基于plc控制船舶舵机系统研究(船舶舵机的自动控制原理)

1. 船舶舵机的自动控制原理

舵机工作原理

1、概述

舵机最早出现在航模运动中。在航空模型中，飞行机的飞行姿态是通过调节发动机和各个控制舵面来实现的。举个简单的四通飞机来说，飞机上有以下几个地方需要控制：

1.发动机进气量，来控制发动机的拉力（或推力）；

2.副翼舵面（安装在飞机机翼后缘），用来控制飞机的横滚运动；

3.水平尾舵面，用来控制飞机的俯仰角；

4.垂直尾舵面，用来控制飞机的偏航角；

遥控器有四个通道，分别对应四个舵机，而舵机又通过连杆等传动元件带动舵面的转动，从而改变飞机的运动状态。舵机因此得名：控制舵面的伺服电机。

不仅在航模飞机中，在其他的模型运动中都可以看到它的应用：船模上用来控制尾舵，车模中用来转向等等。由此可见，凡是需要操作性动作时都可以用舵机来实现。

2、结构和控制

一般来讲，舵机主要由以下几个部分组成， 舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计5k、直流电机、控制电路板等。

工作原理：控制电路板接受来自信号线的控制信号（具体信号待会再讲），控制电机转动，电机带动一系列齿轮组，减速后传动至输出舵盘。舵机的输出轴和位置反馈电位计是相连的，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，然后控制电路板根据所在位置决定电机的转动方向和速度，从而达到目标停止。

舵机的基本结构是这样，但实现起来有很多种。例如电机就有有刷和无刷之分，齿轮有塑料和金属之分，输出轴有滑动和滚动之分，壳体有塑料和铝合金之分，速度有快速和慢速之分，体积有大中小三种之分等等，组合不同，价格也千差万别。例如，其中小舵机一般称作微舵，同种材料的条件下是中型的一倍多，金属齿轮是塑料齿轮的一倍多。需要根据需要选用不同类型。

舵机的输入线共有三条，红色中间，是电源线，一边黑色的是地线，这辆根线给舵机提供最基本的能源保证，主要是电机的转动消耗。电源有两种规格，一是4.8V，一是6.0V，分别对应不同的转矩标准，即输出力矩不同，6.0V对应的要大一些，具体看应用条件；另外一根线是控制信号线，Futaba的一般为白色，JR的一般为桔黄色。另外要注意一点，SANWA的某些型号的舵机引线电源线在边上而不是中间，需要辨认。但记住红色为电源，黑色为地线，一般不会搞错。

舵机的控制信号为周期是20ms的脉宽调制（PWM）信号，其中脉冲宽度从0.5ms-2.5ms，相对应舵盘的位置为0－180度，呈线性变化。也就是说，给它提供一定的脉宽，它的输出轴就会保持在一个相对应的角度上，无论外界转矩怎样改变，直到给它提供一个另外宽度的脉冲信号，它才会改变输出角度到新的对应的位置上。舵机内部有一个基准电路，产生周期20ms，宽度1.5ms的基准信号，有一个比较器，将外加信号与基准信号相比较，判断出方向和大小，从而产生电机的转动信号。由此可见，舵机是一种位置伺服的驱动器，转动范围不能超过180度，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的驱动当中。比方说机器人的关节、飞机的舵面等。

常见的舵机厂家有：日本的Futaba、JR、SANWA等，国产的有北京的新幻想、吉林的振华等。现举Futaba S3003来介绍相关参数，以供大家设计时选用。之所以用3003是因为这个型号是市场上最常见的，也是价格相对较便宜的一种（以下数据摘自Futaba产品手册）。

尺 寸(Dimensions)： 40.4×19.8×36.0 mm

重 量(Weight)： 37.2 g

工作速度(Operating speed)：0.23 sec/60°(4.8V)

0.19 sec/60°(6.0V)

输出力矩(Output torque)： 3.2 kg.cm (4.8V)

4.1 kg.cm (6.0V)

