导读
舵机作为船舶航向控制的核心，在船舶航行中起重要作用，船舶在海上航行伴随着高风险，舵机的每一次故障都有可能产生毁灭性的后果，因此提高舵机故障分析和解决能力显得尤为重要。
随着船舶技术的不断发展，变频技术已经在舵机系统中得到广泛应用，这对轮机管理人员提出更高的要求。
鉴于船舶舵机的重要性，若出现舵机故障，必须及时解决。舵机控制系统的复杂性又使排除故障难度较大。
本文以某大功率远洋拖船舵机（型号 Tenfjoed SR722-FCP，厂家 POLLS-ROYCE）为例，分析其工作原理，介绍故障现象及排查过程，提出故障解决方案，供轮机管理人员参考。
一、舵机系统及原理
1、舵机系统简介
某船舵机系统工作原理（见图1）：
图1 舵机系统
由驾驶台控制面板送出随动或者应急操舵指令到控制系统，舵柱上安装有齿轮，链条将舵角实时传送到反馈单元来测量转舵角度，然后将测量数据反馈给控制系统。
舵角反馈信号与舵角指令信号比较、处理后发出控制信号至变频器，调节液压油泵电动机（11kW）的转速和转向，从而控制油泵（定量泵代替传统的变量泵）输出的液压油压力、流量和流向。
达到要求舵角后，电机停止运转。由于采用变频电动机，无舵角指令时液压泵组会自动进入慢转或者停转状态。
2、变频器控制原理
图2 变频器控制原理
变频器控制原理（见图2）：
K11、K12 为遥控控制时得电，K13 为随动控制时得电，K15、K16 为左右满舵限位开关控制。S3、S4 为机旁应急操舵手柄。
从主控单元来的控制指令：
端子排 X3（3、4、5）接入开关量（左 / 右舵指令）信号，控制变频电机的转向，X3（6、7）接入 0~10 V 模拟量信号，控制变频电机的转速。
3、电气控制系统
电力和控制的基本要求有：
（1）供电要可靠。
一路从主配电板到舵机，一路经应急配电板到舵机。
（2）变频电动机和控制系统运行要可靠。
舵机控制有 2 个控制站（驾驶台和舵机房），之间要有转换开关，以防同时操作。
操舵模式分自动操舵模式、随动操舵模式及应急操舵模式。
电气控制系统原理（见图3）：
4 个选择卡和放大卡置于 1 个印刷电路母板上，母板与 2 个泵控制卡及接口卡相接。
其中，选择卡为前驾、后驾及两翼的控制面板接口，可以分别输入自动、随动、应急这 3 种操舵模式的舵令信号，然后输出给放大卡。
放大卡根据选择卡来的控制方式信号、舵令信号与接口卡来的舵角反馈信号比较，输出舵令信号给泵控制卡。
如随动操舵模式下，输出左 / 右舵角信号和 0~10 V 变频器转速模拟量控制信号，并且为舵令和反馈信号提供±5 V电源。
泵控制卡将随动或应急控制信号输出给变频器。
图3 控制系统框图
二、故障分析及解决
1、故障现象
（1）故障 1。
2 号舵机随动操舵时，有时舵角不稳，如舵令在左舵 X°时，舵角在 X°波动多次后才能稳定，右舵则没有此现象。
（2）故障 2。
3 号舵机随动操舵时，实际舵角和舵角指令相差 3°左右。
2、故障分析及排查
（1）故障 1
根据故障 1 的现象，结合前述工作原理，分析造成舵角不稳定的原因可能为：
变频器及液压单元不稳定、某些电源不稳定或接触不良；舵角反馈信号或线路接触不良；舵角控制指令信号或线路接触不良；泵控制卡、放大卡或者反馈卡中某个单元有故障。
须根据由简到繁及最有可能的故障排查原则，逐个排除。
首先，操作测试。
分别在应急和随动控制方式下操舵，检测舵角变化情况。发现应急操舵时，舵角没有波动，操舵正常。
由此可判断变频器及液压单元正常。
然后，外观检查与简单测量。
检查 2 号舵机油泵控制箱内电源、变压器、继电器等外观良好，无异常发热。测量电源电压及检查继电器线圈、触点等，正常。
在多次随动操舵试验过程中，于舵机舱中测量舵角反馈信号及有关接线，均正常。
检查驾驶台舵机控制系统接线箱（包括遥控控制电路板），找到 2 号油泵对应的端子排，测量从前驾、后驾舵机随动单元接入到驾驶台舵机控制系统接线箱内的信号，随动转舵指令正常。
进一步确定舵角反馈和舵令信号是否正常：
