“向陽紅01”號(hào)海洋綜合科考船轉(zhuǎn)舵控制系統(tǒng)分析研究

李 欣 劉志兵 張志平

（1.自然資源部第一海洋研究所 青島266061；2.中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

引 言

“向陽紅01”是我國自主設(shè)計(jì)建造的新一代海洋綜合科考船，采用了先進(jìn)的吊艙式電力推進(jìn)系統(tǒng)，滿足一人橋樓（OMBO）和無人機(jī)艙（AUTO-0）的要求，具有DP-1級(jí)動(dòng)力定位能力。本船裝備了多種性能先進(jìn)的船載探測(cè)、試驗(yàn)系統(tǒng)及設(shè)備，其功能滿足水體探測(cè)、大氣探測(cè)、海底探測(cè)、深海極端環(huán)境探測(cè)以及遙感數(shù)據(jù)現(xiàn)場驗(yàn)證等調(diào)查研究需求，可實(shí)現(xiàn)大洋環(huán)流系統(tǒng)與氣候變化、海洋動(dòng)力過程與災(zāi)害、大洋生態(tài)系統(tǒng)與碳循環(huán)、深海海底油氣資源形成機(jī)理等科研目標(biāo)，極大地提升了我國深遠(yuǎn)海綜合考察研究的能力和水平，引領(lǐng)了我國新一代海洋科學(xué)綜合考察船的發(fā)展方向，其總體技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了國際先進(jìn)水平甚至部分指標(biāo)優(yōu)于國際先進(jìn)指標(biāo)。

1 “向陽紅01”吊艙轉(zhuǎn)舵系統(tǒng)概述

“向陽紅01”號(hào)配備2臺(tái)ABB公司生產(chǎn)的Azipod吊艙式電力推進(jìn)器，其最大特點(diǎn)就是將推進(jìn)電機(jī)和轉(zhuǎn)舵模塊組合在一起，完成360°全方位的推進(jìn)功能。轉(zhuǎn)舵模塊由功率傳輸單元、轉(zhuǎn)舵單元和安裝塊組成［1］。轉(zhuǎn)舵單元由齒輪箱和轉(zhuǎn)舵電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制設(shè)備組成。每個(gè)Azipod吊艙有2個(gè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)舵單元，轉(zhuǎn)舵電機(jī)由轉(zhuǎn)舵變頻器驅(qū)動(dòng)。轉(zhuǎn)舵變頻器接受自動(dòng)操舵儀控制和方位角控制桿控制，并且接受動(dòng)力定位和聯(lián)合操縱的控制信號(hào)。所有這些控制信號(hào)經(jīng)過遙控單元處理后，以通訊協(xié)議傳輸給轉(zhuǎn)舵變頻器主控板RMIO，控制轉(zhuǎn)舵電機(jī)以一定速度轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)吊艙式推進(jìn)器全方位回轉(zhuǎn)，完成海上調(diào)查作業(yè)所要求的各種船舶動(dòng)態(tài)。

轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)包括遙控單元和轉(zhuǎn)舵電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其控制框圖如圖1。

