CN101734569B - 系泊绞车以及控制系泊绞车的系泊索的方法 - Google Patents

系泊绞车以及控制系泊绞车的系泊索的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种电动系泊绞车。系泊绞车包括卷筒(101)、用来驱动卷筒的交流电动机(103)和连接到交流电动机的变频装置(104)、以及用来依据系泊索张力的指示来控制变频装置的控制单元(105)。控制单元设置成计算磁通空间矢量以便对交流电动机的定子磁通建模，依据磁通空间矢量和定子电流的空间矢量来计算转矩估算值，并且采用转矩估算值作为系泊索张力的指示。因此，不需要在系泊索上设置力传感器，在电动机轴上不需要设置速度/位置传感器。

Description

系泊绞车以及控制系泊绞车的系泊索的方法
技术领域
本发明涉及控制系泊绞车的系泊索张力的方法。另外，本发明涉及系泊绞车以及控制系泊绞车的系泊索张力的计算机程序。
背景技术
当船舶沿着港口的码头或停泊处停泊时，锚固船舶的系泊索必须被适当张紧，以将船舶保持在合适的位置。如果没有在保持系泊索处于正确的张紧状态方面做出努力，将可能出现危险情况，这是因为船舶往往会相对码头移动，从而使系泊索承受较大的力。有多种因素会使船相对码头或停泊堤岸移动。这些因素可以是例如潮水周期性变化所引起的水位变化，货物装载和/或卸载所引起的船舶移动。这些因素将会引起船舶相对码头改变位置，因而将会改变在船舶和码头之间具有给定长度的系泊索的张力。另外，船舶在风浪作用下会摇摆或晃动，从而在系泊索中产生变化的张力。在运动幅度较大的情况下，系泊索可能失去作用，结果，对附近区域的人员造成危险以及有船舶受损的危险。
公开出版物EP0676365公开一种具有至少一个卷筒的系泊绞车，卷筒通过变速箱连接到电驱动装置。电驱动装置为异步交流电动机，其连接到速度控制器上并装设有制动器。速度控制器具有用于检测当前转速的速度指示器。速度控制器可以通过控制单元进行调整，控制单元可以是例如以检测到的转速和转速目标值作为输入的编程控制器。上述系泊绞车的关键部件是速度指示器，速度指示器容易受到恶劣天气情况的影响，尤其是在系泊绞车作为船舶的露天甲板机械的情况下。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种新型系泊绞车。根据本发明的系泊绞车包括：
-用于卷绕系泊索的卷筒；
-用来驱动卷筒的交流电动机；
-用来将电力供给交流电动机的变频装置；
-设置用来依据系泊索的张力指示器控制该变频装置的控制单元；
其中，控制单元被布置用于计算磁通空间矢量，以便对交流电动机的磁通建模，用于依据磁通空间矢量和交流电动机的定子电流的空间矢量来计算转矩估算值，并用转矩估算值作为系泊索张力的指示。
由于转矩估算值被用作系泊索张力的指示物，因此不必为系泊索设置力传感器和/或为交流电动机设置速度传感器或位置传感器。
根据本发明的第二方面，提供一种用于控制系泊绞车的系泊索张力的新方法，系泊绞车包括卷绕系泊索的卷筒，用来驱动卷筒的交流电动机，和为交流电动机供应电力的变频装置。根据本发明的方法包括：
-计算磁通空间矢量，以便对交流电动机的定子磁通建模；
-依据磁通空间矢量和交流电动机的定子电流的空间矢量，计算转矩估算值；
-以转矩估算值作为系泊索张力的指示物；和
-依据系泊索张力的指示，控制变频装置。
根据本发明的第三方面，提供一种新的计算机程序用于控制系泊绞车的系泊索张力，系泊绞车包括卷绕系泊索的卷筒，用来驱动卷筒的交流电动机，和为交流电动机供应电力的变频装置。根据本发明的计算机程序包括计算机可执行指令，用于使编程处理器：
-计算磁通空间矢量，以便对交流电动机的定子磁通建模；
-依据磁通空间矢量和交流电动机的定子电流的空间矢量来计算转矩估算值；
-以转矩估算值作为系泊索张力的指示；和
-依据系泊索张力的指示来控制变频装置。
根据本发明的第四方面，提供一种新的计算机可读介质，其编码有根据本发明的计算机程序。
在后附的多个从属权利要求中描述了本发明的多个实施例。
在结合附图阅读以下对具体的示范实施例的描述时，将会更好地理解本发明的多个既作针对构造又针对工作方法的示范实施例、以及本发明的其它目的和优点。
本文所用的动词“包括”作为开放式限定，不排除存在没有列举出的特征。从属权利要求所述的特征可以相互自由组合，除非以其它方式做出明确说明。
附图说明
以下，参照附图来举例详细说明本发明的示范实施例及其优点，其中：
