船舶輪緣推進(jìn)裝置驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制方法研究進(jìn)展

楊 植 嚴(yán)新平,2 歐陽(yáng)武,2 白洪芬,3

船舶輪緣推進(jìn)裝置驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制方法研究進(jìn)展

楊 植1嚴(yán)新平1,2歐陽(yáng)武1,2白洪芬1,3

（1. 武漢理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院可靠性工程研究所 武漢 430063 2. 國(guó)家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心 武漢 430063 3. 上海海事大學(xué)航運(yùn)技術(shù)與控制工程交通運(yùn)輸行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 201306）

輪緣推進(jìn)裝置（RDT）是一種先進(jìn)的電力直驅(qū)式船舶推進(jìn)器，具有高功率密度、高機(jī)動(dòng)性能、減振降噪和節(jié)能環(huán)保等顯著優(yōu)點(diǎn)。與應(yīng)用在陸地上的電機(jī)系統(tǒng)相比，浸泡在水中工作的RDT驅(qū)動(dòng)電機(jī)面臨電機(jī)氣隙大、性能受流場(chǎng)制約、難以安裝位置傳感器、電機(jī)控制與航行控制關(guān)系復(fù)雜等難題。該文分析了RDT電機(jī)的工作特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上詳細(xì)闡述了RDT驅(qū)動(dòng)電機(jī)類型、驅(qū)動(dòng)電機(jī)的無位置傳感器控制方法、RDT全回轉(zhuǎn)控制方法以及多RDT的協(xié)同控制方法等方面的研究現(xiàn)狀，指出尚待解決的問題和今后的研究方向。

輪緣推進(jìn)裝置 電力推進(jìn) 永磁電機(jī) 無位置傳感器控制 航行控制

0 引言

推進(jìn)系統(tǒng)是船舶的核心組成部分，“原動(dòng)機(jī)-傳動(dòng)系統(tǒng)-螺旋槳”是軍船和商船應(yīng)用最廣泛的推進(jìn)模式，隨著船舶技術(shù)的發(fā)展，它也暴露出諸多弊端，如船體與推進(jìn)軸系存在復(fù)雜的耦合動(dòng)力學(xué)關(guān)系，船體變形引起推進(jìn)系統(tǒng)工作環(huán)境變化，導(dǎo)致軸系不對(duì)中、振動(dòng)劇烈，甚至軸系斷裂等惡性事故。在能源動(dòng)力高端裝備領(lǐng)域，采用電機(jī)直驅(qū)模式以完成電能到機(jī)械能的同軸轉(zhuǎn)化代表著現(xiàn)代運(yùn)載工具推進(jìn)技術(shù)的未來發(fā)展方向[1]。船舶輪緣推進(jìn)裝置（Rim-Driven Thruster, RDT）將電機(jī)定子嵌進(jìn)導(dǎo)管，電機(jī)轉(zhuǎn)子與槳葉合為一體，取消了傳動(dòng)軸系、機(jī)械密封和電機(jī)冷卻系統(tǒng)等環(huán)節(jié)，將電機(jī)直驅(qū)模式發(fā)揮到極致，可顯著提高推進(jìn)系統(tǒng)的功率密度和效率、緊湊結(jié)構(gòu)、降低噪聲以及實(shí)現(xiàn)全回轉(zhuǎn)，給現(xiàn)代船舶推進(jìn)技術(shù)帶來了顛覆性的革命[2]。

1 輪緣推進(jìn)裝置驅(qū)動(dòng)電機(jī)研究現(xiàn)狀

輪緣推進(jìn)裝置的概念模型在1940年德國(guó)專利中就已被提出[3]，但受限于電機(jī)、控制和軸承等技術(shù)而發(fā)展緩慢。隨著永磁電機(jī)、大功率變頻器、現(xiàn)代控制和軸承水潤(rùn)滑等技術(shù)的進(jìn)步，如今這種先進(jìn)推進(jìn)系統(tǒng)已成為船舶推進(jìn)技術(shù)的熱點(diǎn)之一[4]。國(guó)外如英國(guó)Rolls-Royce、挪威Brunvoll、德國(guó)Voith和Schottel等公司正在競(jìng)相研制大功率RDT。近年來，國(guó)內(nèi)包括702研究所[5]、712研究所[6]、海軍工程大學(xué)[7]、武漢理工大學(xué)[8-9]、西北工業(yè)大學(xué)[10]、哈爾濱工程大學(xué)[11]和臺(tái)灣成功大學(xué)[12]等單位針對(duì)RDT的電磁特性、水動(dòng)力學(xué)和摩擦學(xué)性能仿真等方面的問題開展了探索性研究。

1.1 輪緣推進(jìn)裝置驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作特點(diǎn)分析

RDT的推進(jìn)做功部分被懸吊在船體之外，RDT實(shí)物如圖1所示，控制部分安裝在船艙，利用電纜進(jìn)行連接。RDT電機(jī)剖面視圖如圖2所示。與陸上電機(jī)系統(tǒng)相比，RDT驅(qū)動(dòng)電機(jī)有著如下工作特點(diǎn)：