圖1 轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)控制框圖

遙控單元管理駕駛臺(tái)所有操作位置的方位角控制桿以及自動(dòng)操舵儀和動(dòng)力定位的操控，處理舵角給定信號(hào)和推進(jìn)給定信號(hào)。監(jiān)控轉(zhuǎn)舵驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)，完成隨動(dòng)操舵與應(yīng)急操舵之間的功能切換。每臺(tái)吊艙轉(zhuǎn)舵驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括2個(gè)動(dòng)力單元，每個(gè)動(dòng)力單元由單獨(dú)的ABB變頻器（型號(hào)為ACS800-04）驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)舵電機(jī)按預(yù)定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)舵變頻器由主電路和控制電路組成。轉(zhuǎn)舵電機(jī)采用轉(zhuǎn)矩控制模式實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速，系統(tǒng)的機(jī)械特性及動(dòng)態(tài)特性可與采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)的直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美［2］。主電路包括6脈沖整流器（將三相交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓）、電容器組（電能存儲(chǔ)器，可以穩(wěn)定中間回路直流電壓）、6 脈波 IGBT 逆變器（將直流電壓轉(zhuǎn)換為交流電壓，通過逆變器來控制轉(zhuǎn)舵電機(jī)的運(yùn)行）；控制電路由主電路板（RINT）、主控板（RMIO）和控制盤（CDP312R）組成。轉(zhuǎn)舵電機(jī)配有電磁剎車和脈沖編碼器，脈沖編碼器用來量測(cè)量轉(zhuǎn)舵電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，將轉(zhuǎn)速信號(hào)反饋到變頻器控制模塊，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)舵模塊的精準(zhǔn)位置控制。只有當(dāng)2個(gè)動(dòng)力單元都停止或失電時(shí)，電磁剎車才失電動(dòng)作，將轉(zhuǎn)舵電機(jī)抱死，使轉(zhuǎn)舵模塊停止在要求方位。為了滿足船舶冗余要求，兩個(gè)動(dòng)力單元分別單獨(dú)供電，一臺(tái)轉(zhuǎn)舵動(dòng)力單元由主400 V配電板供電，另一臺(tái)由應(yīng)急400 V配電板供電。當(dāng)主配電板失電時(shí)，應(yīng)急配電板仍能保證一臺(tái)轉(zhuǎn)舵動(dòng)力單元正常運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)仍有50%的轉(zhuǎn)舵力矩保持電力推進(jìn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)舵正常。

2 “向陽紅01”轉(zhuǎn)舵動(dòng)力單元控制特點(diǎn)

2.1 主/從控制

圖2 主/從控制框圖

2臺(tái)轉(zhuǎn)舵電機(jī)通過1套齒輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)舵模塊，要求2臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)速同步和負(fù)載轉(zhuǎn)矩相等。通過參數(shù)預(yù)置，首先對(duì)2臺(tái)動(dòng)力單元設(shè)定主機(jī)和從機(jī)模式，主/從控制框圖見圖2。主機(jī)、從機(jī)控制板RMIO之間通過塑料光纖（POF）連接，本船塑料光纖傳送速率設(shè)定為4 Mbit/s，使主/從驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)之間的給定值傳遞小于5 ms。主機(jī)通過光纖通訊控制從機(jī)，也通過光纖通訊接受從機(jī)的工作狀態(tài)信號(hào)，對(duì)從機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，使2臺(tái)轉(zhuǎn)舵電機(jī)同步運(yùn)行。主機(jī)采用速度和轉(zhuǎn)矩控制，接受外部控制系統(tǒng)設(shè)定的速度信號(hào)和命令字；從機(jī)接受主機(jī)給定的速度和轉(zhuǎn)矩信號(hào)，采用轉(zhuǎn)矩控制模式，跟蹤主機(jī)轉(zhuǎn)矩和速度，使主/從驅(qū)動(dòng)之間保持同步，均分負(fù)載。主機(jī)的啟動(dòng)與從機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行互鎖，如果從機(jī)狀態(tài)字（MSW）0位是OFF，說明從機(jī)故障，主機(jī)不能啟動(dòng)，發(fā)出從機(jī)故障報(bào)警。當(dāng)主機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，從機(jī)自動(dòng)執(zhí)行主機(jī)功能，接受外部控制系統(tǒng)命令，大大提高轉(zhuǎn)舵模塊工作可靠性。

2.2 直接轉(zhuǎn)矩控制

在直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）中可以通過電壓空間矢量u來控制磁鏈的走走停停，以控制定子磁鏈的平均速度，從而改變磁通角γ的大小，達(dá)到控制轉(zhuǎn)矩的目的［3］。螺旋槳的轉(zhuǎn)速不同，對(duì)船體產(chǎn)生的推力也不同，作用在轉(zhuǎn)舵模塊上的載荷將有很大變化，直接影響轉(zhuǎn)舵電機(jī)的轉(zhuǎn)速。本船轉(zhuǎn)舵變頻器預(yù)置為直接轉(zhuǎn)矩控制模式，給定信號(hào)的大小與電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩成正比。當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)矩和定子勵(lì)磁的值與給定值的偏差超過允許的磁滯時(shí)，逆變器功率半導(dǎo)體的開關(guān)頻率被改變，從而改變定子勵(lì)磁和電機(jī)轉(zhuǎn)矩（如圖3所示）。

