CN203158224U - 基于全向推进器的操纵控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了基于全向推进器的操纵控制系统，全向推进器包括主推进电机、舵轴及齿轮箱，主推进电机的输入轴与齿轮箱间通过轴承而转动配合，操纵控制系统包括操纵台、控制柜、主电机驱动器、转向电机、舵角传感器、减速器、温度传感器，操纵台与控制柜相联，控制柜与主电机驱动器、转向电机、舵角传感器、温度传感器相联，主电机驱动器与主推进电机相联；温度传感器安装于齿轮箱内，用于检测轴承的温度；转向电机的输入轴通过减速器与舵轴连动，舵角传感器安装于减速器，用于检测舵角。本实用新型控制系统具有结构简单、控制环节少、可靠性高、维护简便等特点。

Description

基于全向推进器的操纵控制系统

技术领域

本实用新型属于船舶推进及操纵控制技术领域，特别涉及一种与船舶全向推进装置配合而构成的一种新型船舶电力操纵推进系统，其具有系统简单、操作简便、可控性高等特点。

背景技术

长期以来人们为探索新型高效的船用推进装置进行了不懈的努力，创造了诸多的船舶推进形式，如桨、橹、明轮、螺旋桨、导管螺旋桨、喷水推进器等。随着航运船舶的大型化以及船舶对操纵性要求的不断提高，迫切需要进一步提高船舶推进装置的综合性能，因此具有舵桨功能的电力推进操纵推进系统具有非常广阔的应用前景。

我国在船舶电力推进系统研究及应用方面起步较晚，其操纵控制系统存在信号反馈工作时间长、控制算法复杂、可控程度不够高、无模拟人机交互界面板等问题，实际船舶运用中存在操纵指令与实际反馈误差较大的情况，故该操纵控制系统应用范围受限。随着电力电子技术迅速发展，大功率交流电机变频调速技术日臻成熟，基于晶闸管整流/逆变方案和IGBT器件方案实现的船舶电力推进技术在国外得以迅速发展，并在可靠性和运行效率等方面都有了突破，从而使电力推进技术的应用领域不断扩大，除应用于破冰船、挖泥船、渡轮以外，还广泛用于大中型常规船舶，显示出广泛的市场前景。据统计，近3年来新建的油轮、渡轮、游轮、集装箱船有30%采用电力推进系统。因此，电力推进将是一种被广泛采用的先进船舶推进系统。

杭州风光科技有限公司向国知局申报了一种差速型船用平旋推进装置，其专利号为CN201010549180.0，该专利产品已正式投入生产。其具有吃水浅、安装维护方便、操纵性能好、舵桨合一等诸多优点，该推进器可旋转的圆盘置于船底，圆盘下面沿圆周装有若干能转动的直叶片深入水中。本实用新型提供了一种与之配套的操纵控制系统。

发明内容

本实用新型公开了一种基于全向推进器的操纵控制系统。本实用新型基于全向推进器的操纵控制系统实现了两台全向推进器的转舵控制与推进器转速控制的功能，主要由操纵台、控制柜、转舵装置、主推装置、测量装置等组成，具有经济性好、操纵性好、安全性高、节省空间、噪音低等优点，将推进器常规意义上的舵角范围±35度扩展到±360度，引入一个全新的操舵概念。

本实用新型采取以下技术方案：基于全向推进器的操纵控制系统，所述的全向推进器包括主推进电机、舵轴及齿轮箱，主推进电机的输入轴与齿轮箱间通过轴承而转动配合，所述的操纵控制系统包括操纵台、控制柜、主电机驱动器、转向电机、舵角传感器、减速器、温度传感器，操纵台与控制柜相联，控制柜与主电机驱动器、转向电机、舵角传感器、温度传感器相联，主电机驱动器与主推进电机相联；温度传感器安装于所述的齿轮箱内，用于检测所述轴承的温度；所述转向电机的输入轴通过所述的减速器与所述的舵轴连动，所述的舵角传感器安装于所述的减速器，用于检测舵角。

