CN112810790A - 一种电动舵机及其使用方法 - Google Patents

Abstract

一种电动舵机，包括操舵智能单元、操舵控制单元与转舵执行单元，其中，操舵智能单元中的船端APP与操舵控制单元中的船舶数据集成系统进行信号连接，操舵控制单元中的数据采集与处理控制箱、转舵控制柜、变频驱动柜与转舵执行单元中的一号伺服电机、二号伺服电机进行对应的信号传递，以实现舵机舱工艺与来自驾驶室则远程操作工艺，该来自驾驶室则远程操作工艺包括随动操舵模式与非随动操舵模式。本设计不仅自动化程度较高，控制效果较好，而且可靠性较高，对能量的回收利用率较高。

Description

一种电动舵机及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种转舵装置，属于船舶操舵系统技术领域，尤其涉及一种电动舵机及其使用方法。

背景技术

目前，现有的船舶操舵系统在结构上多由舵机、舵杆、舵叶和操舵仪等部件组成，应用时，由操舵仪控制舵杆、舵叶进行转舵操作，但现有的船舶操舵系统多为机械式的人工操作，存在一些缺陷，如自动化程度较低，效率不高，可靠性和安全性较差等问题，急需一种自动化、智能化程度高的电动舵机。

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本专利申请的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的自动化程度较低、控制效果较差的缺陷与问题，提供一种自动化程度较高、控制效果较好的电动舵机及其使用方法。

为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：一种电动舵机，包括操舵智能单元、操舵控制单元与转舵执行单元，所述操舵智能单元与操舵控制单元之间进行信号连接，所述操舵控制单元与转舵执行单元之间进行信号连接；

所述操舵控制单元包括应急操舵面板、数据采集与处理控制箱、一号转舵控制柜、二号转舵控制柜、一号变频驱动柜、二号变频驱动柜与舵角指示器，所述应急操舵面板经船舶数据集成系统与操舵智能单元进行信号连接，所述应急操舵面板的输出端经一号转舵控制柜与一号变频驱动柜的输入端进行信号连接，应急操舵面板的输出端经二号转舵控制柜与二号变频驱动柜的输入端进行信号连接；

所述转舵执行单元包括舵角发讯和反馈传感器，以及与操舵控制单元均进行信号连接的一号伺服电机、二号伺服电机，所述一号伺服电机的输出端经一号边舵柄与一号舵叶相连接，二号伺服电机的输出端经二号边舵柄与二号舵叶相连接，一号伺服电机的输入端与一号变频驱动柜的输出端进行信号连接，二号伺服电机的输入端与二号变频驱动柜的输出端进行信号连接；

所述舵角发讯和反馈传感器、一号转舵控制柜、二号转舵控制柜都与数据采集与处理控制箱进行信号连接，且一号边舵柄、二号边舵柄各自与一个舵角指示器相连接。

所述操舵智能单元包括智能网关、智能工作站、岸端APP与船端APP，所述船端APP与船舶数据集成系统进行信号连接，所述船端APP的输出端经智能工作站与智能网关的输入端进行信号连接，所述智能网关的输出端与岸基APP进行信号连接。

所述转舵执行单元还包括行星减速器、齿轮箱与中舵柄，所述一号伺服电机、二号伺服电机的输出轴均与行星减速器的输入轴进行过盈配合连接，行星减速器的输出轴与齿轮箱的输入轴进行键连接，齿轮箱的输出轴通过胀紧联结套与中舵柄相连接，中舵柄上设置有舵角发讯和反馈传感器，中舵柄各通过一根舵杆与一号边舵柄、二号边舵柄对应连接。

所述中舵柄通过其端部设置的外螺纹带动舵角发讯和反馈传感器转动。

所述中舵柄的一端通过连接销与舵杆的一端相连接，舵杆的另一端通过连接销与一号边舵柄或二号边舵柄相连接。

所述一号变频驱动柜、二号变频驱动柜均与能量管理柜相连接，且在能量管理柜上连接有应急蓄电池。

一种上述电动舵机的使用方法，包括以下步骤：上电开机之后，若数据采集与处理控制箱未报警，则由转舵执行单元进行转舵操作，若数据采集与处理控制箱已报警，则先按照报警处理流程消除报警，再由转舵执行单元进行转舵操作；