圖3 直接轉(zhuǎn)矩控制框圖

每臺(tái)轉(zhuǎn)舵電機(jī)都裝有RTAC-01 脈沖編碼器模塊，通過一個(gè) AIMA- 01 I/O 模塊適配器連接到主控板RMIO。將速度脈沖信號(hào)反饋到速度控制器，變頻器在控制電路中將合成后的給定信號(hào)分解成相互垂直的磁場分量和轉(zhuǎn)矩分量。根據(jù)轉(zhuǎn)舵電機(jī)的參數(shù)模型，將相互垂直的直流磁場信號(hào)進(jìn)行等效轉(zhuǎn)換，變成控制三相逆變橋的控制信號(hào)，使轉(zhuǎn)矩分量得到調(diào)整，從而調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速。使轉(zhuǎn)舵電機(jī)的軸轉(zhuǎn)速度嚴(yán)格按照設(shè)定速率運(yùn)轉(zhuǎn)，不會(huì)因吊艙推力的變化而影響轉(zhuǎn)舵速度。本船按照設(shè)計(jì)要求有2種轉(zhuǎn)舵速度：巡航模式最大轉(zhuǎn)舵速度為6 °/s，機(jī)動(dòng)模式最大轉(zhuǎn)舵速度為 12 °/s，最大轉(zhuǎn)向加速度為 6 °/s［4］。轉(zhuǎn)舵驅(qū)動(dòng)單元根據(jù)操舵模式設(shè)定，自動(dòng)執(zhí)行轉(zhuǎn)舵速度運(yùn)轉(zhuǎn)。

電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制要求測(cè)量直流電壓和電機(jī)的兩個(gè)相電流，通過在矢量場積分電機(jī)電壓計(jì)算定子勵(lì)磁，從而計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)矩：

式中：Tm為電機(jī)轉(zhuǎn)矩；K為與電機(jī)結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)的系數(shù)； 為磁通的基波分量；I為轉(zhuǎn)子繞組電流；cosφ為轉(zhuǎn)子繞組的功率因數(shù)。