所述的基于全向推进器的操纵控制系统，操纵台设置触摸屏，触摸屏通过电线连接电源，并通过串口数据线与控制柜连接而通讯，并控制及显示控制柜的相关信息和参数。

所述的基于全向推进器的操纵控制系统，操纵台设置主推进速度手柄，与主电机驱动器连接，给主电机驱动器提供模拟量信号。

所述的基于全向推进器的操纵控制系统，设有一应急手轮，应急手轮通过减速器与舵轴连动。

所述的基于全向推进器的操纵控制系统，控制柜内设有空气开关、热继电器、PLC控制器、电机正反转模块，空气开关连接在转向电机的动力电源进线上，对转向电机进行短路保护；热继电器接在空气开关之后，对转向电机进行过载报警；电机正反转模块接在热继电器之后，输出与转向电机相连；电机正反转模块接收PLC控制器发来的控制信号，对电机进行正反转控制驱动。

所述的基于全向推进器的操纵控制系统，控制柜还设有模拟量模块；PLC控制器与模拟量模块通过总线相联，PLC控制器接收转向手柄开关量、热继电器报警开关量、失电报警开关量、主电机驱动器的速度模拟量信号；模拟量模块接收来自舵角传感器、温度传感器的模拟量输入信号，舵角传感器和温度传感器分别测量全向推进器的舵角和推进器轴承温度。

所述的基于全向推进器的操纵控制系统，减速器采用两级涡轮蜗杆减速器组合而成。

本实用新型所涉及全向推进器的内容参见申请号为201010549180.0的中国专利文献。

本实用新型控制系统具有结构简单、控制环节少、可靠性高、维护简便等特点，解决了传统电力推进系统存在结构复杂、维修困难、故障率高等问题。该系统响应快速、控制精确、全向电力推进电机转速易于调节，在正/反转等各种转速下都能提供恒定转矩，因此能得到最佳的工作特性，使船舶取得优良的操纵性等特点，较好地实现了转矩、转速的控制，并可实现两台全向推进器的同步和异步操纵控制。

本实用新型与申请号为201010549180.0差速型船用平旋推进装置配套，这种全向推进器的电力操纵控制系统可使竖向翼除能跟着圆盘旋转外，还能绕自身轴线以一定规律摆动，因而能形成任何方向推力来操纵船舶，具有灵活可靠、工作平稳、精度高、无级变速、随动随停、可改变推力大小及方向的特性，且不受航速影响，在任何航速下均可操纵船舶并可进行原地回转。

附图说明

图1是本实用新型操纵控制系统的构成框图。

图2是操纵台的布置图。

图3是触摸屏的第一页显示屏。

图4是触摸屏的第二页显示屏。

图5是触摸的第三页显示屏。

图6是控制柜内部功能框图。

图7是转舵部分框图。

图8是测量部分的框图。

图9是主推部分的框图。

图10是本实用新型一种实施例的系统模块框图。

图11是本实用新型操纵控制系统的电路原理图一。

图12是本实用新型操纵控制系统的电路原理图二。

图13是转舵控制流程图。

图14是舵角复位流程图。

图15A、15B是转舵处理流程图。

图16是侧推控制流程图。

图17是侧推子流程图。

图18是速度手柄控制主机速度的流程图。

图19是温度显示和报警的流程图。

图20是初始值设定的流程图。

图21是电路报警处理的流程图。

图22是主机速度显示的流程图。

图23A、23B是控制器的总流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型实施例作详细说明。

图1中，1-操纵台、2-控制柜、3-主电机驱动器、4-转向电机、5-舵角传感器、6-减速器、7-温度传感器、8-全向推进器、应急手轮9。

参见图1、11、12，全向推进器8采用申请号为201010549180.0所公开的差速型船用平旋推进装置，具有吃水浅、装维护方便、纵性能好、桨合一等诸多优点。其包括主推进电机8-1、舵轴及齿轮箱8-2，主推进电机的输入轴8-1-1与齿轮箱间通过轴承而转动配合。为了与该全向推进器配套，以发挥其功能效用，本实用新型专门设计了一套操纵控制系统，该操纵控制系统采用纯电动方式，即采用电力推进和电动转舵的方式。而本实施例可实现两台推进器的同步和异步操纵控制。

