CN107444603A - 一种新型的船舶全回转桨步进转舵控制系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于船舶全回转桨控制技术领域，具体涉及一种新型的船舶全回转桨步进转舵控制系统和方法，所述系统主要包括：操作手柄、控制模块、舵角反馈器、步进驱动系统和变频电机推进系统，其中，所述操作手柄包括：编码器；所述编码器与所述控制模块相连；所述舵角反馈器与所述控制模块相连；所述步进驱动系统分别与所述控制模块和所述全回转桨的转舵机构相连；所述变频电机推进系统分别与所述控制模块和所述全回转桨的螺旋桨相连。本发明采用PLC控制系统控制步进驱动器和步进电机来驱动转舵机构,从而提高了转舵角度控制精度、实现快速转舵以及同时消除震荡的功能，大大提高了驾驶安全性。

Description

一种新型的船舶全回转桨步进转舵控制系统和方法
技术领域
本发明属于船舶全回转桨控制技术领域，具体涉及一种新型的船舶全回转桨步进转舵控制系统和方法。
背景技术
全回转舵桨，即舵桨装置，舵桨装置集合舵与桨的作用合成一体，取代常规的舵和桨，在我国的应用越来越多，其优异的机动性能，具有便于操作、维修、节能等优点。
全回转舵桨电控系统主要由驾控台、中控箱、变频器箱、步进电机启动箱、变频电机、变频器、步进电机、操作手柄以及舵角反馈器等组成。具体操作分为中控箱控制、驾控台非随动控制和随动控制，几种控制方法之间可以通过转换开关切换，其中所默认的操舵方式为随动控制模式。
目前传统全回转舵桨存在如下问题：变频转舵电机的转舵精度不高；推进电机的运行对同轴安装的舵角反馈器产生干扰，这样会造成角度的不稳定震动甚至角度反向跳跃的结果，同时舵角反馈器的不稳定会导致步进电机经常转向运行来回震荡，影响转舵控制甚至造成转舵方向反转，船转舵超过180度，造成极大的不安全因素。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种新型的船舶全回转桨步进转舵控制系统和方法，采用PLC控制系统控制步进驱动器和步进电机来驱动转舵机构,从而提高了转舵角度控制精度、实现快速转舵以及同时消除震荡的功能，大大提高了驾驶安全性。
为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案为：
本发明提出了一种新型的船舶全回转桨步进转舵控制系统，包括：操作手柄、控制模块、舵角反馈器、步进驱动系统和变频电机推进系统，其中，所述操作手柄包括：编码器，用于采集所述操作手柄给定的舵角信号和速度信号；所述编码器与所述控制模块相连，将所述给定的舵角信号和速度信号传输至所述控制模块中；所述舵角反馈器与所述控制模块相连，用于将所述舵角反馈器采集的实际舵角信号反馈至所述控制模块中；所述步进驱动系统分别与所述控制模块和所述全回转桨的转舵机构相连，用于驱动所述转舵机构转舵；所述变频电机推进系统分别与所述控制模块和所述全回转桨的螺旋桨相连，用于驱动所述螺旋桨转动，进行调速。
进一步的，所述步进驱动系统包括：步进驱动器和步进电机，所述步进驱动器分别与所述控制模块和所述步进电机相连。
进一步的，所述步进驱动系统还包括：减速机，所述减速机一端与所述步进电机相连，另一端与所述转舵机构相连。
进一步的，所述步进电机的个数为两个，对称设置于所述变频电机推进系统中变频电机的主轴的两侧。
进一步的，所述变频电机推进系统包括：变频器和变频电机，所述变频器与所述控制模块相连，所述变频电机与所述变频器相连。
进一步的，还包括：驾控台和电源分配箱，所述驾控台上设有所述操作手柄，所述电源分配箱与所述控制模块相连。
进一步的，还包括：中心控制箱，所述中心控制箱内设有所述控制模块，所述控制模块为PLC控制系统。
在本发明的另一方面，提出了一种利用前面所述的船舶全回转桨步进转舵控制系统对全回转桨进行控制的方法，包括以下步骤：
（1）所述操作手柄给定一个舵角信号，并将所述给定的舵角信号传输至所述控制模块中，所述控制模块驱动所述转舵机构运行，产生实际舵角信号；