直接轉(zhuǎn)矩控制需要對(duì)控制電機(jī)進(jìn)行模型辨識(shí)。本船的電機(jī)模型辨識(shí)參數(shù)如下：

電機(jī)額定電壓 400 V；

額定電流 79.0 A；

額定頻率 60 Hz；

額定轉(zhuǎn)速 1 780 r/min；

額定功率 43.0 kW；

額定功率因數(shù) 0.84。

3 “向陽紅01”轉(zhuǎn)舵驅(qū)動(dòng)變頻器的功能應(yīng)用

本船使用的轉(zhuǎn)舵電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是ABB公司生產(chǎn)的ACS800-04變頻器，其輸入電源為400 V、50 Hz，最大輸出電流112 A，最大剎車功率56 kW。系統(tǒng)應(yīng)用程序有兩種控制方式：遠(yuǎn)程（外部遙控）和本地控制?？刂品绞接?CDP 312R 控制盤上的 LOC/REM 鍵來選擇。其控制板RMIO 上有3個(gè)未經(jīng)電氣隔離的可編程模擬輸入：一個(gè)電壓輸入口 （-10～10 V） 和兩個(gè)電流輸入口 （4～20 mA）。模擬輸入端可用于電機(jī)溫度測(cè)量、作為 I/O 速度或轉(zhuǎn)矩給定的信號(hào)源或作為外部控制系統(tǒng)的通訊接口（如現(xiàn)場總線控制）。RMIO 板上有兩個(gè)可編程的未經(jīng)電氣隔離的電流輸出口 （4～20 mA）。模擬輸出信號(hào)可被反向和濾波。模擬輸出信號(hào)可與電機(jī)速度、輸出頻率、輸出電流、電機(jī)轉(zhuǎn)矩、電機(jī)功率等成比例。變頻器 RMIO 板上有7個(gè)數(shù)字輸入通道：數(shù)字輸入DI1為應(yīng)急停止信號(hào)、DI2為運(yùn)行使能信號(hào)、DI3為制動(dòng)電阻高溫保護(hù)信號(hào)、DI4為另一臺(tái)驅(qū)動(dòng)器電源開關(guān)狀態(tài)信號(hào)、DI5為轉(zhuǎn)舵電機(jī)電磁剎車位置信號(hào)、DI6為另一臺(tái)轉(zhuǎn)舵電機(jī)電磁剎車位置信號(hào)、DI7為啟動(dòng)連鎖信號(hào)。變頻器 RMIO 板上有三個(gè)可編程數(shù)字輸出，數(shù)字輸出的最大數(shù)量是7。通過對(duì)RMIO控制板參數(shù)預(yù)置，使其對(duì)舵機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)如下功能。

3.1 自動(dòng)啟動(dòng)

轉(zhuǎn)舵驅(qū)動(dòng)單元電機(jī)控制程序可以同時(shí)辨識(shí)電機(jī)的磁通和電機(jī)的機(jī)械狀態(tài)，并在任何條件下可以隨時(shí)啟動(dòng)電機(jī)。它包括跟蹤啟動(dòng)功能和自動(dòng)重啟功能。轉(zhuǎn)舵驅(qū)動(dòng)單元通過轉(zhuǎn)舵電機(jī)測(cè)速脈沖計(jì)數(shù)器推斷電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)向和頻率，隨時(shí)啟動(dòng)轉(zhuǎn)舵電機(jī)。短時(shí)間的電源供電失?。ㄗ畲? s）后，應(yīng)用自動(dòng)重啟功能，可以自動(dòng)重啟驅(qū)動(dòng)單元。因?yàn)镽MIO控制板通過UPS（非中斷電源系統(tǒng)）供電，在主電源供電失敗期間，數(shù)字輸入 DI2 仍閉合，逆變器允許在無冷卻風(fēng)機(jī)的情況下運(yùn)行 5 s。如果電源供電失敗的時(shí)間超過 5 s，自動(dòng)重啟功能被取消。

3.2 應(yīng)急停止

應(yīng)急停止信號(hào)連接到RMIO板的數(shù)字輸入DI1。通過數(shù)字輸入通道 DI1為0來激活該功能。舵機(jī)驅(qū)動(dòng)單元接受到應(yīng)急停止信號(hào)后，控制轉(zhuǎn)舵電機(jī)按照停機(jī)速度斜率使電機(jī)轉(zhuǎn)速降為0。本船應(yīng)急停止速度斜率設(shè)定為1 800 r/min。應(yīng)急停止反饋信號(hào)通過傳動(dòng)單元的 RMIO 板上的繼電器輸出RO3發(fā)送到輔助控制電路，該控制電路包括公共緊急停止電路的控制繼電器。反饋信號(hào)的目的是確認(rèn)緊急停止功能被接收和驅(qū)動(dòng)單元的程序正在運(yùn)行。如果沒有接收到反饋，主交流電源將會(huì)在短時(shí)間延時(shí)后斷開，該延時(shí)時(shí)間由輔助控制單元的時(shí)間繼電器設(shè)定。

