一種新型一體化推進(jìn)裝置控制系統(tǒng)的研制

吳團(tuán)結(jié)，蔡曉琴，肖 清

(1.中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢430064;2.武昌船舶重工有限責(zé)任公司，湖北 武漢430064)

0 引 言

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體開關(guān)技術(shù)、交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)日漸成熟，船舶電力推進(jìn)技術(shù)發(fā)展很快，出現(xiàn)了多種電力推進(jìn)方式，如吊艙式電力推進(jìn)(POD)、泵噴電力推進(jìn)、一體化電力推進(jìn)器(IMP)等。電力電子技術(shù)不僅徹底改變了艦船能量變換的面貌，而且使原先船舶電力推進(jìn)存在的一些缺點(diǎn)發(fā)生根本性的轉(zhuǎn)化，其優(yōu)點(diǎn)和長(zhǎng)處得到進(jìn)一步發(fā)揚(yáng)［1-2］。

本文研制的一種新型一體化推進(jìn)裝置用于船舶輔助和應(yīng)急推進(jìn)的設(shè)想，是當(dāng)今模塊化設(shè)計(jì)概念的產(chǎn)物，可以說是一種革命性的創(chuàng)新。它結(jié)合了吊艙式電力推進(jìn)特點(diǎn)，就是推進(jìn)用電機(jī)直接與推進(jìn)螺旋槳相連，制成1 個(gè)獨(dú)立的推進(jìn)模塊，并吊掛在船體底部。該推進(jìn)模塊可以360°旋轉(zhuǎn)，推進(jìn)的方位角可以人為地進(jìn)行控制和調(diào)節(jié);而且還具有像飛機(jī)起落架一樣自動(dòng)收放功能，能完全滿足主推進(jìn)系統(tǒng)無法完成的補(bǔ)充功能，如船舶的離、靠碼頭功能、應(yīng)急推進(jìn)功能、側(cè)推功能等。該裝置非常適用于無人潛器、輕型/重型魚雷和潛艇等水下工作平臺(tái)推進(jìn)，必將為水下推進(jìn)帶來一次革命［3-8］。

1 新型一體化推進(jìn)裝置的工作原理及特點(diǎn)

1.1 工作原理

新型一體化推進(jìn)裝置主要由一體化推進(jìn)器(integrated motor propulsor，IMP)及控制系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1 新型一體化推進(jìn)裝置組成框圖Fig.1 The composition block diagram of novel IMP

新型一體化推進(jìn)器是將電機(jī)與推進(jìn)器集成為一體的一種新型電力推進(jìn)器，含永磁電機(jī)、螺旋槳、導(dǎo)管等;收放裝置包括收放機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和鎖緊機(jī)構(gòu)及防波板啟閉機(jī)構(gòu)等，收放機(jī)構(gòu)和鎖緊機(jī)構(gòu)由控制系統(tǒng)中的液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng);整個(gè)裝置由基于CAN總線的控制系統(tǒng)進(jìn)行控制和監(jiān)測(cè)。

1.2 裝置的特點(diǎn)

該一體化推進(jìn)裝置具備輔助推進(jìn)、自行離靠碼頭等功能，可大幅提高船舶操縱和緊急機(jī)動(dòng)的能力。在船舶設(shè)計(jì)、總體性能、制造及維護(hù)等方面帶來諸多優(yōu)點(diǎn)，歸納如下:

1)控制靈活。該一體化推進(jìn)裝置與傳統(tǒng)的推進(jìn)方式不同，電機(jī)與螺旋槳同軸而不是通過連軸器把電機(jī)的軸和螺旋槳連接起來，沒有了嚴(yán)格的軸系對(duì)準(zhǔn)問題，電機(jī)和螺旋槳的軸向可以根據(jù)需要改變，可在水平面360°內(nèi)旋轉(zhuǎn)，減小了船舶的回轉(zhuǎn)半徑，可倒車，極大地提高了船舶的靈活性。

2)功率密度高。該一體化推進(jìn)裝置浸泡在水中，電機(jī)的散熱效果小，電機(jī)的熱負(fù)荷設(shè)計(jì)可以提高，提高了電機(jī)功率密度;電機(jī)不再是位于艙內(nèi)而是與螺旋槳同軸，節(jié)約了軸向空間，這可提高推進(jìn)器的功率密度。