（2）所述舵角反馈器采集所述实际舵角信号，并将所述采集的实际舵角信号反馈至所述控制模块中；
（3）所述控制模块将所述实际舵角信号与所述给定的舵角信号进行比较形成舵角差，根据所述舵角差进行最短路径处理，使实际舵角信号达到所述操作手柄给定的舵角信号。
进一步的，所述最短路径处理包括：所述控制模块驱动所述转舵机构以最小的转舵角度在最短的转舵时间内，使实际舵角信号达到所述操作手柄给定的舵角信号。
进一步的，所述转舵角度的范围为0-360°。
本发明的有益效果为：本发明采用PLC控制系统进行最短路径处理，控制步进驱动器和步进电机来驱动转舵机构,使实际的舵角达到给定的舵角，从而提高了转舵角度控制精度、实现快速转舵以及同时消除震荡的功能，大大提高了驾驶安全性。
附图说明
图1为本发明船舶全回转桨步进转舵控制系统的结构示意图。
图2为本发明船舶全回转桨步进转舵控制系统的连接结构示意图。
图3为本发明船舶全回转桨步进转舵控制系统的舵角差转舵示意图。
其中，编码器1，PLC控制系统2，舵角反馈器3，步进驱动系统4，步进电机401，减速机402，变频电机推进系统5，电源分配箱6, 螺旋桨7，主轴8。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。
根据本发明的实施例，图1为本发明船舶全回转桨步进转舵控制系统的结构示意图，参照图1所示，本发明所述船舶全回转桨步进转舵控制系统包括：操作手柄、控制模块、舵角反馈器3、步进驱动系统4、变频电机推进系统5、中心控制箱、驾控台和电源分配箱6。
根据本发明的一些实施例，本发明所述操作手柄位于所述驾控台上，所述操作手柄内设有编码器1，所述编码器优先为绝对值编码器，用于采集所述操作手柄给定的舵角信号和速度信号。
根据本发明的一些实施例，本发明所述控制模块为PLC控制系统2，设置于所述中心控制箱内。
根据本发明的一些实施例，本发明所述电源分配箱与所述PLC控制系统相连，用于提供电源。
根据本发明的实施例，参照图1所示，所述编码器通过屏蔽线与所述PLC控制系统相连，将所述操作手柄给定的舵角信号和速度信号通过485通讯协议传输至所述PLC控制系统中；根据本发明的一些实施例，所述PLC控制系统对所述操作手柄给定的舵角信号和速度信号进行滤波容错处理。
根据本发明的实施例，参照图1所示，所述舵角反馈器与所述PLC控制系统相连，用于将所述舵角反馈器采集的实际舵角信号通过485通讯协议反馈至所述PLC控制系统中；根据本发明的一些实施例，所述PLC控制系统对所述舵角反馈器采集的实际舵角信号进行滤波容错处理；所述舵角反馈器优选为绝对值编码器。
根据本发明的一些实施例，本发明所述绝对值编码器为工业级。
根据本发明的实施例，图2为本发明船舶全回转桨步进转舵控制系统的连接结构示意图，参照图1和图2所示，所述步进驱动系统4包括：步进驱动器、步进电机401和减速机402，其中，所述步进电机的输入端通过所述步进驱动器与所述PLC控制系统相连，所述步进电机的输出端与所述减速机的一端相连，所述减速机的另一端与所述转舵机构相连，用于驱动所述转舵机构进行转舵。
根据本发明的实施例，参照图1和图2所示，所述变频电机推进系统5包括：变频器和变频电机，所述变频器与所述PLC控制系统相连，所述变频电机的输入端与所述变频器相连，其输出端通过其主轴8与所述全回转桨的螺旋桨相连，用于驱动所述螺旋桨7转动产生使船舶前进的推力，且对船舶进行调速。
根据本发明的一些实施例，参照图1所示，本发明所述步进电机的个数为两个，对称设置于所述变频电机的主轴的两侧，其中一个用于备用。
根据本发明的一些实施例，本发明所述操作手柄给定的舵角信号和速度信号可以相应理解为给定的所述转舵机构的舵角和旋转速度。
根据本发明的一些实施例，所述操作手柄还包括：信号故障报警系统，在信号传输的过程中出现故障时，发出警报，指引操舵人员进行维修。
在本发明的另一方面，提出了一种利用前面所述的船舶全回转桨步进转舵控制系统对全回转桨进行控制的方法，具体包括以下步骤：