3.3 電機(jī)熱保護(hù)功能

本船采用電機(jī)熱保護(hù)模型和溫度傳感器測(cè)量兩種保護(hù)模式。

電機(jī)熱保護(hù)模型基于變頻器控制為直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC），對(duì)電機(jī)熱模型的計(jì)算。在計(jì)算時(shí)用到下列假設(shè)：當(dāng)電源開關(guān)接通時(shí)，電機(jī)溫度為估計(jì)溫度。電源開關(guān)第一次接通時(shí)，電機(jī)的周圍環(huán)境溫度是30℃。如果電機(jī)工作在負(fù)載曲線以上的區(qū)域，電機(jī)溫度升高。如果電機(jī)工作在負(fù)載曲線以下的區(qū)域，電機(jī)溫度降低。通過參數(shù)預(yù)置，定義電機(jī)的最大允許工作負(fù)載。本船舵機(jī)驅(qū)動(dòng)定義的負(fù)載線如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)舵電機(jī)負(fù)載線

通過電機(jī)溫度傳感器PT100連接到驅(qū)動(dòng)控制模塊RMIO模擬輸入和輸出通道，檢測(cè)電機(jī)溫度。模擬輸出AO1向溫度傳感器PT100輸入恒定電流。當(dāng)電機(jī)溫度升高時(shí)，傳感器的阻抗也增大，同時(shí)傳感器兩端的電壓也增大。溫度測(cè)量功能從模擬輸入 AI1 中讀取電壓，并將其轉(zhuǎn)換為攝氏度。電機(jī)溫度測(cè)量如圖5。本船設(shè)定110℃報(bào)警，130℃故障停機(jī)。

圖5 電機(jī)溫度測(cè)量

3.4 電機(jī)堵轉(zhuǎn)保護(hù)功能

通過預(yù)置參數(shù)，調(diào)整監(jiān)控極限值，使驅(qū)動(dòng)單元在電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)出警報(bào)。本船定義的限制電機(jī)電流為200%電機(jī)額定電流，驅(qū)動(dòng)的最大轉(zhuǎn)矩極限值是電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的104% ，驅(qū)動(dòng)的最小轉(zhuǎn)矩極限值是電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的-104% ，速度控制器輸出最大極限值是電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的104% ，速度控制器輸出最小極限值是電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的-104% ，最大轉(zhuǎn)矩給定極限值是電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的104%，最小轉(zhuǎn)矩給定極限值是電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的-104% ，堵轉(zhuǎn)保護(hù)的頻率限制是20 Hz，堵轉(zhuǎn)保護(hù)的延時(shí)時(shí)間是20 s。

3.5 接地故障和電流不平衡保護(hù)

接地故障保護(hù)是檢測(cè)電機(jī)、電機(jī)電纜或逆變器輸出出現(xiàn)的接地故障。接地故障保護(hù)基于測(cè)量電流，監(jiān)視逆變器輸出電流的不平衡度來反映是否出現(xiàn)接地故障。本船設(shè)定總電流不平衡大于8%時(shí)，延時(shí)100 ms發(fā)出警報(bào)并跳閘斷電保護(hù)。

3.6 通訊故障保護(hù)

通訊故障功能用于監(jiān)視來自 DDCS 通道 CH0或現(xiàn)場總線適配器模塊的信息，從機(jī)用于監(jiān)控從主機(jī)接收的數(shù)據(jù)和發(fā)送的數(shù)據(jù)。產(chǎn)生通訊故障后，延時(shí)100 ms，驅(qū)動(dòng)單元根據(jù)轉(zhuǎn)矩極限值停機(jī)。脈沖編碼器模塊和 RMIO 板之間無通訊或在1ms之內(nèi)脈沖編碼器的脈沖頻率相應(yīng)改變，該報(bào)警保護(hù)激活，驅(qū)動(dòng)單元自動(dòng)使用估計(jì)速度。只要估計(jì)速度和測(cè)量速度之間的偏差高于1%時(shí)，驅(qū)動(dòng)單元使用估計(jì)速度。估計(jì)速度和測(cè)量速度的偏差的檢查頻次為每五秒鐘一次。當(dāng)偏差小于1%時(shí)，驅(qū)動(dòng)單元再次使用測(cè)量的速度。