圖1 RDT實(shí)物（Brunvoll）

圖2 RDT電機(jī)剖面視圖

（1）RDT電機(jī)處于多物理場(chǎng)強(qiáng)耦合中。RDT電機(jī)定子嵌在導(dǎo)管中，轉(zhuǎn)子與槳葉直接相連，電機(jī)性能受電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)、流體場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)等多物理場(chǎng)強(qiáng)耦合作用。目前的電機(jī)系統(tǒng)常以電磁場(chǎng)為主進(jìn)行設(shè)計(jì)，這種單因素的設(shè)計(jì)方法難以實(shí)現(xiàn)RDT綜合性能最優(yōu)化。

（2）RDT電機(jī)氣隙更大。RDT電機(jī)浸泡在水中，借助槳葉做功產(chǎn)生壓力，電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子氣隙中海水循環(huán)流動(dòng)，可以冷卻電機(jī)并為電機(jī)兩側(cè)的軸承提供潤(rùn)滑[13]。RDT通過在電機(jī)定轉(zhuǎn)子外設(shè)置護(hù)套來防水，護(hù)套會(huì)使電機(jī)氣隙增大到傳統(tǒng)電機(jī)氣隙的2～3倍[14]，通常情況下，導(dǎo)電流體軸向流動(dòng)的速度方向與氣隙磁通方向正交，因此海水介質(zhì)的導(dǎo)電性能與流動(dòng)性也會(huì)進(jìn)一步降低RDT電機(jī)氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度[15]。

（3）RDT電機(jī)尺寸更小。RDT電機(jī)定子安裝在導(dǎo)管內(nèi)的特殊結(jié)構(gòu)，決定了其電機(jī)尺寸直接影響導(dǎo)管尺寸，進(jìn)一步影響推進(jìn)器水動(dòng)力性能和效率，定轉(zhuǎn)子防水護(hù)套也會(huì)進(jìn)一步增加電機(jī)徑向尺寸。為了提高推進(jìn)器效率，RDT電機(jī)徑向尺寸要薄，軸向尺寸要短，以此減小導(dǎo)管阻力。

（4）RDT電機(jī)轉(zhuǎn)子位置難以測(cè)量。傳統(tǒng)永磁電機(jī)一般采用矢量控制方法，控制系統(tǒng)需要獲得準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子位置信息，而RDT取消了傳動(dòng)軸且長(zhǎng)期暴露在海水環(huán)境下，難以安裝機(jī)械式位置傳感器，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性還受到水流對(duì)螺旋槳及轉(zhuǎn)子的非定常力和沖擊力等影響，因此如何發(fā)展高精密、高可靠、抗擾動(dòng)的無位置傳感器控制技術(shù)也是RDT發(fā)展的關(guān)鍵難點(diǎn)之一[16]。

1.2 輪緣推進(jìn)裝置驅(qū)動(dòng)電機(jī)的應(yīng)用現(xiàn)狀

感應(yīng)電機(jī)（Induction Motor, IM）曾被用于RDT的早期方案。D. W. Brown等于1989年完成了一個(gè)采用轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)，功率為7.5kW，轉(zhuǎn)速為2 906r/min的RDT樣機(jī)，由于軸承摩擦和定子護(hù)套渦流造成的功率損失，效率甚至低于50%[17]。K. M. Richardson等于1995年完成了一個(gè)采用開關(guān)磁阻電機(jī)（Switched Reluctance Motor, SRM），功率為5kW，轉(zhuǎn)速為1 200r/min的RDT，具有6個(gè)定子槽和20個(gè)轉(zhuǎn)子槽，基于開關(guān)磁阻電機(jī)的RDT如圖3所示，但損耗高達(dá)1.5kW[18]。

圖3 基于開關(guān)磁阻電機(jī)的RDT

上述基于IM和SRM的RDT都有相對(duì)較厚的轉(zhuǎn)子、定子和導(dǎo)管，水阻力損失較大，極大地影響了水動(dòng)力效率；加涂防腐蝕涂層后，氣隙尺寸變大，電機(jī)效率較低。相比之下，永磁（Permanent Magnet, PM）電機(jī)能承受較大的氣隙，可以設(shè)計(jì)成多磁極結(jié)構(gòu)，在不犧牲電機(jī)效率的情況下使轉(zhuǎn)子和定子相對(duì)更薄，因此從效率和制造工藝的角度出發(fā)，PM是現(xiàn)階段RDT較為理想的驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇，英國(guó)S. M. Sharkh教授團(tuán)隊(duì)較早將PM用于RDT，小型RDT如圖4所示，并采用有限元分析（Finite Element Analysis, FEA）和計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics, CFD）方法對(duì)RDT的性能進(jìn)行了分析[19-20]。為了進(jìn)一步降低功率損耗，A. Hassannia和A. Darabi于2013年設(shè)計(jì)了一種基于高溫超導(dǎo)電機(jī)（High Temperature Superconducting Motor, HTSM）的輪緣驅(qū)動(dòng)方案[21]。仿真發(fā)現(xiàn)，HTSM的輸出轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)，顯示出了比PM更好的綜合性能，高溫超導(dǎo)電機(jī)結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)矩仿真如圖5所示，但如何實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)及其在推進(jìn)器中的具體實(shí)施方案尚未見報(bào)道。

