基于Viking35的電子調速器典型故障分析

厲行軍，高瀚林2，林文友

(1.92246部隊，上海 201900；2.中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

電子調速器動作靈敏，響應速度快，動靜態精度高的特點[1]，在柴油機轉速控制上得到廣泛的應用。艦船自動化程度的不斷提高，對艦船動力裝置的控制也提出更高要求，關于電子調速器的應用，考慮以海茵茨曼旗下歐羅巴公司出品的 Viking35 控制器及執行器組成的電子調速器為例，介紹Viking35控制器的工作原理及典型的故障排除分析方法，為艦員級維修提供參考依據。

1 Viking 35控制器簡介

Viking35機旁轉速控制模塊即調速器控制器，使用的是與主機調速器執行器相配套的控制板，以動作靈敏，響應速度快，動靜態精度高的特點[1]在中速柴油機上使用廣泛。Viking 35控制器主要實現對主機的轉速的加減、轉速指令信號的接受轉換與輸出、停車、報警等功能，實物外觀和接線說明見圖1、2。

圖1 Viking 35控制器實物外觀

圖2 Viking 35控制板接線說明

內部接線功能如下。

36,38接線端：電子調速器的供電電源，電壓為24 V；

23,22接線端：主機控制位置有效判斷，通過采集有無24 V信號來判斷是出于機旁還是遙控狀態；

89,88接線端：第一路主機轉速傳感器反饋轉速；

92,91接線端：第二路主機轉速傳感器反饋轉速，兩路主機轉速均為脈沖量信號輸入；

25,24接線端：在機旁操縱時實現半自動加轉速功能，當25,24之間采到24 V電即可加實現轉速；

27,26接線端：在機旁操縱時實現半自動減轉速功能，當27,26之間采到24 V電即可實現減轉速；

72,71接線端：遙控控制有效時，由程序發送過來的轉速指令電流；

3,2接線端：經過電子調速器微分計算，放大處理，輸出主控電流；

5,4接線端：電子調速器故障報警輸出。

2 電子調速器工作原理

電液調速器正常使用前需要下載運行底程序，下載配置參數。每臺電液調速器的參數并不完全相同，主要根據主機特性和調試過程配機得到[2]，基本工作原理：通過安裝在主機自由端或輸出端的轉速傳感器產生的脈沖信號(也叫反饋轉速)，脈沖信號轉換為頻率信號，頻率信號輸入到電壓轉換模塊，由此產生的模擬電壓量，在此基礎上接入到數字信號模塊，通過比較偏差模塊和PID運算模塊，輸出放大后的控制量，最后輸出到執行器驅動機構已到達控制轉速的目的[2-4]。最終目的是根據柴油機外界負荷變化自動調節輸出主控電流信號量大小，使柴油機的轉速快速趨于穩定，減少因復合變化帶來的波動，從而保證柴油機具備良好的工作特性，其 PID調節原理見圖3[2]。

圖3 PID調節原理

Viking35控制器里面的PID調節功能會判斷目前動力系統運行的狀態，區分啟停、加減速、并車等工況自動選擇配置參數，以實現對柴油機轉速的精準控制。一般情況下一個控制器里面有多組PID參數，如主機起車過程中的 PID調節參數，主機運行過程中的PID調節參數，轉速采集備用一路啟用時主機PID調節參數以及控制器的備用配置PID調節參數等。PID調節是經典控制理論中一種基本調節方法，具有比例、積分和微分作用的一種線性調節規律，與之對應的3個主要參數為比例系數Kp、積分系數Ti和微分系數Td。這一控制量的表達式為[3-6]

(1)

比例調節功能是指控制系統在控制量上如果出現了偏差，比例調節會根據設定的比例反應來進行隨動的調節作用使其偏差減少。比例系數Kp值的大小，對應著調節速度的快慢，Kp值越大調節速度就越快，起到減少偏差作用；但過大的Kp值，會導致控制系統的穩定性有所下降，容易引起被控量發生振蕩。而積分調節的主要功能是使系統提高無差度，消除穩態誤差，只要系統有誤差存在，無論大小積分調節功能就會一直有效。積分作用的強弱主要取決于積分系數Ti值得大小，Ti越小，積分就越強，動態反應就快，可以縮短消除靜差的時間，但也會導致超調增大，減弱了系統的穩定性。微分作用主要反映的是系統偏差信號的變化率，具有預見性，可以預見偏差變化的趨勢，因此微分調節功能可以產生超前的控制作用，合適的微分Td值起到改善系統動態性能的作用，可以減少超調量，縮短調節的時間，但微分作用會對系統的噪音干擾起到放大作用，對系統的抗干擾不利[5-6]。

平時重點關注幾個階段，如柴油機的啟動停止、主機接脫排、主機加減速等典型使用場景，這些階段，柴油機負荷突然變化，導致柴油機的轉速也隨之發生波動，轉速變化主要通過調整比例參數(P)來控制。而柴油機負荷突然變化后，柴油機轉速恢復穩定需要一定時間，該反應時間主要通過積分調節(I)來控制，這需要在試驗中不斷的優化PID參數的設置來達到設計要求[7]。

3 典型故障排除

對于電子調速器類的故障，在排故之前，首先應查看原理圖、接線圖，了解系統器件的結構原理，理清控制流程[8]，不可盲目拆檢，要從整體出發，從故障現象處入手，通過觀察對比、逐一檢測，最后實現精準點位。

