浅谈舵机系统在船舶中的应用
作者：李征吴迪
来源：《城市建设理论研究》2013年第09期
摘要：在船舶中，舵机作为核心系统，在船舶运行中起重要作用。

针对当下舵机系统采用的传统方式，我们做了简单的分析，并且对舵机在船舶中的应用做了简单的描述
关键字：舵机系统船舶的应用
中图分类号：F407.474 文献标识码：A 文章编号：
随着科学技术的不断发展，船舶技术也更新换代。

作为船舶方向运行的核心——舵机系统，也向更为准确，快速发展。

船舶在海上的运行伴随着高风险，舵机的每一次故障，都有可能产生毁灭性的后果，因此，提高舵机可靠性也是势在必行。

为了提高舵机的系统的工作效率，延长设备寿命，近年来，变频调速技术已经在舵机系统中得到广泛应用。

一舵机系统的简单概述
舵机是船舶上的一种大甲板机械。

舵机的大小由外舾装按照船级社的规范决定，选型时主要考虑扭矩大小。

如何审慎地选择经济且合乎需求的舵机，也是一门不可轻忽的学问。

舵机的类型。

船用舵机传统上用的是电液式，即液压设备由电动设备进行遥控操作。

有两种类型：一种是往复柱塞式舵机，其原理是通过高低压油的转换而作工产生直线运动，并通过舵柄转换成旋转运动。

另一种是转叶式舵机，其原理是高低压油直接作用于转子，体积小而高效，但成本较高。

随着科学技术的发展，现代社会基本采用的变频液压舵机，其原理是将舵机液压系统中的供油泵改为变频电机驱动的定量油泵。

此技术相比传统，效率高，使用寿命长，运行成本低
舵机的结构：舵机主要是由外壳、电路板、无核心马达、齿轮与位置检测器所构成。

其工作原理是由接收机发出讯号给舵机，经由电路板上的 IC判断转动方向，再驱动无核心马达开始转动，透过减速齿轮将动力传至摆臂，同时由位置检测器送回讯号，判断是否已经到达定位。

位置检测器其实就是可变电阻，当舵机转动时电阻值也会随之改变，藉由检测电阻值便可知转动的角度。

一般的伺服马达是将细铜线缠绕在三极转子上，当电流流经线圈时便会产生磁场，与转子外围的磁铁产生排斥作用，进而产生转动的作用力。

依据物理学原理，物体的转动惯量与质量成正比，因此要转动质量愈大的物体，所需的作用力也愈大。

舵机为求转速快、耗电小，于是将细铜线缠绕成极薄的中空圆柱体，形成一个重量极轻的五极中空转子，并将磁铁置於圆柱体内，这就是无核心马达。

二对舵机中舵的研究
舵作为舵机中的首要部件，其力矩决定舵机的能力：舵的水动力矩和转舵扭矩，舵的水动力矩: 舵压力FN对舵杆轴线所产生的力矩称为舵的水动力矩用Ma表示：Ma = FN XC
=FLcosα+FDsinα：XC = 1/2CNρAv2XC 式中转舵扭矩: 操舵装置施加在舵杆上的扭矩称为转舵扭矩M，等于水动力矩Ma和舵各支承处的总摩擦扭矩Mf的代数和。

即 M = Ma + Mf 普通平衡舵Mf =0.15~0.20 Ma。

公称转舵扭矩: 指其在规定的最大舵角时所能输出的最大扭矩。

它是根据船舶在最深航海吃水和以最大营运航速前进时：将舵转到最大舵角所需要的扭矩来决定的。

平衡系数K:舵杆轴线之前的舵叶面积A’和整个舵叶面积A之比称为平衡系数，用K表示。

平衡系数K影响: 平衡系数越大舵叶的最大水动力矩越小，即舵机所需的公称扭矩越小。

但K不宜过大否则在常用舵角10-20范围内回舵时。

二变频液压舵机的组成以及工作原理
2.1变频液压舵机的组成：变频液压舵机主要由可逆变频电机，舵角反馈传感器，油泵，执行机构，滤器单元，液压油油柜，控制阀块等。

液压系统中采用的是双向定量转舵机构，定量泵与液压缸形成的闭合回路。

在运行中，舵角传感器测量出转跺角转舵角度后，发射反馈信号，变频器根据反馈信号，控制泵组的启动与停止以及加速。

从而实现舵角转化的目的。

2.2 变频液压舵机的基本控制原理：控制电路板接受来自信号线的控制信号，控制电机转动，而变频调控技术是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源转换成另一种频率，以此来控制电机的转速，电机又带动一系列的齿轮组，减速后传动至输送舵盘。