圖4 小型RDT

圖5 高溫超導(dǎo)電機(jī)結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)矩仿真

國(guó)內(nèi)方面，712所制造了一臺(tái)不包含電機(jī)部分的RDT模型，其包含導(dǎo)管、螺旋槳、支撐筋和位置傳感器，如圖6a所示，并通過水池模型試驗(yàn)驗(yàn)證了導(dǎo)管和螺旋槳水動(dòng)力性能[6]；西北工業(yè)大學(xué)使用解析方法對(duì)Halbach永磁體陣列進(jìn)行了優(yōu)化，進(jìn)一步減小電機(jī)定子徑向厚度，并在此基礎(chǔ)上組裝了一臺(tái)RDT原型機(jī)[10]，如圖6b所示；臺(tái)灣成功大學(xué)于2007年設(shè)計(jì)并制造了一臺(tái)采用15個(gè)定子槽和16個(gè)轉(zhuǎn)子槽的永磁無刷直流電機(jī)RDT，如圖7所示，由于軸承的摩擦比預(yù)期高，電機(jī)沒有達(dá)到設(shè)計(jì)的額定轉(zhuǎn)速1 500r/min[12]。武漢理工大學(xué)與廣州海工船舶設(shè)備有限公司合作，成功研制出了多種規(guī)格RDT，如圖8所示，部分RDT創(chuàng)新地采用了雙永磁電機(jī)的對(duì)轉(zhuǎn)輪緣結(jié)構(gòu)[9]和磁液雙懸浮推力軸承；中國(guó)昊野推出了功率為350W、額定轉(zhuǎn)速為2 300r/min的小型RDT，其推力達(dá)5.5kg，可用于水深850m的環(huán)境，如圖9所示。

圖6 RDT模型和原型機(jī)

圖7 RDT裝配和完成

圖8 武漢理工大學(xué)與廣州海工聯(lián)合研制的RDT

圖9 昊野研制的小型RDT

國(guó)外方面，挪威科技大學(xué)為RDT原型機(jī)建造了一臺(tái)內(nèi)徑為600mm、功率為100kW的永磁同步電機(jī)，將電機(jī)作為陸上發(fā)電機(jī)進(jìn)行了測(cè)試，其平均效率達(dá)0.93[22]，該工作同時(shí)也與挪威Brunvoll的RDT開發(fā)有關(guān)，在該原型機(jī)測(cè)試之后，Brunvoll開發(fā)了一臺(tái)內(nèi)徑為1 750mm、功率為810kW的RDT，并成為其產(chǎn)品線的一部分。英國(guó)南安普頓大學(xué)設(shè)計(jì)制造了50mm直徑的小型RDT，能夠在63W的輸入功率下產(chǎn)生9.81N的輸出推力。另一臺(tái)250mm直徑的RDT經(jīng)過測(cè)試，在輸入功率5.5kW時(shí)能夠產(chǎn)生981N的峰值推力[19-20]。英國(guó)TSL Technology已獲得南安普敦大學(xué)的許可，可以商業(yè)化生產(chǎn)該大學(xué)設(shè)計(jì)的RDT，并以此形成了直徑為50mm，可以在100W功率下產(chǎn)生17N推力和直徑為300mm，可以在4kW功率下產(chǎn)生1 000N推力的兩款產(chǎn)品，如圖10所示。

圖10 國(guó)外高校與企業(yè)聯(lián)合研制的RDT

除此之外，國(guó)外的商用RDT已有系列報(bào)道，如德國(guó)Enitech、丹麥Copenhagen Subsea、荷蘭Vetus等廠商生產(chǎn)出了功率不超過11kW的RDT；英國(guó)Ocean Yacht Systems和Rolls-Royce、挪威Brunvoll、德國(guó)Silent Dynamics、Voith和Schottel等公司則制造出最大2 600kW的大型RDT。Rolls-Royce于2015年將兩臺(tái)AZ-PM型500kWRDT安裝在驗(yàn)證船“Gunnerus”上，驗(yàn)證其具有低噪、高效、機(jī)動(dòng)性能優(yōu)越等特點(diǎn)；Brunvoll生產(chǎn)了從200～900kW的一系列RDT，并運(yùn)用在包括補(bǔ)給船、漁業(yè)監(jiān)測(cè)船、超級(jí)游艇和渡船等的十余條船上；Voith采用碳纖維增強(qiáng)塑料（Carbon Fibre Reinforced Polymer, CFRP）制作RDT的螺旋槳，于2014年將兩臺(tái)1MW船首推進(jìn)器用于工程船“Wagenborg”上，如圖11所示。

