；所述交流伺服电动机的转速在减速器的减速作用下达到驱动减摇鳍平稳转动的转速，由减速器传动机构带动减摇鳍转动，角位移传感器检测减摇鳍的角位移信号，传送给数据采集卡，之后发送给工控机，工控机计算出给定鳍角位移信号与检测鳍角位移信号的差，得出鳍角位移误差信号，传送给PMAC运动控制卡，继续控制减摇鳍的角位移调节，直至减摇鳍角位移误差≤0.05rad。

在所述减摇鳍的转鳍控制信号传送给各单鳍的运控控制器并控制各单鳍运动的步骤中，交流伺服驱动器和交流伺服电动机之间组成电流环，以提高系统响应精度和响应速度；交流伺服电动机和PMAC运动控制卡之间组成速度环，以增强系统抗负载扰动能力，抑制速度波动；安装于减摇鳍的角位移传感器同时会产生鳍角实时反馈信号，传回工控机并产生转角差，实现位置随动；当减摇鳍转动超过饱和鳍角值时，鳍角信号通过数据采集卡在工控机实时显示，并通过人机界面进行相应操作。

参照图2，电驱动减摇鳍装置包括有鳍箱（1）、交流伺服驱动器（2）、PMAC运动控制卡（3）、交流伺服电动机（4）、减速器及传动机构（5）、减摇鳍（6）；鳍箱（1）用于安装整个电驱动减摇鳍装置，鳍箱（1）通过焊接固定于船舰的船体上；交流伺服电动机（4）与交流电源之间设置有交流伺服驱动器（2）；交流伺服驱动器（2）与PMAC运动控制卡（3）相连，PMAC运动控制卡（3）发出控制信号控制交流伺服驱动器（2），通过交流伺服驱动器（2）驱动交流伺服电动机（4）实现不同转速和力矩的输出。交流伺服电动机（4）与减摇鳍（6）之间设置有减速器及传动机构（5），交流伺服电动机（4）产生的动力通过减速器及传动机构（5）进行变换，变换后的动力作用于减摇鳍（6）上进行减摇。

本发明电驱动减摇鳍电伺服控制系统根据检测船舶横摇信号控制鳍的收放，实现减摇鳍转速控制与位置随动，具有很强的抗负载扰动能力，减摇效果可达到90%以上。而且采用PMAC运动控制卡，实现减摇鳍转速与位置控制的高度自动化，电流环、速度环、位置环三闭环减摇鳍电伺服控制方法的使用，提高了减摇鳍系统响应精度和响应速度，系统的可靠性、响应速度、精度以及数据在线处理能力比传统的电液伺服控制方法都有很大的提高。

Claims (4)

1.一种电驱动减摇鳍电伺服控制系统，其特征在于：包括工控机、PMAC运动控制卡、数据采集卡、横摇运动传感器、交流伺服驱动器、交流伺服电动机、增量式编码器、减速器及传动机构、角位移传感器和减摇鳍；

所述数据采集卡插在工控机的PC I插槽上，横摇运动传感器安装在船舶尾部并与数据采集卡相连，组成船舶横摇角速度检测模块；所述PMAC运动控制卡与工控机相连，增量式编码器与PMAC相连，交流伺服电动机与增量式编码器相连，交流伺服驱动器与交流伺服电动机相连，交流伺服驱动同时与PMAC运动控制卡相连；所述的交流伺服电动机与减速器及传动机构相连，减速器及传动机构与减摇鳍相连，角位移传感器与减摇鳍相连，角位移传感器同时与数据采集卡相连；

当船舶在海浪作用下发生横摇时，横摇运动传感器检测到船舶横摇角速度，数据采集卡采集到船舶横摇角速度，发送给工控机，工控机在线实时显示船舶横摇角速度的变化曲线，工控机计算减摇鳍需要转动的角位移信号φ，对该角位移信号进行数字化处理得到脉冲信号，然后发送给PMAC运动控制卡；PMAC运动控制卡将该信号转化为脉冲电流信号，发送给交流伺服驱动器，驱动交流伺服电动机按指定的转速运转；增量式编码器检测出交流伺服电动机的转速信号，反馈给PMAC运动控制卡， PMAC运动控制卡比较脉冲电流信号与增量式编码器检测出的交流伺服电动机的转速信号，得出信号误差，用以继续调整交流伺服电动机的转速，形成交流伺服电动机转速控制环；交流伺服电动机在减速器的作用下调整到驱动减摇鳍需要的转速，再由传动机构带动减摇鳍转动，角位移传感器检测减摇鳍的角位移信号θ，传送给数据采集卡，之后发送给工控机，工控机计算出给定角位移信号φ与检测到的角位移信号θ的差，得出减摇鳍角位移误差信号，传送给PMAC运动控制卡，继续控制减摇鳍的角位移调节，直至减摇鳍角位移误差≤0.05rad。

2.根据权利要求1所述的电驱动减摇鳍电伺服控制系统，其特征在于：还包括限位开关，安装在船体鳍轴上的限位开关与数据采集卡相连，减摇鳍运动到饱和鳍角值位置时，触发限位开关使交流伺服电动机制动。

3.根据权利要求1所述的电驱动减摇鳍电伺服控制系统，其特征在于：交流伺服驱动器和交流伺服电动机之间组成电流反馈的电流环，以提高系统响应精度和响应速度。

4.根据权利要求1所述的电驱动减摇鳍电伺服控制系统，其特征在于：在PMAC运动控制卡控制交流伺服电动机产生转角时，与减摇鳍相连的角位移传感器同时产生鳍角实时反馈信号，传回上位机并产生转角差，实现位置随动。

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