CN103935504A - 一种无机械制动变频控制船舶舵机驱动装置及控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种能够简化舵机机构、减小装置的体积且节约能源的无机械制动变频控制船舶舵机驱动装置及控制方法。技术方案是：其特征是由变频器(1)、力矩传感器(3)、舵机机械装置(4)、变频电机(5)组成，其中，所述变频器（1）与变频电机(5)连接，变频器（1）还通过力矩传感器(3)与舵机机械装置(4)连接；所述变频器（1）上设置有转矩给定信号端口(2)、Profibus-DP总线信号端口(6)和直接I/O信号端口(7)。本发明还公开了其控制方法。

Description

一种无机械制动变频控制船舶舵机驱动装置及控制方法
技术领域
本发明涉及一种变频控制船舶舵机装置，尤其是一种能够简化舵机机构、减小装置的体积且节约能源的无机械制动变频控制船舶舵机驱动装置及控制方法。 
背景技术
船舶舵机为随动机构，它的状态分两种：其一，当其未转到目标位置时，将全速向目标位置移动。其二，当其达到目标位置时，将自动保持该位置。现在常用的船舶电动舵机都能很好的满足第一种状态，对第二种状态基本上都是通过机械抱闸来实现。由于航行过程中，水况复杂，尤其在海洋中，水况更加复杂多变，机械抱闸不能长时间保持住，会有缓慢的漂移，导致船舶远洋航行时慢慢偏离航向。现在的解决办法大都是通过上位控制算法纠正这种偏差，对操舵控制器要求高，且需要频繁的启动关闭抱闸机构。 
发明内容
针对传统电动舵机存在的上述缺点，本发明旨在提供一种能够简化舵机机构、减小装置的体积且节约能源的无机械制动变频控制船舶舵机驱动装置及控制方法。 
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种无机械制动变频控制船舶舵机驱动装置，其特征是由变频器(1)、力矩传感器(3)、舵机机械装置(4)、变频电机(5)组成，其中，所述变频器（1）与变频电机(5)连接，变频器（1）还通过力矩传感器(3)与舵机机械装置(4)连接；所述变频器（1）上设置有转矩给定信号端口(2)、Profibus-DP总线信号端口 (6)和直接I/O信号端口(7) 。 
还设置有测速编码器(11)，变频器（1）通过测速编码器(11)与变频电机(5)连接。 
还设置有辅变频器(8)、辅变频电机(9)和模拟信号分线器(10)；所述辅助辅变频器(8)与辅变频电机(9)连接，所述辅助辅变频器(8)通过模拟信号分线器(10)与力矩传感器(3)连接。 
一种无机械制动变频控制船舶舵机驱动装置的控制方法，其特征是包括下列步骤：在舵机未达到目标位置时，变频器以适当速度驱动电机，使之达到目标位置，变频器调速模式可以采用速度控制，也可以采用直接转矩控制；在舵机达到目标位置时，变频器驱动变频电机，输出速度始终为零，输出转矩与舵机受水作用力矩大小相等，方向相反，且根据舵机受水作用力矩的变化而跟随变化。 
变频器控制方式采用Profibus-DP总线控制和直接I/O控制混合控制方式，通过Profibus-DP总线实时给定转矩大小和速度限制值，通过直接I/O给定启动、方向等控制信号。 
变频器制动方式采用能量回馈制动方式，制动能量直接回馈到电网。 
本发明硬件由高性能船用变频器、变频电机、舵机机械装置、力矩传感器组成。舵机机械装置和变频电机之间的连接必须为硬链接。 
变频器控制采用Profibus-DP总线控制和直接I/O混合控制方式，系统启动停止信号采用直接I/O信号，力矩给定信号采用标准模拟量4-20mA信号，速度给定信号通过Profibus-DP总线给定，保证控制的可靠性。变频器调速模式采用直接转矩控制，调速性能优越，当负载突然变化时，例如，当舵叶碰到急浪或冰块的冲击，力矩保持不变，由于负载惯性，速度也不会发生突变，从而减小对电机和机械装置的冲击。变频器制动方式采用能量回馈制动方式，不采用需要外接电阻箱的能耗制动，可以减小装置的体积，且反馈回的能量可以用在其它用电设备上，节约能源。 
