浅析渔船舵机系统设计

何周进

摘 要 渔船上操作控制舵的重要装置就是舵机，其主要功能是保证船舶在给定的航线上按照人的意图航行，确保安全航行。现代船舶大多采用电气式系统和机械式舵机。但在现实 应用中液压系统舵机具有体积小、占用空间小、重量轻，速度调节方便，易于实现自动过载保护和自动化，使用寿命长，零件润滑性好等优势。由于传统船舶舵机系统普遍存在的局限性，我们构造的新型舵机系统利用了数字液压技术，既具有功能强大、知识简单的优点，又保留了传统液压舵机原来的优点。而且容易与卫星定位系统、上位机算机结合，组成自动驾驶系统，在长距离航行中实现自动导航控制。

关键词 渔船 舵机系统 安全航行

中图分类号：U662 文献标识码：A

0引言

舵机液压控制系统有两种基本控制方式，即阀控型和泵控型，而液压复合控制则是两种控制的衍生物，即阀泵串联控制、电液复合控制、阀泵并联控制等。这几种系统固有的静态特性和动态特性，在系统精度、动态指标系统响应速度、系统复杂程度、总体布置等方面，有着较大的差异性和局限性。本文从分析阀控型舵机和泵控型出发，采用数字液压技术解决传统舵机所存在的弊端。用新型转舵机构，不但减小了舵机重量及体积；还能使船舶舵角的定位精度在航行时得到有效提高，减小换向冲击及噪声，降低航行能耗；增强舵机自适应能力，提高了舵机的动态性能；为高性能渔船舵机的设计提供一定的指导意义。

1传统船舶舵机系统

1.1伺服阀控舵机系统

伺服阀控舵机系统由电液伺服阀、舵机液压缸、定量泵、电动机、伺服放大器、舵角反馈机构等组成。工作原理是由自动驾驶仪或操作人员给出方向角度值为4～20mA ， 作为设定值送到伺服放大器，舵机上角位移传感器与其数据相比较，比较结果如果出现差值，差值放大处理后，将其转变为伺服阀线圈的电流驱动信号，转换成液压流量输出， 油缸被推动前进，带动舵机转动，直到设定值与角位移传感器输出值相等为止。舵机靠位移传感器在液压伺服阀系统中闭环锁定，一旦在工作状态电气系统断电，则闭环系统不能锁定，有可能造成伺服阀在中位时有泄漏，因此采用了一种新的伺服泵控系统。

1.2 伺服泵控舵机系统

伺服泵控舵机系统由电液伺服阀、舵机液压缸、变量泵、电动机、变量机构、伺服放大器、舵角反馈机构等组成。为了伺服阀控系统更为完善，使用双向驱动的伺服变量泵作为新的舵机系统控制系统，在伺服变量泵上安装伺服阀，由一个小型伺服油缸驱动变量泵的斜盘机构 控制流量和方向可以通过改变斜盘的转角实现，舵机油缸的进退控制就可以完成了。角位移传感器仍在新的舵机上安装，当需要位置后尾舵到达后，变量泵的将会斜盘回到中位，流量输出为零，锁定舵机。发热少和传动效率高是这种闭式系统的最大优点，舵机锁定可以油泵泄漏多少决定。但需增设补油回路，以解决系统泄漏是其最大缺点。

2现代数字液压船舶舵机系统

2.1数字液压油缸

数字油缸是数字液压油缸的简称。在液压缸内部把液壓滑阀、步进电机、闭环位置反馈组合设计，液压油源接通，所有的长度或角度控制功能，通过专门计算机、PLC可编程控制器或数字控制器发出的数字脉冲信号来完成的高新科技产品。在油缸内安装由数字液压阀、液压油缸和电信号转换单元、位置反馈结合的整体，对外仅需连接上控制用电脉冲信号和高压油管、低压油管即可，使电脉冲信号对应每一个固定的油缸行程变得简单有效，完成不同运动效果可以由不同频率控制和脉冲数量决定。数字缸内部备有驱动装置、传感器、数字阀等，从油缸外部看，只有一个电插头、一个回油口和一个进油口。例如，一个电脉冲由每零点零一毫米的油缸位置运动对应，如需数字液压油缸在十毫米的位置运动在十秒内完成，油缸每运动一毫米需要一秒时间，而一毫米的位移变化对应的电脉冲为一百。采用频率为一百赫兹的脉冲，电脉冲信号一共发出了一千个， 数字油缸规定的位移行程便可在规定的时间内完成。走完相同的行程如需在五秒内完成，则电脉冲频率提高到二百赫兹即可。通过改变发出的脉冲数量，即可增大如需的运动行程。

2.2数字液压舵机系统原理及优点

因为钢制海船建造规范与入级时对船舶舵机的要求，舵机系统利用数字液压缸搭建。脉冲信号从自动驾驶仪发出由数字液压缸接受，位置闭环在其内部构成，位置传感器也就不再需要，自动驾驶仪由角度仪信号输出，角度显示完成。该系统蓄能器供油用定量泵完成，一般情况下两缸会同时工作，如果一缸出现故障，另一缸也可以单独完成工作，满足钢制海船建造规范与入级对船舶舵机的要求。在发生紧急故障情况下如停电，也可以使用人工进行操控。另外，具有自我锁定功能的数字缸，数字信号只要不输出， 即使施加外力作用油缸也不会摆动。在停泵期间的液压泵，锁定舵机可以依靠蓄能器的压力进行，即使海浪拍打也不会发生飘舵现象。还可以利用该系统设置UPS电源，即使发生短时间的停电，也能实现远距离控制。数字液压舵机系统的数字缸内部集成了执行、控制、反馈功能，无需任何算法调整和参数给定，仅连接好液压管路和送入电脉冲信号， 为实现对舵机的控制系统通过改变脉冲的数量和频率来完成。由液压完成该系统能量传递，电脉冲信号完成信号传递，因此这种数字液压舵机系统功能强大，原理简单，便于机务人员使用和管理。数字液压舵机系统通过专用控制器或计算机控制，可以与外界进行通信。如与利用定位及通讯卫星进行通信，自动驾驶仪可以完成整个航线的航行，实现长距离自动导航控制。

3结束语

近几年我国海洋渔业进入了快速发展时期，但我国目前渔船严重滞后的配套设备制造能力已远远不能满足船舶主体制造能力，大多数高性能配套设备还需要从国外进口，因此在很大程度上严重制约我国船舶行业发展能力。控制船舶航向的重要设备是船舶舵机，其性能的好坏在船舶的运动性能上起着决定作用，是船舶主要的辅机之一。新型液压舵机系统利用数字液压缸搭建完成，具有维护方便、系统简单、操作容易、控制精度高、安全可靠等特点，可全自动、半自动、手动多种操作，在大型船舶舵机控制系统优点更加明显。

参考文献

[1] 刘江华.船舶舵机系统控制优化设计[D].中山大学硕士论文，2013.

[2] 赵飞旭.船舶舵机电力保障系统设计与优化[D].中国海洋大学硕士论文，2012.