本发明涉及船舶伺服技术领域的船用电动舵机伺服装置，特别是涉及一种为船舶提供可靠的推动以及转舵功能的伺服装置。
背景技术：
随着自动化技术的飞速发展，无人船舶将成为未来的重点研究方向，而在无人船舶的研究中，稳定、准确的控制成为必须注重的地方，因而就要求对舵机的控制更为准确、精细。而在控制精准方面，船舶电动舵机无疑是最理想的选择，船舶电动舵机的使用已成为必然。
传统船舶舵机伺服系统普遍采用液压驱动方式，其在效率、维护性、可控性和集成性等方面存在许多缺陷，例如系统调试和维护复杂，液压油参数易受环境影响，液压元件生产工艺标准高和系统控制精度较低等多方面问题。
技术实现要素：
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种船用电动舵机伺服装置，解决传统舵机伺服装置控制效率低、维护性差、可控性弱、以及集成性低的缺点，因此本发明公开了一种船用电动舵机伺服装置，具体包括输出对船舶的电机驱动器的控制舵角值的上位机，接收所述上位机传送的舵角值的stm32控制器，所述stm32控制器将该舵角值传送至步进电机驱动器并保存，所述步进电机驱动器的输出端与步进电机相连接，所述步进电机的输出轴与齿轮箱相连接、根据接收到的舵角值控制齿轮箱的转动；
该装置还包括用于检测船舶的实际舵角信息的角位移传感器，所述角位移传感器将检测到的实际舵角值传送至stm32控制器，所述stm32控制器将上位机给定的舵角值与实际舵角进行比较获得舵角差值、根据该舵角差值对步进电机进行舵角补偿控制、直到实际舵角与给定的舵角值相等则停止舵角补偿控制。
该装置还包括直流电机驱动器，所述stm32控制器的输出端与直流电机驱动器相连接，所述直流电机驱动器的输出端与外挂推进机相连接。
该装置还包括多个电源模块，所述电源模块与stm32控制器和步进电机驱动器相连接为其提供稳定电能。
当步进电机输出轴转动时带动齿轮箱输入齿轮转动、输入齿轮转动带动输出齿轮转动、输出齿轮转动带动所述外挂推进机水平转动。
该装置还包括舵机手操器，所述舵机手操器的输出端与stm32控制器相连接。
由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种船用电动舵机伺服装置，通过将检测到的舵角值与实际给定的舵角值进行比较，得到舵角差值，进而控制步进电机驱动器对步进电机进行驱动，使其转至给定舵角；本发明将推进与伺服一体化设计，能够利用步进电机对舵角进行相应的控制，并采用与上位机通信的方式，通过上位机给定信号实现最终的控制。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明装置的原理图；
图2为直流电机控制流程图；
图3为步进电机控制流程图；
图4为舵机伺服控制系统硬件设计框图；
图5为主循环程序流程图；
图6为中断程序流程图；
图7为ir2130驱动电路。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：
如图1所示的一种船用电动舵机伺服装置，具体包括：上位机、舵机手操器、stm32控制器、步进电机驱动器、步进电机、直流电机驱动器、供电电源、齿轮箱、角位移传感器以及外挂推进机。通过电流采样芯片采集步进电机的电流将其转换为stm32控制器能够使用的模拟量信号，通过角位移传感器采集实际舵角信息并将其直接转换为数字量信号，最后将转换完成的采样信息反馈到stm32控制器中。其中以步进电机作为驱动电机，通过齿轮箱将其转矩放大，作用于外挂机上，使其能够进行水平面上的旋转，进而达到控制转舵舵角的功能。为了防止上位机远程控制失效，设计舵机手操器进行手动控制，舵机手操器直接与stm32控制器相连，通过舵机手操器能够直接控制船舶的运动状态。
工作状态下：上位机通过串口通信向stm32控制器传输船速以及舵角指令，stm32控制器根据上位机指令向直流电机驱动器、步进电机驱动器发送相应的控制指令，直流电机驱动器接收到控制指令后对直流电机进行驱动，使船舶运动并达到相应的船速。步进电机驱动器在接收到控制指令之后对步进电机进行驱动，使步进电机通过联轴节带动齿轮箱转动、实现转舵功能，同时角位移传感器实时检测舵角信息，并将实时的舵角信息传送到stm32控制器中，stm32控制器根据角位移传感器得到的数据对当前舵角进行分析，并与上位机给定的舵角进行比较获得舵角差值，根据差值进行舵角补偿，直至达到给定舵角值。
本装置的工作过程包括推进以及舵机伺服两部分，下面介绍两部分的工作方式：图2为直流电机控制流程图，直流电机的转速通过调压调速进行相应控制。调压使用的是直流电机驱动器，采用pwm调制技术进行电压的控制，即从0％-98％改变pwm的占空比，经过驱动器便可转变为0v-12v的电机驱动电压。其中pwm调制为单纯的脉宽调制技术，在本系统中，使用的时钟周期为1mhz，定时周期为20ms，定时器中断频率为50hz。将输出的不同占空比pwm输入直流电机驱动器，从而改变直流电机驱动器输出至直流电机的电压值，使系统通过改变pwm的占空比就能实现推进电机调速。