部分可查詢到的商用RDT參數(shù)見表1。

2 輪緣推進(jìn)裝置驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制方法研究現(xiàn)狀

2.1 輪緣推進(jìn)裝置驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制特點(diǎn)

永磁電機(jī)一般采用矢量控制方法以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的精確控制，由于RDT在水下工作并取消了傳動(dòng)軸，其工作環(huán)境和結(jié)構(gòu)決定了機(jī)械式位置傳感器難以安裝和使用。因此，無位置傳感器控制技術(shù)是RDT永磁驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制的首選。

無位置傳感器控制技術(shù)是通過在電機(jī)控制過程中測(cè)得的電壓、電流等參數(shù)與轉(zhuǎn)子位置、轉(zhuǎn)速的相互關(guān)系來估計(jì)轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速的[23]。對(duì)于工作在水下的RDT，其存在的控制難題如下：

（1）RDT電機(jī)負(fù)載波動(dòng)頻繁。RDT電機(jī)轉(zhuǎn)子與槳葉直接連接，水流對(duì)旋轉(zhuǎn)的槳葉作用產(chǎn)生的非定常力可直接導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)矩的跳變和波動(dòng)，從而對(duì)控制算法的魯棒性有著更高的要求[24]。

表1 部分商用RDT參數(shù)

Tab.1 The parameters lists of several RDT products of commercial companies

（2）RDT電機(jī)存在起動(dòng)和低速運(yùn)轉(zhuǎn)情況下帶不動(dòng)螺旋槳、高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)跟丟轉(zhuǎn)子位置的情況。對(duì)于永磁電機(jī)來說，單一的無傳感器控制算法無法很好地適配全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的電機(jī)運(yùn)行，電機(jī)的平穩(wěn)起動(dòng)和低速運(yùn)行需要更有針對(duì)性的控制方法，復(fù)雜的水下運(yùn)行環(huán)境也對(duì)電機(jī)全轉(zhuǎn)速域下的穩(wěn)定工作提出了更高的要求。

（3）RDT電機(jī)加減速頻繁，并存在反轉(zhuǎn)應(yīng)用。對(duì)于RDT作側(cè)推的應(yīng)用場(chǎng)景，電機(jī)需要頻繁起停、加減速和反轉(zhuǎn)，控制算法的動(dòng)態(tài)性能是決定側(cè)推RDT性能的關(guān)鍵。

（4）RDT電機(jī)及控制模塊功率限制。RDT是一種純電力推進(jìn)裝置，能耗是衡量其性能的一個(gè)重要指標(biāo)，船舶能產(chǎn)生的功率數(shù)量是有限的，控制算法過于復(fù)雜會(huì)增加控制模塊的能源消耗，因此應(yīng)考慮功率的約束限制。

這些控制難題使得RDT的精確控制技術(shù)發(fā)展難度增大，控制技術(shù)也是提高RDT性能的關(guān)鍵技術(shù)之一。

2.2 無位置傳感器控制方法及其策略

無位置傳感器控制方法大體有兩種技術(shù)路線：一種是基于電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)電磁關(guān)系的估計(jì)方法，包括直接計(jì)算法、反電動(dòng)勢(shì)積分法、模型參考自適應(yīng)法和各種觀測(cè)器法等[25-29]，適合反電動(dòng)勢(shì)比較容易檢測(cè)的中高速運(yùn)行狀態(tài)，其中前兩種方法簡(jiǎn)單直接，但對(duì)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的參數(shù)變化尤其敏感，應(yīng)用時(shí)需與電機(jī)參數(shù)辨識(shí)相結(jié)合。模型參考自適應(yīng)法需精心設(shè)計(jì)自適應(yīng)律才能保證在電機(jī)負(fù)載和轉(zhuǎn)速變化時(shí)的響應(yīng)能力和收斂性。觀測(cè)器方法中的滑模觀測(cè)器由于響應(yīng)速度快且對(duì)參數(shù)變化的魯棒性強(qiáng)而被廣泛研究，但實(shí)際物理系統(tǒng)的慣性會(huì)導(dǎo)致該方法產(chǎn)生抖振，需要在系統(tǒng)魯棒性和抑制抖振問題上進(jìn)行平衡；另一種是基于永磁電機(jī)凸極效應(yīng)的估計(jì)方法，包括瞬態(tài)電流檢測(cè)法、PWM載波頻率成分法和高頻信號(hào)注入法等[30-33]，在反電動(dòng)勢(shì)值很小的零低速運(yùn)行狀態(tài)下也能使用，其中的高頻信號(hào)注入法由于其實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單且不依賴電機(jī)參數(shù)而被廣泛應(yīng)用，注入的高頻信號(hào)主要包括旋轉(zhuǎn)高頻信號(hào)、脈振高頻信號(hào)和高頻方波信號(hào)[34]。其中，旋轉(zhuǎn)高頻信號(hào)注入法僅適用于具有物理凸極特性的永磁電機(jī)，而脈振高頻信號(hào)注入法對(duì)于凸極率小的永磁電機(jī)也同樣適用，方波注入法相比前兩者能夠?qū)崿F(xiàn)更高的注入頻率，具有更好的動(dòng)態(tài)性能。另外，由于信號(hào)注入需要消耗直流母線電壓，亦會(huì)增加電機(jī)損耗，簡(jiǎn)單可靠且成本較低的轉(zhuǎn)速開環(huán)運(yùn)行控制也是一種重要的零低速區(qū)控制手段[35]。