所述转舵执行单元进行转舵操作包括舵机舱工艺；

所述舵机舱工艺是指：先由舵机舱本地启动一号伺服电机、二号伺服电机，再由操作者通过一号转舵控制柜、二号转舵控制柜发出舵角指令，以使一号舵叶、二号舵叶向指定方向转舵，直至操作者判断舵角到达目标舵角，则操作结束。

所述转舵执行单元进行转舵操作还包括来自驾驶室则远程操作工艺；所述来自驾驶室则远程操作工艺包括随动操舵模式；所述随动操舵模式是指：先由驾驶室远程启动一号伺服电机、二号伺服电机，再由操作者发出舵角指令，然后由一号转舵控制柜、二号转舵控制柜自动把舵角执行到指令舵角，且当舵角指示器自动判断舵角达到目标后，操作结束。

所述来自驾驶室则远程操作工艺还包括非随动操舵模式；所述非随动操舵模式是指：先由驾驶室远程启动一号伺服电机、二号伺服电机，再由操作者通过一号转舵控制柜、二号转舵控制柜发出舵角指令，以使一号舵叶、二号舵叶向指定方向转舵，直至操作者判断舵角到达目标舵角，则操作结束。

若在使用过程中，主电路出现断电，则先由能量管理柜将应急蓄电池提供的电源进行转换，再由能量管理柜向数据采集与处理控制箱、一号转舵控制柜、二号转舵控制柜、一号变频驱动柜、二号变频驱动柜供电。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明一种电动舵机及其使用方法中，包括操舵智能单元、操舵控制单元与转舵执行单元，三个单元之间相互进行信号连接，其中，操舵控制单元包括应急操舵面板、数据采集与处理控制箱、一号转舵控制柜、二号转舵控制柜、一号变频驱动柜、二号变频驱动柜与舵角指示器，转舵执行单元包括舵角发讯和反馈传感器，以及与操舵控制单元均进行信号连接的一号伺服电机、二号伺服电机，应用时，根据需求的不同，以及应用环境的区别，依据前述硬件的连接与信号传递关系，实现舵机舱工艺与来自驾驶室则远程操作工艺，以确保在各种工况下都具备较高的控制效果，实现预计的目标舵角。因此，本发明不仅自动化程度较高，而且控制效果较好。

2、本发明一种电动舵机及其使用方法中，转舵执行单元包括一号伺服电机与二号伺服电机，每个伺服电机都配备有专门的转舵控制柜、变频驱动柜、边舵柄以控制对应的舵叶，如此设计，两台伺服电机互为备用，备用电机跟随主电机同步运转，当转舵机构需要大扭矩时，两台伺服电机可同时工作，而当一台伺服电机出现故障时，另一台伺服电机可带动转舵机构运行，提高了机构的可靠性。因此，本发明不仅能实现的功率范围较宽广，而且运行的可靠性较高。

3、本发明一种电动舵机及其使用方法中，操舵控制单元主要包括应急操舵面板、数据采集与处理控制箱、转舵控制柜、变频驱动柜与舵角指示器，其中，应急操舵面板经船舶数据集成系统与操舵智能单元进行信号连接，变频驱动柜与能量管理柜相连接，能量管理柜上连接有应急蓄电池，应用时，应急蓄电池使得本设计具有冗余功能，可在主系统故障时实现应急操舵功能，此外，能量管理柜采用超级电容实现转舵再生能量的回收存储和二次利用，使得整个操舵系统更加绿色环保、节能减排。因此，本发明不仅具备冗余功能，能实现应急操舵功能，而且对能量的回收利用率较高，环保性较强。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1中转舵执行单元的结构示意图。

