随着船舶制造业的快速发展以及海洋环境复杂化,人们对船舶的操纵性能要求越来越高,而舵机是保障船舶具有良好操纵性的重要设备之一,其操舵快慢影响着船舶的转动变向并直接关系到船舶在海上的安全航行。其中转叶舵机以其外部构造简单、转舵机构布置在舵杆中央、体积相对更小、抗冲击震动性能好、低噪声、可靠性高等特点,受到了越来越多的关注。现有舵机的驱动装置复杂,液压管路长,占地面积大,对油液的清洁度要求高,能耗噪声大,难以满足船舶尤其是舰船的现代化要求。在这种情况下,本文提出了直驱式翻边转叶舵机。它利用翻边式转叶舵机自身的特点,并结合交流伺服电机灵活的调速控制与流体传动系统出力大的优势,替代了易发生卡滞的液压伺服阀和需配置变量机构的变量泵,通过伺服电机直接驱动可双向回转的定量泵来实现舵机转向和舵位的控制。直驱式翻边转叶舵机具有系统管路短、高效节能、一体化安装、易于控制、抗冲击耐压性能好等优点,能有力地改善船舶的姿态及安全性能。在重点了解舵机形式及其驱动控制历程的基础上,详细综述了转叶舵机的特点、与传统液压舵机的性能比较以及国内外发展现状;介绍了直驱式容积调速系统的特征及其发展状况,在指出阀控舵机系统的不足之处后,提出转叶舵机用直驱式驱动装置。提出了一种翻边式转叶舵机并对其结构进行了设计;为减小舵机腔室容积、提高舵机效率,使用遗传算法对舵机主要部件转叶油缸的参数进行了优化,并利用有限元结构分析软件对转叶油缸缸体及转子进行了结构应力与位移分析;针对普通舵机密封装置的局限性,设计了一种压力反馈式组合密封装置。针对开关式阀控和泵控开式舵机液压系统的缺点进行了直驱式动力源的集成化设计,根据系统性能指标及转叶油缸优化结果完成相关元件的参数计算,对功率与负载匹配下伺服电机的调速性能进行了分析研究。精确建立了交流伺服电机矢量调速环节、泵控液压动力机构环节、负载部分的数学模型;分析了影响泵控动力机构动态性能的主要因素,并推导出整个舵机系统的传递函数,对系统进行了动态特性分析。根据数学模型对系统进行了仿真研究,针对直驱式翻边转叶舵机的高阶非线性及负载干扰不确定性问题,采用粒子群智能算法对控制器进行了优化设计,通过对比分析,验证了粒子群优化算法在直驱式翻边转叶舵机控制器参数设计中的有效性。