操纵控制系统包括操纵台1、控制柜2、主电机驱动器3、转向电机4、舵角传感器5、减速器6、温度传感器7，操纵台1与控制柜2相联，控制柜2与主电机驱动器3、转向电机4、舵角传感器5、温度传感器7相联，控制柜2通过控制柜电源线与外界电源相联；主电机驱动器3与主推进电机8-1相联，主电机驱动器3通过主推动力电源线与外界电源相样；温度传感器7安装于齿轮箱8-2内，用于检测轴承的温度；转向电机4的输入轴通过减速器6与舵轴连动，舵角传感器安装于减速器，用于检测舵角。在本实施例中，还设有一应急手轮9，应急手轮9通过减速器6与舵轴连动。下面详述各部分内容。

第一部分：操纵台

如图2所示，操纵台上布置有触摸屏1-9、主推进速度手柄1-12、转向手柄1-13、应急转向手柄1-14、主推进使能开关1-8、转换开关1-10、蜂鸣器1-11。

触摸屏共有三页显示画面，第一页如图3所示，包含的内容有：1.显示两台推进器舵角的大小，共有数字和指示针两种方式；2.显示两台推进器转速的大小，为数字显示方式；3.显示推进器输入轴承温度和温度报警，温度为数字显示方式；4.显示船体模型图示；5.系统电源和运行显示灯显示；6.舵角回零功能按钮，可实现两个推进器舵角的回零；7.自动同步功能开关，可实现两个推进器舵角同步转动的功能；8.两个舵角转动控制开关，分别控制两个推进器的舵角转动功能，开关开启时，扳动转向手柄，舵机可以转动，开关关闭时，扳动转向手柄，舵机不转动；9.侧推平移按钮，点击侧推按钮，显示屏进入第二页侧推平移画面。

第二页如图4所示，包含的内容有：1.一个左侧推开关和一个右侧推开关，开启其中一个，船体可以进行左平移或者右平移运动，两个开关功能互为联锁；当系统侧推平移时，主推进速度手柄无效；2.显示船体模型和左右侧推指示箭头、指示灯，当开启左侧推或右侧推开关，相应的箭头和指示灯变亮；3.显示船运动过程的语句说明；4.设置按钮，点击设置按钮，第三页设置画面。

第三页如图5所示，包含的内容有：1.左侧推左舵角设置，点击后面的数字框，输入数字，即为船左侧推平移运行时，左推进器自动转动到的舵角值；2.左侧推右舵角设置，点击后面的数字框，输入数字，即为船左侧推平移运行时，右推进器自动转动到的舵角值；3.右侧推左舵角设置，点击后面的数字框，输入数字，即为船右侧推平移运行时，左推进器自动转动到的舵角值；4.右侧推右舵角设置，点击后面的数字框，输入数字，即为船右侧推平移运行时，右推进器自动转动到的舵角值；5.侧推速度设置，为设置左右侧推运行时，推进器的转速；6.左舵初始角设置，为左推进器装船后初始零位角度的调整值；7.右舵初始角设置，为右推进器装船后初始零位角度的调整值。

触摸屏通过电线连接与24V电源，通过串口数据线与PLC控制器连接通讯，传输数据，显示和控制PLC的相关信息和参数。

主推进速度手柄为双手柄，左右手柄分别与控制左右推进器转速的主电机驱动器连接，驱动器提供模拟量信号；手柄有定位功能，手柄向前打，推进正转且转速增大，手柄过零位后，向后打，推进器反转且转速增大。

转向手柄为两台推进器共用一个手柄，转向手柄与PLC控制器数字量输入端连接，给控制器提供开关量信号。手柄有自动复位功能，当手柄向左打，当触摸屏上的两个舵角转动控制开关为开启时，两个推进器转舵电机都转动，舵角向左打，手放开手柄，手柄回零位，转舵电机停转，舵角锁定不动；手柄向右打时，同理。当其中一台推进器的舵角转动开关关闭时，该推进器电机不会转动。