图3是本发明中使用方法的操作流程图。

图中：应急蓄电池1、操舵智能单元2、智能网关21、智能工作站22、岸端APP23、船端APP24、操舵控制单元3、应急操舵面板31、数据采集与处理控制箱32、一号转舵控制柜33、二号转舵控制柜34、一号变频驱动柜35、二号变频驱动柜36、舵角指示器37、船舶数据集成系统38、转舵执行单元4、中舵柄40、舵杆401、连接销402、一号伺服电机41、二号伺服电机42、舵角发讯和反馈传感器43、一号边舵柄44、一号舵叶45、二号边舵柄46、二号舵叶47、行星减速器48、齿轮箱49、能量管理柜5。

具体实施方式

以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参见图1—图3，一种电动舵机，包括操舵智能单元2、操舵控制单元3与转舵执行单元4，所述操舵智能单元2与操舵控制单元3之间进行信号连接，所述操舵控制单元3与转舵执行单元4之间进行信号连接；

所述操舵控制单元3包括应急操舵面板31、数据采集与处理控制箱32、一号转舵控制柜33、二号转舵控制柜34、一号变频驱动柜35、二号变频驱动柜36与舵角指示器37，所述应急操舵面板31经船舶数据集成系统38与操舵智能单元2进行信号连接，所述应急操舵面板31的输出端经一号转舵控制柜33与一号变频驱动柜35的输入端进行信号连接，应急操舵面板31的输出端经二号转舵控制柜34与二号变频驱动柜36的输入端进行信号连接，

所述转舵执行单元4包括舵角发讯和反馈传感器43，以及与操舵控制单元3均进行信号连接的一号伺服电机41、二号伺服电机42，所述一号伺服电机41的输出端经一号边舵柄44与一号舵叶45相连接，二号伺服电机42的输出端经二号边舵柄46与二号舵叶47相连接，一号伺服电机41的输入端与一号变频驱动柜35的输出端进行信号连接，二号伺服电机42的输入端与二号变频驱动柜36的输出端进行信号连接；

所述舵角发讯和反馈传感器43、一号转舵控制柜33、二号转舵控制柜34都与数据采集与处理控制箱32进行信号连接，且一号边舵柄44、二号边舵柄46各自与一个舵角指示器37相连接。

所述操舵智能单元2包括智能网关21、智能工作站22、岸端APP23与船端APP24，所述船端APP24与船舶数据集成系统38进行信号连接，所述船端APP24的输出端经智能工作站22与智能网关21的输入端进行信号连接，所述智能网关21的输出端与岸基APP进行信号连接。

所述转舵执行单元4还包括行星减速器48、齿轮箱49与中舵柄40，所述一号伺服电机41、二号伺服电机42的输出轴均与行星减速器48的输入轴进行过盈配合连接，行星减速器48的输出轴与齿轮箱49的输入轴进行键连接，齿轮箱49的输出轴通过胀紧联结套与中舵柄40相连接，中舵柄40上设置有舵角发讯和反馈传感器43，中舵柄40各通过一根舵杆401与一号边舵柄44、二号边舵柄46对应连接。

所述中舵柄40通过其端部设置的外螺纹带动舵角发讯和反馈传感器43转动。

所述中舵柄40的一端通过连接销402与舵杆401的一端相连接，舵杆401的另一端通过连接销402与一号边舵柄44或二号边舵柄46相连接。

所述一号变频驱动柜35、二号变频驱动柜36均与能量管理柜5相连接，且在能量管理柜5上连接有应急蓄电池1。

一种上述电动舵机的使用方法，包括以下步骤：上电开机之后，若数据采集与处理控制箱32未报警，则由转舵执行单元4进行转舵操作，若数据采集与处理控制箱32已报警，则先按照报警处理流程消除报警，再由转舵执行单元4进行转舵操作；

所述转舵执行单元4进行转舵操作包括舵机舱工艺；

所述舵机舱工艺是指：先由舵机舱本地启动一号伺服电机41、二号伺服电机42，再由操作者通过一号转舵控制柜33、二号转舵控制柜34发出舵角指令，以使一号舵叶45、二号舵叶47向指定方向转舵，直至操作者判断舵角到达目标舵角，则操作结束。