舵机伺服设计：图3为步进电机控制流程图，上位机通过串口通信给定舵角值，stm32控制器根据给定舵角值进行初步计算，得到对应的脉冲数，在stm32中使用定时器产生相应数量的脉冲，使舵机按照对应舵角值进行打舵操作，同时角位移传感器采集实时舵角值并反馈回stm32控制器中，将上位机给定舵角值与角位移传感器反馈回来的实际舵角进行比较，若存在差值，stm32控制器则会对舵角差值进行反馈补偿，形成闭环控制。
图4为舵机伺服控制系统硬件设计框图，整个硬件装置分为六大模块，分别为stm32控制器、步进电机驱动器、电源模块、采样模块、执行机构以及舵机手操器。stm32控制器硬件包括a/d模数转换电路，接收来自采样模块的模拟量信号，将其转换为对应的数字量信号；串口通信电路，接收来自上位机的指令，并解包，获得给定舵角值；仿真接口电路，用于向stm32芯片书写程序以及进行程序调试；pwm产生电路，产生能够控制步进电机驱动器的控制信号等。软件主要由系统初始化程序、主循环程序和中断程序组成。系统在执行完主程序初始化过程后，进入主循环程序，当程序触发中断条件时，立即中止循环并跳转执行中断服务程序，中断服务程序执行完毕，转回原程序中断位置继续执行。
初始化程序是对整体系统进行初始化，包括设定系统时钟、设定外设时钟、设定a/d与pwm工作参数、设定控制周期、定义中断；主循环程序实时检测系统的工作状态并做出相应的处理，等待中断程序，图5为主循环程序流程图，在主循环中，电机启动后，通过位置采样得到转子位置，执行采样中断子程序，采集各种电机参数并进行参数调节，参数调节完成后，输出相应占空比的pwm波，从而实现对电机的精确控制。
中断程序是控制软件的核心部分，也是整个控制系统的精髓，它完成了电压和电流采样、转子速度和位置计算、控制算法的实现及pwm的输出。当接收到系统启动命令时，便会开启控制算法进行调节，同时启动电流、电压检测，通过电流、电压的综合计算决定是否调节，图6为中断程序流程图，当系统触发中断标志后，进入到中断程序，在中断程序中，首先启动a/d转换，计算出对应的真值，随后判定真值的状态，不存在故障的情况下，对命令的给定与计算的真值之间进行比较计算，最终得到相应的pwm信号以及脉冲信号，控制装置能够实现对应的控制。
进一步的，步进电机驱动器中使用光耦隔离的方式，避免数字信号受到过多的干扰并升高输出pwm信号的电压，用于实现对mosfet驱动器的驱动；保护电路防止发生的异常情况对控制电路、驱动电路以及电机的损害；驱动电路使用ir2130驱动芯片，对逆变桥的开关进行控制；使用两相双h逆变桥用来完成对直流电的变换，对两相混合式步进电机进行驱动进而控制舵角。图7为ir2130驱动芯片的驱动电路，将来自stm32的六路pwm信号经ir2130驱动器处理后产生6路输出脉冲。ir2130驱动器只需要一路驱动电源，就可输出六路驱动信号对逆变桥进行控制，同时该驱动器的保护功能较为完善，采用该驱动器能够使系统更加简化，电路更加可靠。
进一步的，电源模块除了负责为电机供电，还需要给stm32控制器以及相关控制、信号采样、信号转换等芯片供电。整个系统使用的是一块24v的电池，为使系统稳定运行，需要将24v电源转换为各个模块需要的稳定电压。比如，为stm32芯片等提供3.3v，为通信芯片等提供5v，为驱动器提供12v。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
1.一种船用电动舵机伺服装置，其特征在于包括：输出对船舶的电机驱动器的控制舵角值的上位机，接收所述上位机传送的舵角值的stm32控制器，所述stm32控制器将该舵角值传送至步进电机驱动器并保存，所述步进电机驱动器的输出端与步进电机相连接，所述步进电机的输出轴与齿轮箱相连接、根据接收到的舵角值控制齿轮箱的转动；
该装置还包括用于检测船舶的实际舵角信息的角位移传感器，所述角位移传感器将检测到的实际舵角值传送至stm32控制器，所述stm32控制器将上位机给定的舵角值与实际舵角进行比较获得舵角差值、根据该舵角差值对步进电机进行舵角补偿控制、直到实际舵角与给定的舵角值相等则停止舵角补偿控制。
2.根据权利要求1所述的一种船用电动舵机伺服装置，其特征还在于：该装置还包括直流电机驱动器，所述stm32控制器的输出端与直流电机驱动器相连接，所述直流电机驱动器的输出端与外挂推进机相连接。
3.根据权利要求1所述的一种船用电动舵机伺服装置，其特征还在于：该装置还包括多个电源模块，所述电源模块与stm32控制器和步进电机驱动器相连接为其提供稳定电能。
4.根据权利要求2所述的一种船用电动舵机伺服装置，其特征还在于：当步进电机输出轴转动时带动齿轮箱输入齿轮转动、输入齿轮转动带动输出齿轮转动、输出齿轮转动带动所述外挂推进机水平转动。
5.根据权利要求2至4任意一项所述的一种船用电动舵机伺服装置，其特征还在于：该装置还包括舵机手操器，所述舵机手操器的输出端与stm32控制器相连接。
技术总结