在航行过程中，通过来自于控制器的直接I/O控制信号，变频器始终处于运行状态。当舵机未达到目标位置时，来自于控制器的Profibus-DP总线控制信号给定最高限制速度值，变频器转矩控制信号也来自操舵控制器，使舵机尽快达到目标位置。当舵机达到目标位置时，来自于控制器的Profibus-DP总线控制信号给定零速速度值，变频器转矩控制信号来自力矩传感器，方向和力矩传感器所受力矩方向相反，变频器实时输出一个和舵机所受力矩大小相等、方向相反的力矩，但是旋转速度保持为零，舵受力保持平衡，从而使舵保持在目标位置。 
本发明不需要复杂的操舵控制器，不需要机械抱闸机构，就既能在舵机未转到目标位置时，将全速向目标位置移动，又能够在舵机达到目标位置时，自动保持该位置，大大简化了舵机机构。 
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。 
附图说明
图1是本发明实施例1的电路原理图。 
图2是本发明实施例2的电路原理图。 
图3是本发明实施例3的电路原理图。 
具体实施方式
实施例1：
图1中，一种无机械制动变频控制船舶舵机驱动装置，由变频器1、力矩传感器3、舵机机械装置4、变频电机5组成，其中，所述变频器1与变频电机5连接，变频器1还通过力矩传感器3与舵机机械装置4连接；所述变频器1上设置有转矩给定信号端口2、Profibus-DP总线信号端口 6和直接I/O信号端口7 。
电动舵机的传动机构采用齿轮齿条式，力矩传感器安装在齿轮的传动轴上。 
控制方法是：当舵机未转到目标时，需要全速向目标位置移动。转舵控制器通过直接I/O信号7给出启动信号start、方向信号FWD（或REV），通过转矩给定信号2给出转矩信号г，Profibus-DP总线信号6给出一个速度限定值V，此时变频器1启动，拖动变频电机5旋转，进而带动舵机机械装置4转动，使舵机快速达到目标位置，在这种状态时，变频器1调速模式采用直接转矩模式。 当舵机达到目标位置时，变频器1控制模式自动更换为直接转矩控制，转舵控制器通过直接I/O信号7给出启动信号start、方向信号FWD（或REV），转矩传感器(3)的输出作为转矩给定值直接送到变频器1，Profibus-DP总线信号6给出一个零速，变频电机5没有转动，但是始终有一个转矩输出，大小和舵机受到的水（或海水）的作用转矩相等，方向何其相反，使舵机稳定的保持在目标位置。 
实施例2：
图2中：一种无机械制动变频控制船舶舵机驱动装置，由变频器1、力矩传感器3、舵机机械装置4、变频电机5组成，其中，所述变频器1与变频电机5连接，变频器1还通过力矩传感器3与舵机机械装置4连接；所述变频器1上设置有转矩给定信号端口2、Profibus-DP总线信号端口 6和直接I/O信号端口7 。还设置有测速编码器11，变频器（1）通过测速编码器11与变频电机5连接。
电动舵机的传动机构采用行星滚珠丝杠式。力矩传感器安装在丝杠上。舵机硬件连接如图1所示。 
控制方法是：当舵机未转到目标时，需要全速向目标位置移动。转舵控制器通过直接I/O信号7给出启动信号start、方向信号FWD（或REV），通过转矩给定信号2给出转矩信号г，Profibus-DP总线信号7给出一个速度限定值V1，此时变频器1启动，拖动变频电机5旋转，进而带动舵机机械装置4转动，使舵机快速达到目标位置，在这种状态时，变频器1调速模式采用速度闭环模式，测速编码器(5)安装在变频电机尾端，直接把速度信号反馈到变频器1。 当舵机达到目标位置时，变频器1控制模式自动更换为直接转矩控制，转舵控制器通过直接I/O信号7给出启动信号start、方向信号FWD（或REV），转矩传感器3的输出作为转矩给定值直接送到变频器1，Profibus-DP总线信号7给出一个零速，变频电机5没有转动，但是始终有一个转矩输出，大小和舵机受到的水（或海水）的作用转矩相等，方向何其相反，使舵机稳定的保持在目标位置。 