（1）所述操作手柄给定一个舵角信号，并将所述给定的舵角信号a1传输至所述PLC控制系统中，所述PLC控制系统驱动所述步进驱动系统，进而驱动所述转舵机构运行，产生实际舵角信号a2。
根据本发明的实施例，图2为本发明船舶全回转桨步进转舵控制系统的连接结构示意图，参照图1和图2所示，所述步进驱动系统包括：步进驱动器、步进电机和减速机，其中，所述步进电机的输入端通过所述步进驱动器与所述PLC控制系统相连，所述步进电机的输出端与所述减速机的一端相连，所述减速机的另一端与所述转舵机构相连，用于驱动所述转舵机构进行转舵。
（2）所述舵角反馈器采集所述实际舵角信号，并将所述采集的实际舵角信号反馈至所述PLC控制系统中。
（3）所述PLC控制系统将所述实际舵角信号与所述给定的舵角信号进行比较形成舵角差a3，根据所述舵角差进行最短路径处理，使实际舵角信号达到所述操作手柄给定的舵角信号，即实际舵角与所述操作手柄给定的舵角一致。
根据本发明的一些实施例，所述最短路径处理包括：所述控制模块驱动所述转舵机构以最小的转舵角度在最短的转舵时间内，使实际舵角信号达到所述操作手柄给定的舵角信号。
根据本发明的一些实施例，本发明所述最小的转舵角度可以理解为：根据所述舵角差，控制转舵的方向，在最短的转舵时间内，使实际舵角达到所述操作手柄给定的舵角。
根据本发明的一些实施例，本发明所述步骤（1）还包括：所述操作手柄转到某一个角度进行给定舵角信号时，待其稳定后，再读取给定的舵角值，进行所述给定的舵角信号的传输，提高精确度。
根据本发明的一些实施例，本发明所述最短路径处理还包括：当所述PLC控制系统控制转舵机构时，所述PLC控制系统根据所述舵角差的大小，对所述步进电机的转速进行控制，加快转舵方向，具体的：当所述舵角差小于180°时，所述PLC控制系统控制所述步进电机加速，当所述舵角差大于180°时，所述PLC控制系统控制所述步进电机降速，防止所述转舵机构因惯性无法稳定。
根据本发明的一些实施例，图3为本发明船舶全回转桨步进转舵控制系统的舵角差转舵示意图，参照图3所示，为了更好的理解和说明本发明所述的最短路径处理，本发明将顺时针转舵设为正方向，将逆时针转舵设为反方向，且具体采取以下实施例1-4。
实施例1：当所述操作手柄给定的舵角大于所述实际的舵角，且二者舵角差大于180°，所述PLC控制系统控制转舵机构进行反转，更具体的，为使实际舵角达到所述操作手柄给定的舵角，如所述操作手柄给定的舵角为350°，所述实际的舵角为30°，如果正方向转舵，需要的转舵角度为320°，如果反方向转舵，所需要的转舵角度只有40°，即本发明所述最小的转舵角度。
实施例2：当所述操作手柄给定的舵角大于所述实际的舵角，且二者舵角差小于180°，所述PLC控制系统控制转舵机构进行正转，更具体的，为使实际舵角达到所述操作手柄给定的舵角，如所述操作手柄给定的舵角为60°，所述实际的舵角为30°，如果反方向转舵，需要的转舵角度为330°，如果正方向转舵，所需要的转舵角度为30°，即本发明所述最小的转舵角度。
实施例3：当所述操作手柄给定的舵角小于所述实际的舵角，且二者舵角差小于180°，所述PLC控制系统控制转舵机构进行反转，更具体的，为使实际舵角达到所述操作手柄给定的舵角，如所述操作手柄给定的舵角为30°，所述实际的舵角为60°，如果正方向转舵，需要的转舵角度为330°，如果反方向转舵，所需要的转舵角度只有30°，即本发明所述最小的转舵角度。
实施例4：当所述操作手柄给定的舵角小于所述实际的舵角，且二者舵角差大于180°，所述PLC控制系统控制转舵机构进行正转，更具体的，为使实际舵角达到所述操作手柄给定的舵角，如所述操作手柄给定的舵角为30°，所述实际的舵角为350°，如果反方向转舵，需要的转舵角度为320°，如果正方向转舵，所需要的转舵角度为40°，即本发明所述最小的转舵角度。
根据本发明的一些实施例，本发明所述PLC控制系统中设有延时模块，当所述PLC控制系统控制所述转舵机构进行为反方向转舵，即步进电机的方向发生改变，如上实施例1和实施例3，所述延时模块进行作用延时一段时间后，再控制所述步进电机方向发生改变，防止因突然变向，造成转舵不稳定和螺旋桨摆动，进而导致所述步进电机的堵转烧坏。