由此可见，舵机具有以下一些特点：

>体积紧凑，便于安装；

>输出力矩大，稳定性好；

>控制简单，便于和数字系统接口；

正是因为舵机有很多优点，所以，现在不仅仅应用在航模运动中，已经扩展到各种机电产品中来，在机器人控制中应用也越来越广泛。

3、用单片机来控制

正是舵机的控制信号是一个脉宽调制信号，所以很方便和数字系统进行接口。只要能产生标准的控制信号的数字设备都可以用来控制舵机，比方PLC、单片机等。这里介绍利用51系列单片机产生舵机的控制信号来进行控制的方法，编程语言为C51。之所以介绍这种方法只是因为笔者用2051实现过，本着负责的态度，所以敢在这里写出来。程序用的是我的四足步行机器人，有删改。单片机并不是控制舵机的最好的方法，希望在此能起到抛砖引玉的作用。

2051有两个16位的内部计数器，我们就用它来产生周期20 ms的脉冲信号，根据需要，改变输出脉宽。基本思路如下（请对照下面的程序）：

我用的晶振频率为12M，2051一个时钟周期为12个晶振周期，正好是1/1000 ms，计数器每隔1/1000 ms计一次数。以计数器1为例，先设定脉宽的初始值，程序中初始为1.5ms，在for循环中可以随时通过改变a值来改变，然后设定计数器计数初始值为a，并置输出p12为高位。当计数结束时，触发计数器溢出中断函数，就是void timer0(void) interrupt 1 using1 ，在子函数中，改变输出p12为反相（此时跳为低位），在用20000（代表20ms周期）减去高位用的时间a，就是本周期中低位的时间，c=20000-a，并设定此时的计数器初值为c，直到定时器再次产生溢出中断，重复上一过程。

# include <reg51.h>

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned int

uint a,b,c,d;

sbit p12=P1^2;

sbit p13=p1^3;

sbit p37=P3^7;

void timer0(void) interrupt 1 using 1

{p12=!p12;

c=20000-c;

TH0=-(c/256); TL0=-(c%256);

if(c>=500&&c<=2500)c=a;

else c="20000-a";

}

void timer1(void) interrupt 3 using 1

{p13=!p13;

d=20000-d;

TH1=-(d/256); TL1=-(d%256);

if(d>=500&&d<=2500)d=b;

else d="20000-b";

}

void main(void)

{TMOD=0x11;

p12=1;

p13=1;

a=1500;

b=1500;

c=a;d=b;

TH0=-(a/256); TL0=-(a%256);

TH1=-(b/256); TL1=-(b%256);

EA=1;

ET0=1; TR0=1;EX0=1;EX1=1;

ET1=1; TR1=1;

PX0=0;PX1=0;PT1=1;PT0=1;

for(;;)

{

}

}

因为在脉冲信号的输出是靠定时器的溢出中断函数来处理，时间很短，因此在精度要求不高的场合可以忽略。因此如果忽略中断时间，从另一个角度来讲就是主程序和脉冲输出是并行的，因此，只需要在主程序中按你的要求改变a值，例如让a从500变化到2500，就可以让舵机从0度变化到180度。另外要记住一点，舵机的转动需要时间的，因此，程序中a值的变化不能太快，不然舵机跟不上程序。根据需要，选择合适的延时，用一个a递增循环，可以让舵机很流畅的转动，而不会产生像步进电机一样的脉动。这些还需要实践中具体体会。

舵机的速度决定于你给它的信号脉宽的变化速度。举个例子，t＝0试，脉宽为0.5ms，t＝1s时，脉宽为1.0ms，那么，舵机就会从0.5ms对应的位置转到1.0ms对应的位置，那么转动速度如何呢？一般来讲，3003的最大转动速度在4.8V时为0.23s/60度，也就是说，如果你要求的速度比这个快的话，舵机就反应不过来了；如果要求速度比这个慢，可以将脉宽变化值线性到你要求的时间内，做一个循环，一点一点的增加脉宽值，就可以控制舵机的速度了。当然，具体这一点一点到底是多少，就需要做试验了，不然的话，不合适的话，舵机就会向步进电机一样一跳一跳的转动了，尝试改变这“一点”，使你的舵机运动更平滑。还有一点很重要，就是舵机在每一次脉宽值改变的时候总会有一个转速由零增加再减速为零的过程，这就是舵机会产生像步进电机一样运动的原因