轉(zhuǎn)子的初始位置檢測(cè)對(duì)電機(jī)的平穩(wěn)起動(dòng)非常重要，除高頻脈振信號(hào)注入法以外，還有轉(zhuǎn)子初始預(yù)定位方法、電感參數(shù)矩陣計(jì)算法、響應(yīng)電流二次諧波檢測(cè)法、電壓脈沖矢量法和基于轉(zhuǎn)子微動(dòng)檢測(cè)法等[36-38]。

針對(duì)RDT電機(jī)的控制特點(diǎn)，需兼顧魯棒性和動(dòng)態(tài)性能，在考慮控制模塊功率消耗的基礎(chǔ)上，結(jié)合具體零低速算法與中高速算法的原理、轉(zhuǎn)速適用范圍確定最佳切換區(qū)間，使得轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速在過渡區(qū)間不會(huì)有較大的跳變和誤差，實(shí)現(xiàn)零低速運(yùn)行控制算法與中高速運(yùn)行控制算法的平滑過渡，達(dá)到對(duì)RDT全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的精確控制，最大限度地發(fā)揮電機(jī)性能，延長(zhǎng)電機(jī)壽命。常用的切換算法主要有加權(quán)切換和滯環(huán)切換[39]，目前主流的復(fù)合控制算法是將高頻信號(hào)注入法與觀測(cè)器法相結(jié)合，構(gòu)成復(fù)合觀測(cè)器，而對(duì)于大型RDT產(chǎn)品，尤其在重載起動(dòng)和高低速切換過程中，無位置傳感器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)跟蹤性能存在明顯缺陷的情況下，也可探索形成新型集成式位置傳感器技術(shù)。

2.3 輪緣推進(jìn)裝置驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制方法應(yīng)用現(xiàn)狀

T. D. Batzel等于2002年設(shè)計(jì)了一套R(shí)DT無位置傳感器控制系統(tǒng)，如圖12所示，硬件部分由Sharc 21061浮點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器和ADMC 401定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器組成。浮點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器分別以100ms和0.5ms間隔對(duì)轉(zhuǎn)子位置和速度進(jìn)行估計(jì)。定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器則對(duì)定子電壓和電流進(jìn)行采樣，為逆變器提供脈寬調(diào)制信號(hào)，系統(tǒng)采用I/F運(yùn)行控制方式，實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)電流控制功能。試驗(yàn)證明了所提出的無傳感器控制方法對(duì)負(fù)載轉(zhuǎn)矩、慣性和摩擦等力學(xué)參數(shù)具有魯棒性[40]。謝旻甫等于2008年采用開環(huán)V/F控制方法，通過“電源-驅(qū)動(dòng)器-推進(jìn)器”的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了60～120V下的RDT控制，如圖13所示，基于測(cè)量數(shù)據(jù)以外插方式得到操作電壓下的電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)轉(zhuǎn)矩關(guān)系。結(jié)果顯示，工作轉(zhuǎn)速為1 854r/min，與設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速2 000r/min稍有誤差，這種控制方法算法比較簡(jiǎn)單且不依賴轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)[41]。

圖12 RDT無位置傳感器控制電路

圖13 RDT試驗(yàn)架構(gòu)及控制電路

目前，有關(guān)RDT的公開文獻(xiàn)主要集中于電機(jī)設(shè)計(jì)及性能測(cè)試部分，而較少詳細(xì)描述其控制手段，往往采用的是算法簡(jiǎn)單且成本較低的開環(huán)控制方法進(jìn)行試驗(yàn)，并不追求其轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置的精確估計(jì)，而商用RDT的控制手段大多為公司針對(duì)特定產(chǎn)品開發(fā)，封裝于控制模塊之中，其操作原理和控制方法未知。

3 輪緣推進(jìn)裝置回轉(zhuǎn)控制方法研究現(xiàn)狀

RDT采用360°全回轉(zhuǎn)裝置實(shí)現(xiàn)船舶在航行過程中需要做的航向的偏轉(zhuǎn)、正倒車動(dòng)作控制。與傳統(tǒng)的舵槳相比，全回轉(zhuǎn)方式結(jié)構(gòu)集成度更高，倒車時(shí)采用旋轉(zhuǎn)180°而不是螺旋槳反轉(zhuǎn)，有利于提高工作效率和船舶操縱靈活性。