所述转舵执行单元4进行转舵操作还包括来自驾驶室则远程操作工艺；所述来自驾驶室则远程操作工艺包括随动操舵模式；所述随动操舵模式是指：先由驾驶室远程启动一号伺服电机41、二号伺服电机42，再由操作者发出舵角指令，然后由一号转舵控制柜33、二号转舵控制柜34自动把舵角执行到指令舵角，且当舵角指示器37自动判断舵角达到目标后，操作结束。

所述来自驾驶室则远程操作工艺还包括非随动操舵模式；所述非随动操舵模式是指：先由驾驶室远程启动一号伺服电机41、二号伺服电机42，再由操作者通过一号转舵控制柜33、二号转舵控制柜34发出舵角指令，以使一号舵叶45、二号舵叶47向指定方向转舵，直至操作者判断舵角到达目标舵角，则操作结束。

若在使用过程中，主电路出现断电，则先由能量管理柜5将应急蓄电池1提供的电源进行转换，再由能量管理柜5向数据采集与处理控制箱32、一号转舵控制柜33、二号转舵控制柜34、一号变频驱动柜35、二号变频驱动柜36供电。

本发明的原理说明如下：

本发明中的一号伺服电机41、二号伺服电机42均通过行星减速器48和齿轮箱49将动力传输到中舵柄40上，实现中舵柄40的摆动，再通过两套舵柄连杆机构（即舵杆401、连接销402）实现一号边舵柄44、二号边舵柄46的同步转动，最终一号边舵柄44、二号边舵柄46带动对应的一号舵叶45、二号舵叶47转动，实现转舵功能。

本发明中的操舵控制单元3（优选为舵角随动控制系统，具有力矩和舵角反馈功能）中，舵角指示器37用于接受舵角发讯器发出的舵角指示信号；应急操舵面板31用于控制一号转舵控制柜33或二号转舵控制柜34进行应急操舵；一号转舵控制柜33、二号转舵控制柜34用于接受应急操舵面板31发出的转舵信号，用于控制对应的一号变频驱动柜35、二号变频驱动柜36工作，并接受舵角反馈信号；数据采集与处理控制箱32用于接受一号转舵控制柜33、二号转舵控制柜34和传感器（包括但不限定于舵角指示器37，舵角发讯和反馈传感器43）的信号；一号变频驱动柜35、二号变频驱动柜36用于接受对应的一号转舵控制柜33、二号转舵控制柜34的信号，用于接受或传递来自能量管理柜5的再生能量；能量管理柜5采用超级电容实现转舵再生能量的回收存储和二次利用。所述能量管理柜5采用超级电容实现转舵再生能量的回收存储和二次利用。

本发明中的一号伺服电机41、二号伺服电机42，一为备用电机，另一个为主电机，备用电机跟随主电机同步运转；当转舵机构需要大扭矩时，两台伺服电机可同时工作。电机采用永磁同步伺服电机，集成电磁制动器和编码器。电磁制动器采用失电制动策略进行安全制动；编码器采用旋转编码器，满足控制单元舵角控制要求。

实施例1：

参见图1—图3，一种电动舵机，包括操舵智能单元2、操舵控制单元3与转舵执行单元4，所述操舵智能单元2与操舵控制单元3之间进行信号连接，所述操舵控制单元3与转舵执行单元4之间进行信号连接；所述操舵控制单元3包括应急操舵面板31、数据采集与处理控制箱32、一号转舵控制柜33、二号转舵控制柜34、一号变频驱动柜35、二号变频驱动柜36与舵角指示器37，所述应急操舵面板31经船舶数据集成系统38与操舵智能单元2进行信号连接，所述应急操舵面板31的输出端经一号转舵控制柜33与一号变频驱动柜35的输入端进行信号连接，应急操舵面板31的输出端经二号转舵控制柜34与二号变频驱动柜36的输入端进行信号连接，所述转舵执行单元4包括舵角发讯和反馈传感器43，以及与操舵控制单元3均进行信号连接的一号伺服电机41、二号伺服电机42，所述一号伺服电机41的输出端经一号边舵柄44与一号舵叶45相连接，二号伺服电机42的输出端经二号边舵柄46与二号舵叶47相连接，一号伺服电机41的输入端与一号变频驱动柜35的输出端进行信号连接，二号伺服电机42的输入端与二号变频驱动柜36的输出端进行信号连接；所述舵角发讯和反馈传感器43、一号转舵控制柜33、二号转舵控制柜34都与数据采集与处理控制箱32进行信号连接，且一号边舵柄44、二号边舵柄46各自与一个舵角指示器37相连接。