3)效率高。該一體化推進(jìn)裝置安裝固定方式非常靈活，不再是單純地固定在船尾，也就是說螺旋槳的進(jìn)水口是完全敞開的，螺旋槳的流體特性得到了改進(jìn)，提高了螺旋槳的效率;電機(jī)直接浸泡在水中，不需要電機(jī)的輔助冷卻系統(tǒng)，節(jié)約了冷卻系統(tǒng)的功率，提高了推進(jìn)效率。

4)體積小、節(jié)省空間。該一體化推進(jìn)裝置中電機(jī)和螺旋槳一體化，電機(jī)移至艙外，節(jié)省了寶貴的艙內(nèi)空間，便于全船優(yōu)化布置，更好地提高空間利用率。

5)可靠性高。該一體化推進(jìn)裝置全部采用靜密封，可靠性高，電機(jī)直接浸泡在水中，不需要電機(jī)水冷卻套、電機(jī)輔助冷卻系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)軸和連軸器，可靠性得到提高。

6)低特征信號(hào)。該一體化推進(jìn)裝置結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量更輕，沒有主傳動(dòng)軸，減少了機(jī)械和水動(dòng)力噪聲源，電機(jī)在驅(qū)動(dòng)推進(jìn)器時(shí)消除了傳統(tǒng)推進(jìn)裝置因?yàn)閭鲃?dòng)而消耗的效率和噪聲。

7)布置緊湊、靈活、方便。該一體化推進(jìn)裝置采用模塊化設(shè)計(jì)，能充分利用船上富余空間，安裝方便，且可后期安裝，從而節(jié)省空間，縮短建造周期，降低成本，而且還具有一定的移植性。

2 新型一體化推進(jìn)裝置控制系統(tǒng)

2.1 控制系統(tǒng)研制

新型一體化推進(jìn)裝置主要控制內(nèi)容為:推進(jìn)裝置的解鎖/鎖緊;推進(jìn)裝置的外放∕收回;推進(jìn)裝置的旋轉(zhuǎn);一體化推進(jìn)器的工作(前進(jìn)、后退及轉(zhuǎn)速控制等)。

該一體化推進(jìn)裝置控制流程如圖2所示，圖2(a)和圖2(b)分別為推進(jìn)裝置外放推進(jìn)和收回艇內(nèi)時(shí)的控制流程，虛線箭頭表示該部分功能由哪個(gè)系統(tǒng)控制實(shí)現(xiàn)。推進(jìn)裝置的解鎖∕鎖緊、外放∕收回和旋轉(zhuǎn)由液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，液壓系統(tǒng)原理圖如圖3所示。一體化推進(jìn)裝置工作由其控制裝置進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。

該一體化推進(jìn)裝置控制原理如圖4所示，控制系統(tǒng)分為2 級(jí):現(xiàn)場(chǎng)控制和中央控制?；贑AN 總線的現(xiàn)場(chǎng)控制由下位機(jī)(PLC)、IMP 控制單元、逆變部分及傳感器等構(gòu)成，可實(shí)現(xiàn)對(duì)IMP 推進(jìn)器的變頻調(diào)速和對(duì)裝置的自動(dòng)控制，現(xiàn)場(chǎng)控制可用于裝置的調(diào)試和維護(hù)。下位機(jī)可獨(dú)立安全工作，通過滿足全船信息化要求的接口與上位機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)中央控制室對(duì)該裝置的遙控［9-10］。

圖4 新型推進(jìn)裝置控制系統(tǒng)原理框圖Fig.4 The control system block diagram of novel IMP

1)上位機(jī)。上位機(jī)置于遠(yuǎn)端集控室或中央控制室，計(jì)算機(jī)通過采用CAN 總線協(xié)議與下位機(jī)(PLC)相連組成監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，通信介質(zhì)采用屏蔽雙絞線。主要作用是提供操作人員友好的人機(jī)界面(HMI)，包括舷外推進(jìn)裝置運(yùn)行流程、實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、報(bào)警頁面和重要的運(yùn)行控制運(yùn)行參數(shù)修改界面等。