3.1 輪緣推進(jìn)裝置回轉(zhuǎn)控制方法

RDT的全回轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)主要組成包括：編碼器、舵角反饋模塊、中心控制模塊、電源分配模塊、回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、變頻電機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)。

編碼器用于采集駕駛臺(tái)給定的舵角信號(hào)和推進(jìn)器轉(zhuǎn)速信號(hào)，并將這兩個(gè)信號(hào)傳輸至中心控制模塊；舵角反饋模塊用于采集實(shí)際舵角信號(hào)，并將其反饋至中心控制模塊；回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括回轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、回轉(zhuǎn)電機(jī)和減速機(jī)，用于驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)舵；變頻推進(jìn)系統(tǒng)包括變頻器和永磁電機(jī)，用于驅(qū)動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)。電源分配模塊用于給整套控制系統(tǒng)供電，全回轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)框圖如圖14所示。

圖14 全回轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)框圖

大部分國(guó)內(nèi)船舶全回轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)采用經(jīng)典PI環(huán)節(jié)，某些廠商采用了開環(huán)傳遞方法，這也導(dǎo)致控制精度不高、響應(yīng)速度不快。因此，需要通過更為先進(jìn)有效的控制方法解決這些問題[42]。

3.2 輪緣推進(jìn)器裝置回轉(zhuǎn)控制與電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的匹配問題

RDT全回轉(zhuǎn)控制與電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的匹配問題難點(diǎn)在于如何從控制的角度實(shí)現(xiàn)在任意航速時(shí)安全、快速地完成規(guī)定的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。

對(duì)于RDT的全回轉(zhuǎn)裝置，其全回轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)的基本控制邏輯在于中心控制模塊將實(shí)際舵角信號(hào)和給定舵角信號(hào)進(jìn)行比較形成舵角差，根據(jù)舵角差進(jìn)行轉(zhuǎn)舵最短路徑規(guī)劃和推進(jìn)器轉(zhuǎn)速限制規(guī)劃。由于裝置可以360°全回轉(zhuǎn)，因此，當(dāng)接收到一個(gè)大于180°的轉(zhuǎn)舵信號(hào)時(shí)，應(yīng)避免堅(jiān)持朝該方向轉(zhuǎn)舵，為節(jié)省能源，減小轉(zhuǎn)舵完成時(shí)間，提高轉(zhuǎn)舵效率，考慮操縱全回轉(zhuǎn)裝置朝與轉(zhuǎn)舵命令的相反方向回轉(zhuǎn)，回轉(zhuǎn)角度為360°-d。此外，船舶高速航行時(shí)外傾角比低速航行大得多，因此回轉(zhuǎn)過程中，應(yīng)根據(jù)穩(wěn)性規(guī)范估算定?；剞D(zhuǎn)階段穩(wěn)定橫傾角并據(jù)此計(jì)算安全回轉(zhuǎn)速度，當(dāng)船速大于安全回轉(zhuǎn)速度時(shí)，應(yīng)限制推進(jìn)器電機(jī)轉(zhuǎn)速，降低船速，極端工況下，應(yīng)同時(shí)限制推進(jìn)器電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)舵角度及時(shí)機(jī)，避免轉(zhuǎn)舵產(chǎn)生的橫傾力矩與外力疊加。在此基礎(chǔ)上，中心控制模塊可以采用經(jīng)典控制算法及智能算法判斷特殊工況，選擇最佳轉(zhuǎn)舵方案，實(shí)現(xiàn)在任意航速時(shí)安全、快速地完成規(guī)定的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。當(dāng)單個(gè)回轉(zhuǎn)電機(jī)難以驅(qū)動(dòng)全回轉(zhuǎn)裝置時(shí)，可考慮多回轉(zhuǎn)電機(jī)配合驅(qū)動(dòng)以適配大型全回轉(zhuǎn)裝置，加快轉(zhuǎn)舵速度。

4 多輪緣推進(jìn)裝置協(xié)同控制方法研究現(xiàn)狀

4.1 多推進(jìn)器協(xié)同控制的功能需求

目前，公布的RDT產(chǎn)品的功率一般不超過1MW，單個(gè)RDT還不能滿足大型船舶的主推進(jìn)需求。多臺(tái)具有全回轉(zhuǎn)功能的RDT協(xié)同工作是RDT應(yīng)用的一個(gè)重要方向，并可借此提高船舶航行控制精度，實(shí)現(xiàn)如主動(dòng)精確靠離泊、繁忙水域安全航行等。這種應(yīng)用模式在增加推進(jìn)總功率和提高船舶航行控制精度的同時(shí)也存在多臺(tái)RDT協(xié)同控制的難題。

多RDT協(xié)同控制系統(tǒng)的主要性能是：系統(tǒng)要能快速響應(yīng)外界環(huán)境因素的變化，使船舶保持航速，沿預(yù)定航跡行駛或穩(wěn)定在預(yù)期的位置、艏向范圍內(nèi)，并盡量節(jié)約推進(jìn)系統(tǒng)能耗。在此要求下，制定多臺(tái)RDT協(xié)同控制系統(tǒng)的控制策略時(shí)不僅要考慮控制系統(tǒng)的控制精度，還要綜合考慮功率限制、轉(zhuǎn)速約束、操作區(qū)約束和多推進(jìn)器耦合等約束條件，提高響應(yīng)速度、減小能耗。