一种上述电动舵机的使用方法，包括以下步骤：上电开机之后，若数据采集与处理控制箱32未报警，则由转舵执行单元4进行转舵操作，若数据采集与处理控制箱32已报警，则先按照报警处理流程消除报警，再由转舵执行单元4进行转舵操作；所述转舵执行单元4进行转舵操作包括舵机舱工艺；所述舵机舱工艺是指：先由舵机舱本地启动一号伺服电机41、二号伺服电机42，再由操作者通过一号转舵控制柜33、二号转舵控制柜34发出舵角指令，以使一号舵叶45、二号舵叶47向指定方向转舵，直至操作者判断舵角到达目标舵角，则操作结束。

实施例2：

基本内容同实施例1，不同之处在于：

所述操舵智能单元2包括智能网关21、智能工作站22、岸端APP23与船端APP24，所述船端APP24与船舶数据集成系统38进行信号连接，所述船端APP24的输出端经智能工作站22与智能网关21的输入端进行信号连接，所述智能网关21的输出端与岸基APP进行信号连接。

实施例3：

基本内容同实施例1，不同之处在于：

所述转舵执行单元4进行转舵操作还包括来自驾驶室则远程操作工艺；所述来自驾驶室则远程操作工艺包括随动操舵模式；所述随动操舵模式是指：先由驾驶室远程启动一号伺服电机41、二号伺服电机42，再由操作者发出舵角指令，然后由一号转舵控制柜33、二号转舵控制柜34自动把舵角执行到指令舵角，且当舵角指示器37自动判断舵角达到目标后，操作结束。

实施例4：

基本内容同实施例3，不同之处在于：

所述来自驾驶室则远程操作工艺还包括非随动操舵模式；所述非随动操舵模式是指：先由驾驶室远程启动一号伺服电机41、二号伺服电机42，再由操作者通过一号转舵控制柜33、二号转舵控制柜34发出舵角指令，以使一号舵叶45、二号舵叶47向指定方向转舵，直至操作者判断舵角到达目标舵角，则操作结束。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (10)

1.一种电动舵机，包括操舵智能单元（2）、操舵控制单元（3）与转舵执行单元（4），所述操舵智能单元（2）与操舵控制单元（3）之间进行信号连接，所述操舵控制单元（3）与转舵执行单元（4）之间进行信号连接，其特征在于：

所述操舵控制单元（3）包括应急操舵面板（31）、数据采集与处理控制箱（32）、一号转舵控制柜（33）、二号转舵控制柜（34）、一号变频驱动柜（35）、二号变频驱动柜（36）与舵角指示器（37），所述应急操舵面板（31）经船舶数据集成系统（38）与操舵智能单元（2）进行信号连接，所述应急操舵面板（31）的输出端经一号转舵控制柜（33）与一号变频驱动柜（35）的输入端进行信号连接，应急操舵面板（31）的输出端经二号转舵控制柜（34）与二号变频驱动柜（36）的输入端进行信号连接；

所述转舵执行单元（4）包括舵角发讯和反馈传感器（43），以及与操舵控制单元（3）均进行信号连接的一号伺服电机（41）、二号伺服电机（42），所述一号伺服电机（41）的输出端经一号边舵柄（44）与一号舵叶（45）相连接，二号伺服电机（42）的输出端经二号边舵柄（46）与二号舵叶（47）相连接，一号伺服电机（41）的输入端与一号变频驱动柜（35）的输出端进行信号连接，二号伺服电机（42）的输入端与二号变频驱动柜（36）的输出端进行信号连接；

所述舵角发讯和反馈传感器（43）、一号转舵控制柜（33）、二号转舵控制柜（34）都与数据采集与处理控制箱（32）进行信号连接，且一号边舵柄（44）、二号边舵柄（46）各自与一个舵角指示器（37）相连接。