2. 船舶舵机的自动控制原理图

因为船舶的操纵是通过舵系来实现的。舵系包括舵机、舵杆、舵叶和舵机操作控制系统等，而舵叶面积的大小，最大转舵角度，转舵速度等因素直接影响着船舶的操纵性能。舵叶面积越大操纵性能越好，但是也受船体主尺度的限制不能太大。一般舵叶面积与船体水线以下船体投影面积的比值达到1/16即可满足船舶的操纵性能。

3. 船舶液压舵机控制原理

舵机常使用的地方：

　　1、在航模中经常使用；

　　2、智能小车等这样比较小功率的场合使用；

　　3、工业上也有用，大型的液压舵机就是一种。

　　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。

　　在航天方面，舵机应用广泛。航天方面，导弹姿态变换的俯仰、偏航、滚转运动都是靠舵机相互配合完成的。舵机在许多工程上都有应用，不仅限于船舶。

　　船用舵机目前多用电液式，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做功产生直线运动，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。

4. 舵机的相关原理与控制原理

控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。

它内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。

最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。

当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动

5. 船舶随动舵的控制系统工作原理

随动舵机是驾驶台左舵，舵就一直向左知道驾驶台随舵，自动跟随驾驶台的信号，自动舵机是舵机根据自动导航系统自动做出偏转动作。这2种在中大型船舶都装备的，在驾驶台可以转换的。随动舵机是要手动操作，自动舵机一般是在海洋上自动航行用的。

6. 船用舵机控制原理图

1.电源电压不足: 这个原因是最常见的情况,很多PIXHAWK爱好者希望外接一个舵机,发现遥控器映射好通道后,直接插上舵机是不转的,主要原因就是舵机的供电电压不足。建议利用降压稳压模块单独供电,电压保持在5V左右,而不是单片机上的3.3V。另外建议每个金属舵机的供电电流在1A左右。

2.舵机损坏: 这个不是很常见,可以换个舵机试试。

3.因干扰造成的舵机抖动: 我遇到的就是这个问题。在飞控中连接了一个数传,但线比较长,当数传线靠近舵机控制线的时候,发现舵机就会抖动,远离舵机控制线,舵机就立刻稳定了。

7. 船舶自动舵控制系统

能见度低于两海里时不能自动驾驶。

自动舵，全称“自动操舵装置控制系统”，又称“自动操舵装置”。是指能自动及时纠正船舶的偏航，使船较长时间和较准确地保持在指定航向的一种操舵装置。其工作原理为：当船首受到风浪、流等外力作用而偏离原航向一定角度(偏航角)时，该装置立即动作，使舵叶偏转一定角度（偏舵角），船首在舵力作用下逐渐返回原航向；为防止船首回转惯性过大，船首在未到达和接近原航向时，该装置使舵正舵或产生一个反舵角，从而使船首回到原航向。

8. 船舶舵机的自动控制原理是什么

目前船舶普遍采用液压式舵机，这种舵机转舵效率高，速度快，稳定性好，灵敏度高，但是维护起来比较复杂。

而以前电动式舵机，速度虽然快但灵敏度低，效率低，反应慢，所以逐步被淘汰了。

9. 船舶舵机工作原理

电源电压不足：

这个原因是最常见的情况，很多PIXHAWK爱好者希望外接一个舵机，发现遥控器映射好通道后，直接插上舵机是不转的，主要原因就是舵机的供电电压不足。建议利用降压稳压模块单独供电，电压保持在5V左右，而不是单片机上的3.3V。另外建议每个金属舵机的供电电流在1A左右。

舵机损坏：

这个不是很常见，可以换个舵机试试。

因干扰造成的舵机抖动：

我遇到的就是这个问题。在飞控中连接了一个数传，但线比较长，当数传线靠近舵机控制线的时候，发现舵机就会抖动，远离舵机控制线，舵机就立刻稳定了。

10. 船舶操舵系统自动控制原理

要看你的操舵系统是机械式的还是液压式的。