圖15 多輪緣推進(jìn)裝置示意圖

4.2 多推進(jìn)器協(xié)同控制技術(shù)研究進(jìn)展

多RDT協(xié)同控制的關(guān)鍵在于建立船舶動(dòng)力學(xué)模型，該模型還需考慮風(fēng)、浪、流等外部因素的影響。船舶位置信息作為輸入條件，船舶推力大小和方向作為輸出參數(shù)，并建立輸入和輸出反饋控制系統(tǒng)，多輪緣推進(jìn)裝置控制系統(tǒng)框圖如圖16所示，基于該動(dòng)力學(xué)模型構(gòu)造多RDT協(xié)同控制系統(tǒng)。其中，推力分配主要涉及總推力大小計(jì)算及多RDT推力大小分配，決定了船舶航行速度；方向控制主要涉及各RDT全回轉(zhuǎn)控制，快速達(dá)到目標(biāo)航行方向。

圖16 多輪緣推進(jìn)裝置控制系統(tǒng)框圖

多RDT協(xié)同控制系統(tǒng)可分為高、低兩級(jí)控制器。高級(jí)控制器的主要功能是計(jì)算總體所需推力，低級(jí)控制器的功能則是接收指令并對(duì)推力系統(tǒng)中的各個(gè)RDT轉(zhuǎn)速及全回轉(zhuǎn)角進(jìn)行控制。推力分配系統(tǒng)作為高、低兩級(jí)控制器的紐帶，需滿足控制力要求并符合多RDT推進(jìn)系統(tǒng)的動(dòng)力性能和操作要求，其策略的優(yōu)良與否對(duì)整個(gè)協(xié)同控制系統(tǒng)的控制效果有著至關(guān)重要的影響。

使用多RDT推進(jìn)系統(tǒng)的船舶一般裝有2～5個(gè)推進(jìn)器，分別用作主推和側(cè)推，這也使整個(gè)多RDT協(xié)同控制系統(tǒng)形成了一個(gè)冗余系統(tǒng)。通常需要綜合考慮系統(tǒng)響應(yīng)速度、控制精度、主機(jī)功率等約束，將多RDT推進(jìn)系統(tǒng)總功率的最小消耗作為優(yōu)化問題的目標(biāo)[43]。參考多電機(jī)協(xié)同控制策略和動(dòng)力定位系統(tǒng)，多推進(jìn)器協(xié)同控制方法主要包括[44]：

（1）并行控制。每臺(tái)RDT驅(qū)動(dòng)電機(jī)的連接是并行的，都可以保持穩(wěn)定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩輸出，但互相之間沒有影響，不能對(duì)擾動(dòng)及時(shí)調(diào)整。

（2）主從控制?？蛇x取一臺(tái)RDT驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為主電機(jī)，其他RDT驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為從電機(jī)，當(dāng)主電機(jī)出現(xiàn)擾動(dòng)，其他從電機(jī)能夠及時(shí)調(diào)整，但當(dāng)從電機(jī)出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，主電機(jī)和其他從電機(jī)并不能及時(shí)調(diào)整，協(xié)同性能較差。

（3）交叉耦合控制。與上述非耦合控制方法相比，電機(jī)之間的同步誤差更小，受到干擾時(shí)可以及時(shí)調(diào)整，但其只適用于雙電機(jī)系統(tǒng)。

（4）相鄰交叉耦合控制。相比于交叉耦合控制，其可適用于兩個(gè)以上電機(jī)系統(tǒng)，且無論是運(yùn)行初期還是受到擾動(dòng)，協(xié)調(diào)性能都很好，但電機(jī)較多時(shí)，其響應(yīng)時(shí)間會(huì)增加。

以上控制方法針對(duì)的是多RDT協(xié)同控制系統(tǒng)中的低級(jí)控制器，對(duì)于高級(jí)控制器，有如下控制方法：

（1）PID控制。它具有技術(shù)成熟、操作簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、應(yīng)用廣泛等優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)船體或環(huán)境發(fā)生較大變化時(shí)，PID控制器的所有參數(shù)都需要重新選擇，這也促進(jìn)了其他控制方法的應(yīng)用。

（2）LQG控制。它由Kalman濾波和最優(yōu)控制相結(jié)合形成，其控制系統(tǒng)只響應(yīng)會(huì)對(duì)位置變化起到較大影響的低頻運(yùn)動(dòng)，而不響應(yīng)高頻運(yùn)動(dòng)，在節(jié)能、安全、魯棒性能上有一定進(jìn)步。