2.根据权利要求1所述的一种电动舵机，其特征在于：所述操舵智能单元（2）包括智能网关（21）、智能工作站（22）、岸端APP（23）与船端APP（24），所述船端APP（24）与船舶数据集成系统（38）进行信号连接，所述船端APP（24）的输出端经智能工作站（22）与智能网关（21）的输入端进行信号连接，所述智能网关（21）的输出端与岸基APP进行信号连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种电动舵机，其特征在于：所述转舵执行单元（4）还包括行星减速器（48）、齿轮箱（49）与中舵柄（40），所述一号伺服电机（41）、二号伺服电机（42）的输出轴均与行星减速器（48）的输入轴进行过盈配合连接，行星减速器（48）的输出轴与齿轮箱（49）的输入轴进行键连接，齿轮箱（49）的输出轴通过胀紧联结套与中舵柄（40）相连接，中舵柄（40）上设置有舵角发讯和反馈传感器（43），中舵柄（40）各通过一根舵杆（401）与一号边舵柄（44）、二号边舵柄（46）对应连接。

4.根据权利要求3所述的一种电动舵机，其特征在于：所述中舵柄（40）通过其端部设置的外螺纹带动舵角发讯和反馈传感器（43）转动。

5.根据权利要求3所述的一种电动舵机，其特征在于：所述中舵柄（40）的一端通过连接销（402）与舵杆（401）的一端相连接，舵杆（401）的另一端通过连接销（402）与一号边舵柄（44）或二号边舵柄（46）相连接。

6.根据权利要求1或2所述的一种电动舵机，其特征在于：所述一号变频驱动柜（35）、二号变频驱动柜（36）均与能量管理柜（5）相连接，且在能量管理柜（5）上连接有应急蓄电池（1）。

7.一种权利要求1或2所述的电动舵机的使用方法，其特征在于：所述使用方法包括以下步骤：

上电开机之后，若数据采集与处理控制箱（32）未报警，则由转舵执行单元（4）进行转舵操作，若数据采集与处理控制箱（32）已报警，则先按照报警处理流程消除报警，再由转舵执行单元（4）进行转舵操作；

所述转舵执行单元（4）进行转舵操作包括舵机舱工艺；

所述舵机舱工艺是指：先由舵机舱本地启动一号伺服电机（41）、二号伺服电机（42），再由操作者通过一号转舵控制柜（33）、二号转舵控制柜（34）发出舵角指令，以使一号舵叶（45）、二号舵叶（47）向指定方向转舵，直至操作者判断舵角到达目标舵角，则操作结束。

8.根据权利要求7所述的一种电动舵机的使用方法，其特征在于：所述转舵执行单元（4）进行转舵操作还包括来自驾驶室则远程操作工艺；

所述来自驾驶室则远程操作工艺包括随动操舵模式；

所述随动操舵模式是指：先由驾驶室远程启动一号伺服电机（41）、二号伺服电机（42），再由操作者发出舵角指令，然后由一号转舵控制柜（33）、二号转舵控制柜（34）自动把舵角执行到指令舵角，且当舵角指示器（37）自动判断舵角达到目标后，操作结束。

9.根据权利要求8所述的一种电动舵机的使用方法，其特征在于：所述来自驾驶室则远程操作工艺还包括非随动操舵模式；

所述非随动操舵模式是指：先由驾驶室远程启动一号伺服电机（41）、二号伺服电机（42），再由操作者通过一号转舵控制柜（33）、二号转舵控制柜（34）发出舵角指令，以使一号舵叶（45）、二号舵叶（47）向指定方向转舵，直至操作者判断舵角到达目标舵角，则操作结束。

10.根据权利要求7所述的一种电动舵机的使用方法，其特征在于：若在使用过程中，主电路出现断电，则先由能量管理柜（5）将应急蓄电池（1）提供的电源进行转换，再由能量管理柜（5）向数据采集与处理控制箱（32）、一号转舵控制柜（33）、二号转舵控制柜（34）、一号变频驱动柜（35）、二号变频驱动柜（36）供电。

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