船舶航行操舵控制系统拓扑结构及信号传递方法技术方案

本发明专利技术涉及一种船舶航行操舵控制系统拓扑结构及信号传递方法，操舵仪发出舵角指令至舵机，舵机中的伺服控制箱接收舵角指令和舵角反馈机构反馈的实际舵角，伺服控制箱控制所属液压动力单元驱动推舵机构实现舵角闭环控制；操舵仪中的指令发送箱、舵机中的伺服控制箱与舵机中的液压动力单元采取4：4：4多冗余节点配置，各指令节点信息交互通过双冗余CAN总线拓扑，在行CAN总线失效后自动切换至备用CAN总线，冗余CAN总线全部失效后，舵机的伺服控制箱自动切换至模拟量指令进行操控。采用单元闭环，系统双冗余节点控制，单元闭环和节点控制适应大型船舶控制环节复杂、远距离控制；双冗余节点控制保证故障处理时的系统控制稳定性。余节点控制保证故障处理时的系统控制稳定性。余节点控制保证故障处理时的系统控制稳定性。

Topological structure and signal transmission method of ship steering control system

【技术实现步骤摘要】
船舶航行操舵控制系统拓扑结构及信号传递方法


[0001]本专利技术涉及一种船舶控制技术，特别涉及一种船舶航行操舵控制系统拓扑结构及信号传递方法。

技术介绍

[0002]船舶航行操舵控制系统是实现船舶航向控制的重要系统，一般由罗经、操舵仪、舵机、舵杆、舵叶等机构组成。船舶航行操舵控制系统一般由船舶航向控制和舵角位置伺服控制两个环节组成，通常利用罗经检测航向偏差后解算出舵角指令，或通过人工操作舵轮直接输出舵角指令，再经舵角位置伺服控制环节驱动舵叶转动实现航向纠偏。
[0003]传统的国产船舶航行操舵控制系统一般采取如下两种系统拓扑结构实现：
[0004]A、操舵仪直接进行舵角位置伺服控制，操舵仪输出泵控或阀控信号至舵机液压动力单元HPU，舵机仅提供驱动力。此方案适合于小型舰船，驾驶室与舵机舱距离较近，且机组较少。而对于大型舰船，因设备间模拟信号传输电线敷设数量多、距离远，易导致设备接口繁冗，现场安装及调试的工作量大，不便维护。
[0005]B、操舵仪通过模拟线路将舵角指令采用点到点方式传递至舵机，由舵机控制舵机液压动力单元HPU进行舵角位置伺服控制。此方案如出现点对点的线路故障，舵令信号被截断，舵机无法执行舵令，且模拟线路易受到信号干扰，导致多机组接收指令很难高度一致，不同机组舵令的差异性影响整船操舵效果。