应急转向手柄功能与转向手柄相似，与应急系统的电机控制继电器输入端连接，为切换到应急状态时使用的转向手柄。

主推进使能开关与主电机驱动器连接，两个使能开关控制两个驱动器的使能，开关关闭时，主推进速度手柄失效，主电机为停止状态。

转换开关为左中右三档，其中左档与主控制系统电源连接，开关打左档时，主控制系统连上电源；开关打中档时，主控制系统与应急系统电源都切断；开关打右档时，应急系统连上电源；所以转换开关起到系统切换的功能。

第二部分：控制柜

图6中，2-15、2-16.控制开关、2-17.开关电源、2-18.PLC控制器、2-19.模拟量模块、2-20、2-21.侧推控制中间继电器、2-22、2-23.失电检测继电器、2-24、2-25.热继电器、2-26、2-27.应急系统控制开关、2-28、2-29.电机正反转模块、2-30、2-31.应急系统控制开关、2-32.应急系统开关电源、2-33、2-34、2-35、2-36.应急系统继电器、2-37.接线端子排。

如图6所示，控制柜内设有空气/控制开关、热继电器、中间继电器、开关电源、PLC控制器、模拟量模块、电机正反转模块、启动电容等元器件。两个空气开关分别连接在两个转舵电机动力电源进线上，对电机进行短路保护；两个热继电器分别接线在两个空气开关的后面，对电机进行过载报警；两个电机正反转模块分别接在热继电器的后面，再输出与转向电机相连；模块接收控制器发来的控制信号，对电机进行正反转控制驱动；启动电容按规定接在转向电机的两条进线间。

AC220V电源进线分别给两个转舵电机提供动力电源，并给开关电源提供220V输入。开关电源经过电源变换，输出DC24V给PLC控制器、模拟量模块、触摸屏、传感器等供电。

PLC控制器与模拟量模块通过总线连成一个整体，主PLC接收转向手柄开关量、热继电器报警开关量、失电报警开关量，这些开关量信号输入，还有来自两个主电机驱动器的速度模拟量信号；模拟量模块接收来自两个舵角传感器，两个温度传感器的模拟量输入信号，而这两个角度传感器和温度传感器分别测量每台推进器的舵角和推进器轴承温度。控制器内部根据输入信号进行运算，输出开关量信号给两个电机正反转模块，报警蜂鸣器，侧推控制继电器，输出模拟量信号给主电机驱动器速度模拟输入端。

控制器根据接收到的转向手柄信号，然后输出信号给电机正反转模块，控制转向电机的转动，以实现控制舵角的变化；根据舵角传感器的输入信号，在触摸屏上实时显示当前的每个推进器的舵角值，在自动同步功能中，还依此控制转向电机的转动，实现两个舵角值的基本同步；根据温度传感器的的输入，在触摸屏上实时显示当前轴承温度和轴承温度过高报警；根据主电机驱动器送来的电机速度反馈信号，在触摸屏上实时显示当前推进器的转速值；当进行侧推平移时，控制器不考虑转向手柄的信号，而根据设定值，自动给两个推进器转到合适的舵角，然后控制器输出信号开启侧推控制继电器，使主推进速度手柄失效，而用控制器输出的模拟量控制推进器的转速，实现侧推平移。

由于操舵的重要性，控制柜内除了主控制系统还有一套应急操舵系统，应急操舵系统除了最后共用两个转舵电机和启动电容外，与主控制系统完全独立。当转换开关打到应急时，使用控制柜上的应急操舵系统，应急系统包括开关电源、继电器等。开关电源给继电器、应急转舵手柄提供24V信号电；继电器共四个，每路转舵电机两个继电器，控制电机正反转。应急手柄的开关量信号控制继电器的开闭，同时开启两路电机的正转继电器或者反转继电器。每路电机的正转继电器和反转继电器间有互锁。

第三部分：转舵装置

图7中，4-38.左推进器转舵电机、5-39.左减速器、9-40.左摇动手轮、4-41.左电机进线、4-42.右推进器转舵电机、5-43.右减速器、9-44.右摇动手轮、4-45.右电机进线。