4 “向陽紅01”吊艙式轉(zhuǎn)舵系統(tǒng)功能分析

4.1 應(yīng)急操舵功能

應(yīng)急操舵也叫單動(dòng)操舵或非隨動(dòng)操舵，是在隨動(dòng)操舵功能失去作用后所采取的一種操舵方式。其主要特點(diǎn)就是沒有舵角反饋信號(hào)，操舵人員只能根據(jù)實(shí)際舵角位置與指令舵角偏差進(jìn)行校正。本船應(yīng)急操舵共設(shè)置有兩個(gè)位置：舵槳艙就地應(yīng)急操舵和駕駛臺(tái)遙控應(yīng)急操舵。分別由單獨(dú)的信號(hào)線與轉(zhuǎn)舵電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元連接，發(fā)送數(shù)字命令進(jìn)行左舵或右舵控制。當(dāng)無舵令時(shí)，速度控制器設(shè)定0轉(zhuǎn)速給驅(qū)動(dòng)單元，轉(zhuǎn)舵電機(jī)轉(zhuǎn)速為0，使轉(zhuǎn)舵模塊保持在要求舵角位置。在進(jìn)行應(yīng)急舵時(shí)，首先選定操作位置，按下舵機(jī)啟動(dòng)按鈕，然后發(fā)送舵角指令，進(jìn)行左舵或右舵操作。舵機(jī)驅(qū)動(dòng)單元的運(yùn)行時(shí)序圖如下頁圖6所示，轉(zhuǎn)舵電機(jī)按照運(yùn)行時(shí)序動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)舵模塊左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)。

4.2 隨動(dòng)操舵功能

隨動(dòng)操舵控制系統(tǒng)只要操作人員通過方位操作桿給出舵令，驅(qū)動(dòng)單元就能自動(dòng)地按照舵令把轉(zhuǎn)舵模塊轉(zhuǎn)到所要求的方位角上。本船隨動(dòng)操舵位置較多，主要有駕駛臺(tái)中央、駕駛臺(tái)左翼、駕駛臺(tái)右翼、作業(yè)操控室等［5］。所有這些操舵指令都由遙控單元（RCU）接收和處理，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電位信號(hào)（-10～10 V）。通過數(shù)據(jù)線發(fā)送給轉(zhuǎn)舵驅(qū)動(dòng)單元。每套轉(zhuǎn)舵模塊安裝有3個(gè)舵角測(cè)量設(shè)備，將實(shí)際位置舵角信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)（4～20 mA）反饋到舵機(jī)驅(qū)動(dòng)單元。每臺(tái)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)單元連接一個(gè)舵角測(cè)量設(shè)備，另一個(gè)舵角測(cè)量設(shè)備將實(shí)際舵角發(fā)送到電力推進(jìn)控制系統(tǒng)、動(dòng)力定位系統(tǒng)、自動(dòng)操舵儀以及各操作位置的實(shí)際舵角顯示。隨動(dòng)操舵系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，舵機(jī)驅(qū)動(dòng)單元連續(xù)比較遙控單元發(fā)送的舵角給定信號(hào)和轉(zhuǎn)舵模塊的反饋信號(hào)，其差值經(jīng)過速度控制環(huán)節(jié)計(jì)算，轉(zhuǎn)換成電機(jī)轉(zhuǎn)速控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)舵電機(jī)按照驅(qū)動(dòng)單元預(yù)設(shè)的程序運(yùn)轉(zhuǎn)，直到實(shí)際舵角與設(shè)定舵角完全一致，轉(zhuǎn)舵模塊工作在遙控單元所要求的舵角位置。隨動(dòng)操舵系統(tǒng)方框圖如圖7所示。