舵机的输出轴和位置反馈电位计是相连接的，舵盘转动的同时，带动位置反馈电位计，电位计将输出一个电压信号到控制电路板，进行反馈，然后所控制的电路板根据所在位置决定电机的转动方向以及速度，从而达到让目标停止的目的。

三舵机系统对船舶方向的控制
3.1直接控制航迹法。

基本上综和运用了航迹控制法以及航向控制法。

船舶在运行期间，按照原本设定的航行轨迹运行，但由于一些外在因素的影响（例如风向，水流，避开礁石等），会导致实际运行轨迹跟设计轨迹出现一定的误差，这时在船舶上的末端传感器就发挥了作用，传感器测定船舶航向的具体信息，并且以反馈信息的形式传送给舵机，由舵机利用GPS 定位计算出运行误差，并且重新设定偏转距离，对运行轨迹进行调整，以达到运行效果。

必须注意的是现代的控制理论的发展为设计这种轨迹控制系统提供了方法和手段。

利用操作舵机系统指控运行轨迹必须把控制系统当作单输入多输入的控制系统来考虑，即通过操舵，同时控制航向，航速，横流和航迹偏移。

到目前为止，直接控制轨迹法还存在不少问题，而且由于难以获取较为精确的船舶动态特性参数，系统的调试难度大，灵活运用不足。

3.2 间接控制轨迹轨迹法。

此方法基本上是把控制分成了两个互相嵌套的两个环，外环航迹环的功能时将GPS接受的船位数据与计划数据想比较，获取航迹的偏差信息，通过航迹控制算法得到一个命令航向给航向控制环，引导船舶向着消除航迹偏差的方向前行，外环航向控制环将罗经采集的实际航向信号与设定航向比较，形成航向误差信号，经过航向控制算法得到
一个命令舵角，送给舵角控制环，使得船舶航向减少偏差，此方法的优点在于航迹和航向的功能控制的相对分离，不但使得两种控制模式可以互换。

也便于在自动舵系统设计中充分利用航向自然舵成熟的技术以及丰富的研究经验。

四船舶上多舵机的基本要求
我国《钢质海船入级与建造规范》对船舶舵机的基本技术是有要求的：
在船舶舵机中，必须要有一套主操舵装置和一套辅助操舵装置；或者主操舵装置配有两套以上的动力设备。

当其中的一套设备失效时，另外一套能迅速的投入工作。

主要的船舶舵装置应该具有足够的强度并能在船舶处于深航吃水时以最大的航运前行。

并且在相同的条件下，要满足舵转向超过三十度的时间不超过28秒，并且船以最大速度行驶时，紧急后退不会导致损坏
主要的舵装置应该在驾驶台和舵机室设有控制器：当主舵装置设置两台动力设备时，应该设有两套独立的控制系统，而且能在驾驶室控制
操作舵机装置应该设有有效的舵角限位器。

以动力转舵的操舵装置，应装设限位开关或者舵角限位器。

使舵达到舵角时能及时自动停止
当舵柄处舵杆直径大于230mm时，不包括航行冰区加强，这时船舶应该能在45s内向操舵装置提供的替代动力源
总结：随着时代的发展，能源成为各个国家的首要之争，对于航运企业来说，要保证在生产与节能环保方面取得平衡。

新型舵机技术的引入不但能加强对船舶的控制，更有效的节能减排，对国民经济和企业的良性发展都有百利而无一害。

并且舵机在船舶中的重要性相当于团队中的领头羊，加大发展以及更新舵机技术无疑是我们现在该研究的方向。

参考资料：
[1]李婷云陈跃坡林少芬，新型传感器在船舶中的应用[A].中国水运,2011,11（11）:85-86
[2]闫世振马法剑孙伟栋，变频技术在船舶舵机中的应用[A].科学传播,2010,4(7):148-150
[3]吴杰峰，变频调速技术在船舶中的应用[A].中国水运,2006,7（07）:53-55。