2)下位機(jī)。下位機(jī)采用PLC 進(jìn)行控制，裝置中IMP 控制單元(變頻器)只完成調(diào)速功能，系統(tǒng)運(yùn)算和控制功能由PLC 來完成，PLC 負(fù)責(zé)各種信號(hào)的邏輯關(guān)系，從而向IMP 控制單元(變頻器)發(fā)出啟停信號(hào)和調(diào)速信號(hào)，同時(shí)IMP 控制單元也將本身的工作狀態(tài)輸送給PLC 形成雙向通信關(guān)系。

3)現(xiàn)場(chǎng)傳感設(shè)備和執(zhí)行機(jī)構(gòu)?，F(xiàn)場(chǎng)傳感器主要是速度傳感器、位置傳感器等，用以監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，變送輸出相應(yīng)的物理量，如電壓信號(hào)、電流信號(hào)、電阻信號(hào)等。執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要是液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

2.2 控制系統(tǒng)研制主要關(guān)鍵技術(shù)

1)一體化推進(jìn)器(IMP)控制單元(逆變器)研制

IMP 控制單元主要完成一體化推進(jìn)器本地運(yùn)行控制和電力傳輸，主要是變頻器的研制。變頻器將直流逆變成交流，以實(shí)現(xiàn)IMP 變頻調(diào)速和控制。IMP 控制單元分為主回路、控制硬件和控制軟件。主要根據(jù)電機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)來設(shè)計(jì)逆變器;通過Saber建模，采用相應(yīng)的PWM 調(diào)制方式和控制策略進(jìn)行系統(tǒng)仿真，探索了系統(tǒng)最佳的控制策略，控制參數(shù)等。

在研究過程中，著重關(guān)注兩點(diǎn):其一，如何抑制主回路所產(chǎn)生的諧波和電磁發(fā)射;其二，如何降低控制回路的敏感度，避免控制系統(tǒng)本身受干擾而誤動(dòng)作或停止工作。通過仿真和模擬試驗(yàn)，在電路板設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采取了大量行之有效的措施，如隔離開關(guān)電源作為驅(qū)動(dòng)電源，軟硬件濾波措施來減少系統(tǒng)干擾，為了降低輸入端傳導(dǎo)干擾設(shè)計(jì)了低頻濾波電路和高頻濾波電路等。

2)強(qiáng)弱電耦合導(dǎo)電滑環(huán)研制

推進(jìn)裝置中需要對(duì)一體化推進(jìn)器進(jìn)行收放和水平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)，由于空間狹小且轉(zhuǎn)動(dòng)角度大，一體化推進(jìn)器所連電纜無法自行扭轉(zhuǎn)，需采用導(dǎo)電滑環(huán)過渡連接。該導(dǎo)電滑環(huán)能同時(shí)傳輸強(qiáng)弱電，保證了信號(hào)不相互干擾，滿足電力和信號(hào)的傳輸。

3)低速大扭矩液壓回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)研制

一體化推進(jìn)器收放及其在水平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)所表現(xiàn)的負(fù)載特性為低速大扭矩，集成了減速機(jī)和液壓馬達(dá)的液壓回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(包括收放機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu))是實(shí)現(xiàn)這種驅(qū)動(dòng)功能的較理想方式。該機(jī)構(gòu)采用擺線馬達(dá)和蝸輪蝸桿減速器的組合方式，實(shí)現(xiàn)了低速大扭矩的液壓回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，并可進(jìn)行自鎖，滿足驅(qū)動(dòng)要求。

3 結(jié) 語

新型一體化推進(jìn)裝置采用模塊化設(shè)計(jì)理念，突破了永磁電機(jī)與螺旋槳集成技術(shù)，永磁電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)按照導(dǎo)流管的特性來設(shè)計(jì)，既保證了電機(jī)的效率和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，又符合流體設(shè)計(jì)，可使總體性能最優(yōu)。作為一種新的技術(shù)和發(fā)展方向，以及適應(yīng)未來應(yīng)用的環(huán)境情況，該裝置還需要進(jìn)行大量的研究、試驗(yàn)和驗(yàn)證工作，如材料研究、密封技術(shù)研究、防沙技術(shù)研究以及相關(guān)的性能試驗(yàn)和驗(yàn)證等工作。

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