圖6 本船驅(qū)動(dòng)單元運(yùn)行時(shí)序圖

圖7 隨動(dòng)操舵系統(tǒng)方框圖

5 “向陽紅01”吊艙式轉(zhuǎn)舵系統(tǒng)實(shí)船應(yīng)用

5.1 巡航模式

船舶在開闊水域，正常航行狀態(tài)使用的操舵模式。一般使用自動(dòng)操舵儀操舵。最大舵角限制在左右35°之間。轉(zhuǎn)舵變頻器控制轉(zhuǎn)舵速度最快為6 °/s，從左滿舵到右滿舵轉(zhuǎn)舵時(shí)間僅需12 s，提高了舵機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間，保持航向性能優(yōu)越，減少了船舶阻力，進(jìn)一步提高推進(jìn)效率［6］。推進(jìn)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)0～305 r/min的無級(jí)變速，滿足科學(xué)調(diào)查所需要的各種航速。在每臺(tái)推進(jìn)電機(jī)最大輸入功率為1 895 kW時(shí)，船舶平均航速可達(dá)15.8 kn。在一臺(tái)船舶發(fā)電機(jī)運(yùn)行的情況下，保持發(fā)電機(jī)85%的負(fù)荷率，推進(jìn)控制系統(tǒng)自動(dòng)限制推進(jìn)電機(jī)輸入功率820 kW（2臺(tái)推進(jìn)電機(jī)共消耗功率1 640 kW），實(shí)現(xiàn)船舶經(jīng)濟(jì)航速12.3 kn。滿足單臺(tái)船舶柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)，船舶航速達(dá)到12 kn的設(shè)計(jì)要求。其快速性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)均達(dá)到和超過國際同類型船的先進(jìn)水平［7］。

5.2 機(jī)動(dòng)模式

船舶靠泊、停船作業(yè)、拋錨等狀態(tài)，通過駕控臺(tái)方位角控制桿給定吊艙的推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)舵信號(hào)，在360°方位角內(nèi)都可得到有效的推進(jìn)功率。這種控制模式下，轉(zhuǎn)舵變頻器控制轉(zhuǎn)舵速度最快為12 °/s，顯著提高舵機(jī)的反應(yīng)速度，船舶的機(jī)動(dòng)性能得到大幅提高。全速回轉(zhuǎn)試驗(yàn)：左右推進(jìn)電機(jī)輸入功率各為1 000 kW，初始航速15 kn，操舵角35°，回轉(zhuǎn)直徑205 m，回轉(zhuǎn)時(shí)間319 s，船舶最大橫傾角7°。原地回轉(zhuǎn)試驗(yàn)：左右吊艙推進(jìn)電機(jī)輸入功率各為500 kW的情況下，雙機(jī)轉(zhuǎn)舵80°，船舶原地回轉(zhuǎn)一周僅需290 s，船舶最大橫傾角2°。

回轉(zhuǎn)試驗(yàn)表明該船回轉(zhuǎn)性能良好。為避免船舶橫傾角過大，切忌高航速下使用大舵角。海上停船試驗(yàn)也證明該船機(jī)動(dòng)靈活，左右吊艙推進(jìn)電機(jī)各輸入功率1 200 kW，船舶航行速度12 kn，左右吊艙對(duì)稱外轉(zhuǎn)180°，停船距離315 m，停船時(shí)間85 s。

6 結(jié) 語

近幾年，ABB公司生產(chǎn)的吊艙式推進(jìn)器在我國新建科學(xué)考察船中應(yīng)用較多，該吊艙推進(jìn)器的最大特點(diǎn)是可以360°旋轉(zhuǎn)，提供全方位的推進(jìn)能力，使船舶的靈活性和操縱性得到極大提高。轉(zhuǎn)舵控制系統(tǒng)不同于常規(guī)舵機(jī)，它采用交流變頻調(diào)速技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，通過串口通訊和光纖通信手段，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)舵模塊的自動(dòng)化運(yùn)行。通過對(duì)吊艙推進(jìn)器轉(zhuǎn)舵控制系統(tǒng)實(shí)船應(yīng)用進(jìn)行分析，著重于轉(zhuǎn)舵驅(qū)動(dòng)單元的功能分析和原理介紹，對(duì)掌握吊艙式轉(zhuǎn)舵控制系統(tǒng)工作原理和熟悉工作過程具有一定的參考價(jià)值。