分别在前驾、后驾、两翼进行随动操作试验，发现每个操舵位置都出现故障，排除输入到选择卡上的舵令信号故障。
应急操舵时，在接口卡上测量反馈信号变化连续且稳定，正常。
由此可排除舵角反馈和舵令信号的故障。
根据上述检查和分析，将可能故障范围缩小为泵控制卡、放大卡或者接口卡中某个单元有故障或三者连接线路故障。
因泵控制卡 A 和 B 相同，易于互换，故优先测试。
发现泵控制卡 A 出现故障时，泵控制卡 B 正常，将泵控制卡 A、B 对调位置后，仍然泵控制卡 A（此时泵控制卡 A 处装的泵控制卡 B）出现故障，泵控制卡 B 正常。
由此说明泵控制卡自身正常。
另外，泵控制卡 A 或 B 工作时，接口卡始终投入工作，泵控制卡 B 正常工作可确定接口卡正常。
综上判断，故障应在放大卡、泵控制卡、接口卡之间的连线（多芯排线）或放大卡。
由于只有 1 个放大卡且卡上元器件较多，不易测量。
故优先检查多芯排线，发现放大卡与泵控制卡 A 之间的连接线故障，多排芯线中有一芯在扎带绑扎处被戳破而折断。恢复排线连接后，故障排除，操舵正常。
（2）故障 2
根据故障 2 的现象结合前述工作原理，初步判断原因可能为：
舵角反馈信号故障、操舵指令信号故障、放大卡故障、选择卡故障、泵控制卡故障、控制系统与舵机控制面板之间线路存在故障。
首先，操作测试。
分别在前驾、后驾、两翼进行随动操作，发现每个操舵位置都出现相同故障。
4 个选择卡和 4 个操舵位置的舵令信号一般不同时出现故障，故排除选择卡和舵令信号及线路故障。
接着测量舵角反馈电位器（阻值5kΩ），中位时两边阻值基本相等，说明舵角反馈电位器正常。
反复操舵，测量接入接口卡的舵角反馈信号，信号变化连续且稳定，正常，排除其可能造成的影响。
通过以上排查分析，推断放大板上的可调电位器设定有偏差：
可能是舵角反馈电位器或舵令电位器不准确。
由此调节放大板上的可调电位器，调节之前标记好可调电位器的初始位置，一旦调节没有效果可调回原位置。
按照说明书要求，在随动操舵模式下断开舵令信号，调节零点旋钮P30，直到放大板端子 J2-2（0 参考点）与 J2-7 等于 0，应急模式下操舵使反馈信号置位 10 V，调节增益P31，直到放大板端子J2-2与J2-7等于10 V。
重新调节后进行试验，操舵正常，故障排除。
若上述调节无效，最好将可调电位器调回原位置后再考虑排查泵控制卡故障。
因有 2 个泵控制卡，可以互换，分别进行操舵试验，根据结果即可判断哪个泵控制卡存在故障。
3、典型故障排除总结
故障 1：
舵机无法启动。
原因可能为泵控制卡故障、启动继电器故障、控制系统与舵机控制面板之间线路故障。
故障 2：
舵角与舵令不一致。
原因可能为放大卡故障、选择卡故障、泵控制卡故障、控制系统与舵机控制面板之间的线路故障。
故障 3：
舵只能向一个方向转动。
可能原因为：
反馈系统的限位开关故障、应急操舵手柄上的微动开关故障、控制系统与舵机控制面板之间的线路故障。
出现故障时，本着由简入繁及最有可能的故障排查原则，先进行外观、异常发热等检查，然后检测电源、有关继电器、连接线路是否松动等，最后进行有可能的且易于测量和判断的方面检查，缩小故障范围。
电路板内部结构复杂，较多集成芯片难以测量，可放到最后检查。
检查时，最好采用电路板同型号替换方式进行判断。
电路板替换时注意必须断电后再进行拆、接，以防引起短路等故障。
若没有可替换的电路板，可以通过观察电路板上的指示灯状态，有无异常发热或变色甚至明显烧坏的元器件，或者拆下电路板查看是否有虚焊的接点等。
三、结束语
随着船舶液压舵机控制系统自动化程度的提高，控制电路越来越复杂，并趋于集成化数字式印刷电路板，一旦发生故障，原因大概率出现在印刷电路板的外围电路。
轮机管理人员必须与时俱进、加强学习，熟悉舵机电气及液压控制系统工作原理，从分析外围接口电路（例如反馈电路、指令发送电路、连接线、可调参数的调节等）入手，对故障排除将大有裨益。
原创作者系：
北海救助局 游军伟
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