如图7所示，转舵装置由转舵电机、减速器、摇动手轮等组成，左右两个推进器各一套。转舵电机为220V单相交流电机，作用为提供转舵的动力，电机输出轴连到减速器上；减速器采用两级涡轮蜗杆减速器组合而成，最后减速器输出孔连上转舵杆，实现转舵运动。减速器采用两级，可以实现很高的减速比，而采用涡轮蜗杆形式，使转舵机构具有自锁功能。减速器连接电机输出轴的一端还延伸一短轴用来装上摇动手轮，当电机失电时，可以应急采用摇动手轮的方式来转舵。

第四部分：测量装置

图8中，7-46.左推进器温度传感器、5-47左舵角传感器、7-48.右推进器温度传感器、5-49.右舵角传感器。如图8所示，测量装置包括温度传感器和舵角传感器等，左右推进器各一套。

温度传感器插装在推进器上，位置在主推进电机输入轴轴承边上，用来测量输入轴轴承的温度。舵角传感器安装在在减速器上，舵角传感器的输出转轴插入固定转舵杆上，随转舵杆一起运动；舵角传感器可以测量360度全方位的舵角。

第五部分：主推装置

图9中，3-50.左主电机驱动器、8-1-51.左主电机、3-52.左驱动器电源线、3-53.左驱动器控制信号线、3-54.左主电机动力线、3-55.左主电机反馈线、3-56.右主电机驱动器、8-1-57.右主电机、3-58.右驱动器电源线、3-59.右驱动器控制信号线、3-60.右主电机动力线、3-61.右主电机反馈线。

如图9所示，主推装置包括主电机和主电机驱动器，左右推进器各一套。主电机采用伺服电机，运行平稳，噪音很低，而且可以无级调速和快速启停。主电机输出轴通过联轴器连接到推进器上，带动推进器的转动。主电机驱动器与电机配套，可以设置电机的运行参数；接收上方控制器和速度手柄的信号，控制电机的调速和启停；还可以接收电机的反馈信号，测量电机的转速，然后上传给控制器。

下面对本实用新型系统的功能作描述：

1.转舵控制

参见图13，系统在电机控制开关、自动同步开关、转向手柄、舵角传感器、复位按钮等信号输入的共同作用下，控制转舵电机的运转。触摸屏上的左右舵机开关、自动同步开关、舵角复位按钮，在触摸屏内部都有一个开关按钮变量保存开关按钮信号，同时在控制器上也各分配了一个位变量，与触摸屏内部变量相对应；触摸屏与控制器通过串口通讯协议通讯，保持对应变量间的同步变化。当开关按钮开启时，位变量为1，当开关按钮关闭时，位变量为0。

控制器给转向手柄分配了正转，反转两个输入点，当手柄向左打时，正转变输入点为1，反转输入点为0，当手柄向右打时，正转输入点为0，反转输入点为1。控制器给每个电机正反转模块也分配正转，反转两个输出点，当正转输出点为1，模块驱动电机正转，当反转输出点为1，模块驱动电机反转。

舵角传感器模拟量输入通过模拟量模块的模数转换，转变为一个数字量，保存在控制器的一个32位变量中。在舵角显示子程序中，把这个32位变量经过数学运算，转换为360度以内的一个实际的舵角数字。触摸屏上的舵角指示通过内部变量与控制器上的变量同步，进行实时变化显示。

在控制器程序中，通过舵角复位子程序和转舵处理子程序进行转舵控制，流程分别参见图14和图15A、15B。

2.侧推控制

参见图16，系统接收侧推按钮的输入，控制转舵电机达到合适的舵角，然后驱动主电机实现侧推。控制器给左右侧推各分配一个位变量，输出一个模拟变量，经过中间继电器，控制主电机驱动器，控制主电机的转速。

在控制器中，通过侧推子程序进行侧推控制。因为左侧推和右侧推原理完全相同，所以只表示一个总的侧推流程。

侧推子流序参见图17。

3.速度手柄控制主机速度

参见图18，当正常航行时，使用速度手柄给主电机驱动器转速控制接口提供模拟量，直接控制主电机转速。

4.温度显示和报警

参见图19，控制器在温度显示报警子程序中，对输入的温度量值进行数学运算，转换为0-100度以内的实际温度值，最后在触摸屏中显示出来，当温度值超过报警值后，在触摸屏中显示报警灯。