（3）智能控制。利用智能控制理論設(shè)計(jì)控制律是一種處理非線性問題的控制方法。它不依賴對(duì)象的精確控制模型，因此非常適合處理多RDT推進(jìn)系統(tǒng)這種包含了環(huán)境不定性的復(fù)雜非線性控制系統(tǒng)，能夠提高控制系統(tǒng)的抗干擾能力、響應(yīng)速度和魯棒性。

多推進(jìn)器的協(xié)同控制更加聚焦于對(duì)船舶航行的精確穩(wěn)定控制。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于船舶多推進(jìn)器協(xié)同控制系統(tǒng)的研究主要集中在船舶運(yùn)動(dòng)模型、控制模型和控制算法等方面。隨著諸如RDT這種集成式電力推進(jìn)器的不斷發(fā)展，大型船舶的多推進(jìn)器協(xié)同控制系統(tǒng)必將得到更多的重視和發(fā)展[45]。

5 結(jié)論

輪緣推進(jìn)裝置作為船舶電力推進(jìn)技術(shù)的一項(xiàng)革命性的創(chuàng)新，具有結(jié)構(gòu)緊湊、高功率密度、高機(jī)動(dòng)性能、減振降噪和節(jié)能環(huán)保等顯著優(yōu)點(diǎn)，可以有效避免傳統(tǒng)推進(jìn)系統(tǒng)中軸系結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)行振動(dòng)噪聲明顯、密封失效等難題。對(duì)于RDT的電機(jī)和控制，主要存在以下方面的工作：

1）關(guān)于RDT驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型。綜合效率、成本和制造工藝等因素，目前永磁電機(jī)是RDT驅(qū)動(dòng)電機(jī)的理想選擇，RDT電機(jī)氣隙大且處于多物理場(chǎng)強(qiáng)耦合中，電磁性能受到影響；電機(jī)安裝于導(dǎo)管內(nèi)，其尺寸直接影響推進(jìn)器水動(dòng)力性能；電機(jī)轉(zhuǎn)子與螺旋槳直接連接，電磁激振力和水動(dòng)力直接耦合。如何通過電機(jī)設(shè)計(jì)有效降低電磁激振力，平衡RDT水動(dòng)力性能與電磁性能，是RDT驅(qū)動(dòng)電機(jī)研究的關(guān)鍵。

2）關(guān)于RDT驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制。由于RDT工作在水下并取消了傳動(dòng)軸，難以安裝位置傳感器，并存在如電機(jī)負(fù)載波動(dòng)頻繁、單一控制方法難以滿足全轉(zhuǎn)速范圍、功率限制等控制難題。因此，綜合能效因素開發(fā)適合RDT的抗擾動(dòng)復(fù)合控制算法研究以實(shí)現(xiàn)全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的無位置傳感器控制是實(shí)現(xiàn)其高性能控制的發(fā)展方向。

3）關(guān)于RDT全回轉(zhuǎn)裝置的控制。應(yīng)考慮RDT全回轉(zhuǎn)控制與電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的匹配問題，從控制的角度實(shí)現(xiàn)在任意航速時(shí)安全、快速地完成規(guī)定的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。

4）關(guān)于多RDT的協(xié)同控制。綜合考慮系統(tǒng)響應(yīng)速度、控制精度、功率限制、冗余度等約束條件，保證多RDT協(xié)同控制的準(zhǔn)確性和快速性，使多RDT協(xié)同控制用于大型化船舶上是未來的發(fā)展方向。

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A Review of Electric Motor and Control Technology for Rim-Driven Thruster

11,21,21,3

（1. Reliability Engineering Institute School of Energy and Power Engineering Wuhan University of Technology Wuhan 430063 China 2. National Engineering Research Center for Water Transport Safety Wuhan 430063 China 3. Key Laboratory of Marine Technology and Control Engineering Shanghai Maritime University Shanghai 201306 China）

The rim-driven thruster (RDT) is an advanced electric direct-drive ship propulsion, which has remarkable advantages such as high power density, high maneuverability, vibration and noise reduction, energy saving and environmental protection, etc. Compared with the motor system used on land, the RDT motor system immersed in water faces some problems, such as large motor air gap, performance restricted by flow field, difficult to install position sensor, and complex relationship between motor control and navigation control, and so on. Based on the working characteristics of RDT, the research status of RDT drive motor type, sensorless control method of drive motor, RDT full rotation control method and multi-RDT cooperative control method were analyzed, and the problems to be solved and future research directions were pointed out.

Rim-driven thruster (RDT), electric propulsion, permanent magnet motor, sensorless control, navigation control

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.201584

U664.3

楊 植 男，1995年生，博士研究生，研究方向?yàn)檩喚壨七M(jìn)系統(tǒng)控制理論。E-mail: zhiyang@whut.edu.cn

歐陽(yáng)武 男，1987年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樾滦碗娏ν七M(jìn)技術(shù)、推進(jìn)系統(tǒng)摩擦學(xué)與動(dòng)力學(xué)。E-mail: ouyangwu@whut.edu.cn（通信作者）

2020-12-04

2021-02-09

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目（2018YFE0197600）。

（編輯 崔文靜）