图1示出了根据本发明的实施例的系泊绞车；
图2a和图2b示出了在示例情况下的根据本发明实施例的系泊绞车的工作过程；
图3是根据本发明实施例的、用于控制系泊绞车的系泊索张力的方法的流程图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的一个实施例的系泊绞车。系泊绞车包括用于卷绕系泊索102的卷筒101、和用于驱动卷筒的交流电动机103。交流电动机可以是例如感应电动机或永磁同步电动机。图1所示的系泊绞车1具有布置在交流电动机103和卷筒101之间的变速箱106。卷筒由变速箱和轴承座108支承。根据交流电动机的尺寸设定和卷筒的尺寸设定，也可以设有直接驱动型卷筒，而不需要变速箱。系泊绞车包括将电力供给交流电动机103的变频装置104。变频装置连接到电网107，其可以是例如船载电网。系泊绞车包括控制单元105，该控制单元布置成依据系泊索106张力[kN]的指示来控制变频装置。交流电动机103优选在速度控制模式下被如此驱动，即伴随速度控制能产生的最大系泊索张力受到限制，以避免发生危险情况。控制单元105优选布置成构成速度控制器，以实现交流电动机的速度控制。也可以使用被布置用于构成速度控制器的独立装置。控制单元105布置成能计算磁通空间矢量Ψ，以便对交流电动机的定子磁通建模，并依据磁通空间矢量和交流电动机的定子电流的空间矢量i来计算转矩估算值Mest。转矩估算值可按下面的公式计算：
Mest＝Ψ×i，                    (1)
其中“×”表示矢量积(，即叉积)。控制单元105采用转矩估算值作为系泊索张力的指示。因此，通过将转矩估算值保持在容许范围内，系泊索张力被保持在容许范围内。交流电动机103采用无传感器矢量控制进行控制，即采用在交流电动机的轴上不设速度和/或位置指示器的控制。无传感器矢量控制可以是例如开环直接转矩控制(DTC)，其中供给交流电动机的接线端的电压的空间矢量v以这样的方式来控制，即转矩Mest和磁通空间矢量的幅度|Ψ|处于期望的范围内。
变频装置104和控制单元105可以是独立的装置，或者作为替代方案，它们可以是变频器110的部件。
在根据本发明实施例的系泊绞车中，为启动自动系泊操作，控制单元105设置成能执行以下动作：
-将交流电动机的转速基准值设为零；
-释放系泊绞车的制动器109；
-计算在转速基准值已设为零且制动器已释放情况下的转矩估算第一值，和
-依据转矩估算第一值和转矩预设值来确定要收紧还是松开系泊索。
转矩预设值是交流电动机所产生的转矩目标值的上限。如果转矩估算第一值明显高于该预设值，则系泊索太紧，应该松开系泊索。相应地，如果转矩估算第一值明显小于预设值，则系泊索太松，应该收紧系泊索。人们不期望系泊索太松，这是因为松弛的系泊索容易导致有害的机械运动。
在根据本发明的一个实施例的系泊绞车中，控制单元105设置成能执行以下连续的阶段，以完成周期性的系泊操作：
-阶段A：将交流电动机通电，将交流电动机的转速基准值设为零；
-阶段B：释放系泊绞车的制动器109；
-阶段C：计算转速基准值已设为零且制动器已被释放情况下的转矩估算第一值，
-有条件的阶段D：作为对计算出的转矩估算值低于第一极限值H-情形的响应，控制交流电动机收紧系泊索；
-有条件的阶段E：作为对算出的转矩估算值高于第二极限值H+情形的响应，控制交流电动机放松系泊索；和
-阶段F：接通制动器，将交流电动机断电，等待预定的时间间隔，然后继续进行阶段A。
上述第二极限值大于或等于上述第一极限值，即H+≥H-。
在根据本发明的另一个实施例的系泊绞车中，控制单元105布置成保持交流电动机连续通电和受控，以提供连续的系泊操作。
和连续系泊操作相比，间歇系泊操作节省能量，因为在间歇系泊操作中，交流电动机在较大部分时间中处于断电状态。
根据本发明的一个实施例的系泊绞车包括控制接口，用于实现在上述间歇系泊操作和连续系泊操作之间做出选择。
有多种方式可以实施系泊绞车的制动器。例如，制动器可以如图1所示地布置，或者制动器可被集成到电动机103，或者制动器可以被集成到变速箱106，或者可以设置与下列一个以上的装置联合使用的制动器：电动机、变速箱和轴承座108。制动器可以是例如盘形制动器或鼓式制动器。
图2a示出了根据本发明实施例的系泊绞车的示例性运行情况。曲线221代表转矩估算值，曲线222代表交流电动机的速度基准值。应当注意，速度基准值222在时间间隔t0...t1和t2...t3期间与时间轴重合。术语“速度基准值”意思在本文中是指交流电动机103(图1)的转速基准值。转速基准值不必是恒定的，其可以随着时间而变化。