5.初始值设定

参见图20，在触摸屏页面三，设定需要的初始值和设定值，在程序中通过初始值保存子程序保存初始参数。保存子程序把初始参数逐个读入存储器中保存。

6.电路报警处理

参见图21，在报警处理子程序中，控制器给输入的报警开关量分配一位变量，当有报警输入时，位变量设1，在触摸屏上的相应报警灯点亮，同时控制器控制蜂鸣器响起。当按下报警复位按钮后，控制器关闭蜂鸣器，报警位变量设0，报警灯消失。

7.主机速度显示

参见图22，主电机驱动器给控制器提供速度反馈信号，控制器在主机速度显示子程序中，对反馈值进行运算，转换为实际的速度值，保存到速度变量，最后在触摸屏上显示出来。

控制器总流程参见图23A、23B。

主电机系统采用专用伺服系统，电源部分同时具备双电源输入功能，即交流电源和直流电源，即可实现电源的互为备用。主电机驱动器最高频率：400HZ；控制方式：闭环矢量控制（闭环FOC控制）；速度、位置检测方式：旋转变压器；过载能力：150%；电机参数自学习：通过自整定电机基本参数，获得最佳的FOC（磁场定向控制）性能；电网电压自适应：当电网发生变化时，自动保持输出电压稳定；具备CAN通讯和485通讯；电机过热保护；接地漏电保护和对地漏电保护等。

设备可采用如下表：

本领域的普通技术人员应当认识到，以上实施例仅是用来说明本实用新型，而并非作为对本实用新型的限定，只要在本实用新型的实质范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落入本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.基于全向推进器的操纵控制系统，所述的全向推进器包括主推进电机、舵轴及齿轮箱，主推进电机的输入轴与齿轮箱间通过轴承而转动配合，其特征在于：所述的操纵控制系统包括操纵台、控制柜、主电机驱动器、转向电机、舵角传感器、减速器、温度传感器，操纵台与控制柜相联，控制柜与主电机驱动器、转向电机、舵角传感器、温度传感器相联，主电机驱动器与主推进电机相联；温度传感器安装于所述的齿轮箱内，用于检测所述轴承的温度；所述转向电机的输入轴通过所述的减速器与所述的舵轴连动，所述的舵角传感器安装于所述的减速器，用于检测舵角。

2.如权利要求1所述的基于全向推进器的操纵控制系统，其特征是：所述的操纵台设置触摸屏，触摸屏通过电线连接电源，并通过串口数据线与控制柜连接而通讯，并控制及显示控制柜的相关信息和参数。

3.如权利要求1或2所述的基于全向推进器的操纵控制系统，其特征是：所述的操纵台设置主推进速度手柄，与主电机驱动器连接，给主电机驱动器提供模拟量信号。

4.如权利要求1所述的基于全向推进器的操纵控制系统，其特征是：设有一应急手轮，应急手轮通过减速器与舵轴连动。

5.如权利要求1或4所述的基于全向推进器的操纵控制系统，其特征是：减速器采用两级涡轮蜗杆减速器组合而成。

6.如权利要求1所述的基于全向推进器的操纵控制系统，其特征是：所述的控制柜内设有空气开关、热继电器、PLC控制器、电机正反转模块，空气开关连接在转向电机的动力电源进线上，对转向电机进行短路保护；热继电器接在空气开关之后，对转向电机进行过载报警；电机正反转模块接在热继电器之后，输出与转向电机相连；电机正反转模块接收PLC控制器发来的控制信号，对电机进行正反转控制驱动。

7.如权利要求6所述的基于全向推进器的操纵控制系统，其特征是：所述的控制柜还设有模拟量模块；PLC控制器与模拟量模块通过总线相联，PLC控制器接收转向手柄开关量、热继电器报警开关量、失电报警开关量、主电机驱动器的速度模拟量信号；模拟量模块接收来自舵角传感器、温度传感器的模拟量输入信号，舵角传感器和温度传感器分别测量全向推进器的舵角和轴承温度。

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