技术实现思路

[0006]针对船舶航行操舵控制系统控制存在问题，提出了一种船舶航行操舵控制系统拓扑结构及信号传递方法，采用单元闭环，系统双冗余节点控制，单元闭环和节点控制适应大型船舶控制环节复杂、远距离控制；双冗余节点控制保证故障处理时的系统控制稳定性。
[0007]本专利技术的技术方案为：一种船舶航行操舵控制系统拓扑结构，操舵仪发出舵角指令至舵机，舵机中的伺服控制箱接收舵角指令和舵角反馈机构反馈的实际舵角，伺服控制箱控制所属液压动力单元驱动推舵机构实现舵角闭环控制；操舵仪中的指令发送箱、舵机中的伺服控制箱与舵机中的液压动力单元采取4：4：4多冗余节点配置，所有指令发送箱之间通过CAN3总线和CAN4总线串联交互通信，操舵仪中的操纵台分别通过CAN3总线或CAN4总线与串联的指令发送箱一端连接，各个指令发送箱和各个伺服控制箱采用CAN1总线或CAN2总线串联交互通信；两套液压动力单元冗余控制一套推舵机构，构建系统全冗余结构。
[0008]优选的，所述操纵台采集舵角指令模拟信号，通过模数转换模块将舵角指令由模拟信号转换为数字信号，经CAN收发器发至指令发送箱。
[0009]优选的，所述指令发送箱将操纵台发出的模拟量舵角指令分别传递至对应的伺服控制箱作为备用舵角指令。
[0010]一种船舶航行操舵控制系统拓扑结构的信号传递方法，所述各个指令发送箱和各个伺服控制箱采用CAN1总线或CAN2总线串联交互通信，所述两条总线采取反向冗余通信，
即一条总线正向串联传递另一条总线反向串联传递。
[0011]进一步，所述通信采取双冗余总线进行串联敷设，且每条总线具备通讯故障检测，在行总线故障时自动切换至冗余备用总线。
[0012]进一步，所述CAN1至CAN4总线本身带有错误处理机制，信号节点出现错误时，错误节点自动切断与总线的联系，总线上其他节点不受影响。
[0013]进一步，所有冗余CAN总线失效后，自动或者手动切换至模拟舵角指令。
[0014]本专利技术的有益效果在于：本专利技术船舶航行操舵控制系统拓扑结构及信号传递方法，设计合理，结构清晰，可应用于船舶航行操舵控制系统，特别适合大型多机组船舶航行操舵控制系统，能够显著提高操舵控制系统可靠性。
附图说明
[0015]图1为本专利技术船舶航行操舵控制系统CAN总线拓扑图；
[0016]图2为本专利技术单个节点舵角位置伺服控制示意图；
[0017]图3为本专利技术4节点舵机组成结构示意实施例一图；
[0018]图4为本专利技术4节点舵机组成结构示意实施例二图。
具体实施方式
[0019]下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。本实施例以本专利技术技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。
[0020]操舵仪负责发出舵角指令至舵机，舵机接收舵角指令完成舵角位置伺服控制。如图1所示船舶航行操舵控制系统CAN总线拓扑图，操舵仪包括操纵台、指令发送箱。所述操纵台包含舵轮或罗经、模数转换模块、CAN收发器等，利用罗经自动解算或人工操作舵轮的方式输出舵角指令模拟信号，并通过模数转换模块将舵角指令由模拟信号转换为数字信号，经CAN收发器发至指令发送箱。所述指令发送箱，通过操舵仪内部冗余CAN3或CAN4总线接收操纵台CAN收发器输出的舵角指令数字信号，并将舵角指令重新打包通过操舵仪外部双冗余CAN1或CAN2总线转发至各舵机伺服控制箱。
[0021]本实施例中指令发送箱为4套，互为冗余关系，发送至舵机伺服控制箱的舵角指令信号及发送帧信息ID号一致，其中至少一个指令发送箱工作正常即可实现舵角指令发送至舵机。
[0022]所述实施例操舵仪内部冗余总线CAN3/CAN4总线通讯协议如下：
[0023]a.采用CAN2.0A协议标准；
[0024]b.通讯波特率：125kbps；
[0025]c.数据更新速率：50次/S；
[0026]d.操纵台向各指令发送箱发送舵角指令信息帧。
[0027]CAN3/CAN4总线拓扑结构如图1所示，指令发送箱之间通过CAN3总线和CAN4总线串联，操纵台分别通过CAN3总线或CAN4总线与串联的指令发送箱一端连接，CAN3总线拓扑顺序为操纵台
→
左2指令发送箱
→
左1指令发送箱
→
右2指令发送箱
→
右1指令发送箱。CAN4总线拓扑顺序为操纵台
→
右1指令发送箱
→
右2指令发送箱
→
左一指令发送箱
→
左2指令发送
箱。
[0028]在此，CAN3总线和CAN4总线互为冗余，CAN3总线在行有效，CAN3故障或缺省后自动切换至CAN4运行。
[0029]另外，指令发送箱也将操纵台舵轮发出的模拟量舵角指令分别传递至对应的伺服控制箱作为备用舵角指令。在所有冗余CAN总线失效后，可自动或者手动切换至模拟舵角指令。
[0030]本专利技术中，指令发送箱、伺服控制箱采取操舵仪外部双冗余CAN1/CAN2总线进行串联敷设，且每条总线具备通讯故障检测功能，缺省在行总线故障时可自动或者手动切换至备用总线。部分信号节点出现错误时，错误节点会自动切断与总线的联系，总线上其他节点操作不受影响。
[0031]在此，所述操舵仪外部双冗余CAN1/CAN2总线拓扑结构如图1所示，各个指令发送箱和各个伺服控制箱采用CAN1总线或CAN2总线串联，两条总线采取反向冗余拓扑结构，即一条总线正向串联传递另一条本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种船舶航行操舵控制系统拓扑结构，其特征在于，操舵仪发出舵角指令至舵机，舵机中的伺服控制箱接收舵角指令和舵角反馈机构反馈的实际舵角，伺服控制箱控制所属液压动力单元驱动推舵机构实现舵角闭环控制；操舵仪中的指令发送箱、舵机中的伺服控制箱与舵机中的液压动力单元采取4：4：4多冗余节点配置，所有指令发送箱之间通过CAN3总线和CAN4总线串联交互通信，操舵仪中的操纵台分别通过CAN3总线或CAN4总线与串联的指令发送箱一端连接，各个指令发送箱和各个伺服控制箱采用CAN1总线或CAN2总线串联交互通信；两套液压动力单元冗余控制一套推舵机构，构建系统全冗余结构。2.根据权利要求1所述船舶航行操舵控制系统拓扑结构，其特征在于，所述操纵台采集舵角指令模拟信号，通过模数转换模块将舵角指令由模拟信号转换为数字信号，经CAN收发器发至指令发送箱。3.根据权利要求1所述船舶航行操舵控制系统拓扑结构，其特征在于，所述指令发送箱将操纵台发...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏海红，毛立峰，姚庆涛，秦伟然，朱晓光，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七零四研究所，
类型：发明
国别省市：