根据本发明的一些实施例，所述延时时间可以根据实际情况进行设置。
根据本发明的一些实施例，所述转舵角度的范围为0-360°。
根据本发明的一些实施例，本发明PLC控制系统中还设定了所述步进电机启动角度差值，当所述舵角差大于所述步进电机的启动角度差值时，所述步进电机启动，消除了电机因舵角小范围波动而出现的反复启动问题，进而在保证转舵精度的基础上很好的保护了电机。
发明人发现，根据本发明所述的船舶全回转桨步进转舵控制系统和方法，采用PLC控制系统进行最短路径处理，控制步进驱动器和步进电机来驱动转舵机构,使实际的舵角达到给定的舵角，从而提高了转舵角度控制精度、实现快速转舵以及同时消除震荡的功能，大大提高了驾驶安全性。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。

Claims (10)

1.一种新型的船舶全回转桨步进转舵控制系统，包括：操作手柄、控制模块、舵角反馈器、步进驱动系统和变频电机推进系统，其特征在于，其中，
所述操作手柄包括：编码器，用于采集所述操作手柄给定的舵角信号和速度信号；
所述编码器与所述控制模块相连，将所述给定的舵角信号和速度信号传输至所述控制模块中；
所述舵角反馈器与所述控制模块相连，用于将所述舵角反馈器采集的实际舵角信号反馈至所述控制模块中；
所述步进驱动系统分别与所述控制模块和所述全回转桨的转舵机构相连，用于驱动所述转舵机构转舵；
所述变频电机推进系统分别与所述控制模块和所述全回转桨的螺旋桨相连，用于驱动所述螺旋桨转动，进行调速。
2.根据权利要求1所述的船舶全回转桨步进转舵控制系统，其特征在于，所述步进驱动系统包括：步进驱动器和步进电机，所述步进驱动器分别与所述控制模块和所述步进电机相连。
3.根据权利要求2所述的船舶全回转桨步进转舵控制系统，其特征在于，所述步进驱动系统还包括：减速机，所述减速机一端与所述步进电机相连，另一端与所述转舵机构相连。
4.根据权利要求3所述的船舶全回转桨步进转舵控制系统，其特征在于，所述步进电机的个数为两个，对称设置于所述变频电机推进系统中变频电机的主轴的两侧。
5.根据权利要求1所述的船舶全回转桨步进转舵控制系统，其特征在于，所述变频电机推进系统包括：变频器和变频电机，所述变频器与所述控制模块相连，所述变频电机与所述变频器相连。
6.根据权利要求1所述的船舶全回转桨步进转舵控制系统，其特征在于，还包括：驾控台和电源分配箱，所述驾控台上设有所述操作手柄，所述电源分配箱与所述控制模块相连。
7.根据权利要求2所述的船舶全回转桨步进转舵控制系统，其特征在于，还包括：中心控制箱，所述中心控制箱内设有所述控制模块，所述控制模块为PLC控制系统。
8.一种利用权利要求1-7中任一项所述的船舶全回转桨步进转舵控制系统对全回转桨进行控制的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）所述操作手柄给定一个舵角信号，并将所述给定的舵角信号传输至所述控制模块中，所述控制模块驱动所述转舵机构运行，产生实际舵角信号；
（2）所述舵角反馈器采集所述实际舵角信号，并将所述采集的实际舵角信号反馈至所述控制模块中；
（3）所述控制模块将所述实际舵角信号与所述给定的舵角信号进行比较形成舵角差，根据所述舵角差进行最短路径处理，使实际舵角信号达到所述操作手柄给定的舵角信号。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述最短路径处理包括：所述控制模块驱动所述转舵机构以最小的转舵角度在最短的转舵时间内，使实际舵角信号达到所述操作手柄给定的舵角信号。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述转舵角度的范围为0-360°。
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