实施例3：
图3中，一种无机械制动变频控制船舶舵机驱动装置，由变频器1、力矩传感器3、舵机机械装置4、变频电机5组成，其中，所述变频器1与变频电机5连接，变频器1还通过力矩传感器3与舵机机械装置4连接；所述变频器1上设置有转矩给定信号端口2、Profibus-DP总线信号端口 6和直接I/O信号端口7。还设置有辅变频器8、辅变频电机9和模拟信号分线器10；所述辅助辅变频器8与辅变频电机9连接，所述辅助辅变频器8通过模拟信号分线器10与力矩传感器3连接。
电动舵机的传动机构采用行星滚珠丝杠式。力矩传感器安装在丝杠上。 
本案例中，变频器有两套、变频电机也有两套，两者之间可以互为冗余，也可以共同驱动舵机装置。 
控制方法是：当舵机未转到目标时，需要全速向目标位置移动。转舵控制器通过直接I/O信号7给出启动信号start、方向信号FWD（或REV），通过转矩给定信号2给出转矩信号г，Profibus-DP总线信号6给出一个速度限定值V，此时变频器1(或辅变频器8启动，拖动变频电机5)(或辅变频电机9)旋转，进而带动舵机机械装置4转动，使舵机快速达到目标位置，在这种状态时，变频器1(或辅变频器))调速模式采用直接转矩模式。 当舵机达到目标位置时，变频器1(或辅变频器8)控制模式自动更换为直接转矩控制，转舵控制器通过直接I/O信号7给出启动信号start、方向信号FWD（或REV），转矩传感器3的输出经过模拟信号分线器10作为转矩给定值直接送到变频器1(或辅变频器8 )，Profibus-DP总线信号6给出一个零速，变频电机5 (或辅变频电机9)没有转动，但是始终有一个转矩输出，大小和舵机受到的水（或海水）的作用转矩相等，方向何其相反，使舵机稳定的保持在目标位置。 

Claims (6)

1.一种无机械制动变频控制船舶舵机驱动装置，其特征是由变频器(1)、力矩传感器(3)、舵机机械装置(4)、变频电机(5)组成，其中，所述变频器（1）与变频电机(5)连接，变频器（1）还通过力矩传感器(3)与舵机机械装置(4)连接；所述变频器（1）上设置有转矩给定信号端口(2)、Profibus-DP总线信号端口 (6)和直接I/O信号端口(7) 。
2.根据权利要求1所述无机械制动变频控制船舶舵机驱动装置，其特征是还设置有测速编码器(11)，变频器（1）通过测速编码器(11)与变频电机(5)连接。
3.根据权利要求1所述的无机械制动变频控制船舶舵机驱动装置，其特征是还设置有辅变频器(8)、辅变频电机(9)和模拟信号分线器(10)；所述辅助辅变频器(8)与辅变频电机(9)连接，所述辅助辅变频器(8)通过模拟信号分线器(10)与力矩传感器(3)连接。
4.一种如上述各权利1之一所述的无机械制动变频控制船舶舵机驱动装置的控制方法，其特征是包括下列步骤：在舵机未达到目标位置时，变频器以适当速度驱动电机，使之达到目标位置，变频器调速模式可以采用速度控制，也可以采用直接转矩控制；在舵机达到目标位置时，变频器驱动变频电机，输出速度始终为零，输出转矩与舵机受水作用力矩大小相等，方向相反，且根据舵机受水作用力矩的变化而跟随变化。
5.根据权利4要求所述的变无机械制动频控制船舶舵机驱动方法，其特征是变频器控制方式采用Profibus-DP总线控制和直接I/O控制混合控制方式，通过Profibus-DP总线实时给定转矩大小和速度限制值，通过直接I/O给定启动、方向等控制信号。
6.根据权利4要求所述的无机械制动变频控制船舶舵机驱动方法，其特征是变频器制动方式采用能量回馈制动方式，制动能量直接回馈到电网。
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