3.1 基本控制流程

主機的啟動方式主要有兩種：①機旁啟動，在機艙啟動主機時，只需按下機旁操縱臺上的起動按鈕直到主機發火成功；②遙控啟動，在集控室或是駕駛室的自動操作面板上按下“啟動”按鈕放開即可。二者區別在于遙控啟動是由程序發出的啟動命令，指令和反饋是一個閉環。在主機啟動時，Viking 35控制器設定的轉速初始化為怠速，當主機轉速大于發火轉速后，主機本身會先拉轉速，拉上去之后電子調速器開始接管，通過主控電流穩定到空車目標轉速400 r/min。

當操作部位在機旁時，只有半自動加減轉速功能，通過機旁臺上“轉速加”、“轉速減”按鍵分別輸入到電子調速器的25、24,27、26接線端實現加減速。當操作部位在遙控時，在駕駛室和集控室分別布置有主車鐘、遙控操縱板(功能定義鍵)、應急操控模塊等指令輸入設備，當在集控室或駕駛室發出這些遙控指令后，指令通過CAN總線送至機艙內的通用監控單元(控制用)，監控單元內現場控制模塊負責控制邏輯的處理，并將控制指令通過I/O輸出，以模擬量形式送至電子調速器72、71接線端進行調速。

電子調速器在進行調速時，調速器根據兩路反饋轉速(一路主用、一路備用)與給定轉速的差值比較，調整主控電流的輸出以達到目標轉速，同時兩路主機反饋轉速互補使用，當一路轉速失效時，另一路即可投入使用。電子調速器因外部因素導致報警時可通過集控室功能定義鍵上的復位按鈕復位報警，當按下復位按鈕時，21,20接線端采到24 V電實現對電子調速器的報警復位。

3.2 典型故障

1)現象一：主機起機后轉速到不了400 r/min，運行在主機后備轉速區間。

排除方法如下。

第一步：確定主機的后備轉速，看是否與當前的轉速一致。拔掉主機調速器上主控電流航空插頭，起動主機觀察主機后備轉速為多少轉。一般主機后備轉速設置在350 r/min左右，建議不要高于380 r/min。如果后備轉速設置400 r/min以上，則主機起動后轉速即為400 r/min以上，不會拉到400 r/min，此時主控電流是不起作用的。后備轉速如果設置在390 r/min左右，主機起動后，轉速可能會保持在后備轉速390 r/min左右，因為設置的后備轉速太接近主控怠速，可能會出現短時間拉不到400 r/min的情況。

第二步：轉遙控停機，復位繼續觀察。如果主機起機后為后備轉速低于400 r/min，停下主機，將操作部位切換到集控，在推進臺功能定義鍵按“停車”、“復位”按鈕，再次起機觀察。集控室功能定義鍵的“復位”鍵不僅可以復位監控系統的報警，還能復位電子調速器的報警。比如因起機時燃油壓力低或者起動空氣壓力低導致的起機失敗，主機發生故障導致的故障降速，故障停車等也需要復位。吹車后或者在機旁停車后建議按下停車，保證燃油齒條降到5%以下，因為在機旁時，電子調速器需要滿足轉速為0，燃油齒條5%以內這兩個條件后確認為主機正常停車，以保證主機下次能正常起動。

第三步：判斷是否為主機轉速失效。復位后，如果起機后還是主機后備轉速，可在起機后使用萬用表測量電子調速器上89、88,92、91接線端上的轉速脈沖信號，如果兩個轉速沒信號，電子調速器轉速失效報警，主控不起作用。

第四步：判斷是否為調速器執行器主控斷線。復位后，如果起機后還是主機后備轉速，檢查從電子調速器主控輸出到執行器航插頭之間線路是否斷線，是否接反。正常情況下電子調速器主控輸出的3接線端對應航空插頭C腳,2接線端對應航空插頭的A腳,C腳為正A腳為負，接反會導致主控不起作用，正常情況下，拔掉主控航插頭，C腳與A腳之間可以測量到直流電24 V。

2)現象二：主機起動后或者拉高轉速后波動比較大。

排出方法如下。

第一步：判斷原因是否為轉速反饋故障。使用萬用表測量電子調速器上89、88,92、91接線端上的轉速脈沖信號，觀察轉速頻率信號，如果頻率不一致，差值稍大，則可能是兩路主機轉速不一致導致主機油車，可更換波動較大或誤差較大的轉速傳感器。更換方法為將新傳感器擰到底再回轉一圈半固定，也可協調需服務人員調整。

第二步：判斷是否為轉速傳感器測量故障。查看主機飛輪端兩個轉速傳感器探頭表面是否有臟污附在上面，測速大齒輪凹槽處是否有雜物，以及傳感器的連接插頭是否有油污，以上原因都會導致脈沖信號采集不準。有雜物的話需要用干抹布擦拭干凈，清理的時候注意不可隨意拆動改變傳感器的位置。

第三步：判斷主機特性是否發生改變。主機特性發生改變一般很少出現，一般出現在噴油泵大量的調整更換，噴油器供油量大批量的調整或是調速器與油門拉桿固定螺絲發生松動移位等情況，如果主機特性發生變化，則需要重新進行配機試驗。

4 結論

艦船自動化發展對艦員的自修能力要求越來越高，對于電子調速器類的故障，不僅需要知道其內部的結構，控制原理，還需要弄懂與其相匹配的整套執行機構的控制流程，理清弄懂各種原理圖、監控圖、接線圖。當控制系統發生故障時，做到有

的放矢，從整體上把握方向，從局部出發，通過左右機對比觀察法、排除法、湊試法，理論與實踐相結合，逐步積累排故經驗。