在根据本发明的一个实施例的系泊绞车中，控制单元105(图1)布置成能使交流电动机103(图1)收紧系泊索102(图1)，作为对转矩估算值221低于第一预定滞后极限值H-情形的响应；并能使交流电动机放松系泊索，作为对转矩估算值221高于第二预定滞后极限值H+情形的响应。第二预定滞后极限值H+大于第一预定滞后极限值H-。在本文中，以这样的方式选择交流电动机转速的指令，即当交流电动机正向旋转时，系泊索被收紧，即系泊索张力增加。因此，通过使速度基准值222为正值，系泊索可被收紧；通过使速度基准值222为负值，系泊索可被放松。在图2a示出的示例性情况下，转矩在时刻t1大于滞后极限值H+，并且因此使速度基准值222为负，以减小系泊索张力。在时刻t3，转矩估算值低于滞后极限值H-，因此使速度基准值为正，以增大系泊索张力。
在根据本发明的一个实施例的系泊绞车中，控制单元105(图1)被布置成将速度基准值222设为零，作为对转矩估算值221处于预定范围R情形的响应。预定范围R处于转矩预设值S左右。预设值S可以是转矩目标值的上限。转矩目标值是例如速度控制器的输出并且能够随时间而变化。在图2a所示的示例性情况下，在时刻t2，转矩估算值221处于预定范围R内，因此速度基准值在时刻t2被设为零。
图2b示出了根据本发明实施例的系泊绞车的示例性运行情况。曲线221代表转矩，曲线222代表交流电动机的速度基准值。请注意，在时间间隔t0...t1+d1和t2+d2...t3+d3期间，速度基准值222与时间轴重合。
在根据本发明的一个实施例的系泊绞车中，控制单元105(图1)布置成使交流电动机103(图1)收紧系泊索102(图1)，作为对在转矩估算值221低于滞后极限值H-之后已过去第一预定延迟时间d3情形的响应；使交流电动机放松系泊索，作为对在转矩估算值221超过滞后极限值H+之后已过去第二预定延迟时间d1情形的响应。在图2b所示的示例性情况中，在时刻t1，转矩估算值超过滞后极限值H+，因此在延迟时间d1之后使速度基准值222为负，以减小系泊索张力。在时刻t3，转矩估算值低于滞后极限值H-，因而在延迟时间d3之后使速度基准值为正，以增大系泊索张力。借助所述延迟时间，可以避免不必要的和可能的振荡控制动作，例如在转矩估算值221在所述滞后极限值H+和H-左右振荡的情况下。
在根据本发明的一个实施例的系泊绞车中，控制单元105(图1)布置成能将速度基准值222设为零，作为对在转矩估算处于预定范围R之后已过去预定延迟时间d2情形的响应。在图2a所示的示例性情况下，在时刻t2，转矩估算值221处于预定范围R内，因此，速度基准值222在时刻t2+d2被设为零。
在根据本发明的一个实施例的系泊绞车中，控制单元105(图1)布置成能构成速度控制器，用于控制交流电动机103(图1)的转速。速度控制器的输出是转矩目标值，其能随时间而变化。转矩预设值S优选为转矩目标值的上限。
图3为根据本发明的一个实施例的、用于控制系泊绞车的系泊索张力的方法的流程图。该方法包括：
-在阶段301，计算磁通空间矢量Ψ，以便对交流电动机103(图1)的定子磁通建模；
-在阶段302，依据磁通空间矢量和交流电动机的定子电流的空间矢量i，按照Mest＝Ψ×i计算转矩Mest；
-在阶段303，采用转矩估算值作为系泊索102(图1)张力T的指示；
-在阶段304，依据系泊索张力T的指示来控制变频装置104(图1)。
根据本发明的一个实施例的方法还包括下列用于启动自动系泊操作的动作：
-将交流电动机的转速基准值设为零；
-释放系泊绞车的制动器；
-计算在转速基准值已设为零且制动器已释放情况下的转矩估算第一值；
-依据转矩估算第一值和转矩预设值来确定收紧还是放松系泊索。
根据本发明的一个实施例的方法包括以下连续阶段，用于完成周期性系泊操作：
-阶段A：给交流电动机通电，从而交流电动机的转速基准值为零；
-阶段B：释放系泊绞车的制动器；
-阶段C：计算在转速基准值已为零且制动器已释放情况下的转矩估算第一值；
-有条件的阶段D：作为对计算出的转矩估算值低于第一极限值H-情形的响应，控制交流电动机收紧系泊索；
-有条件的阶段E：作为对计算出的转矩估算值高于第二极限值H+情形的响应，控制交流电动机放松系泊索；和
-阶段F：接通制动器，将交流电动机断电，等待预定的时间间隔，然后继续进行阶段A。
上述第二极限值大于或等于上述第一极限值，即H+≥H-。
在根据本发明的另一个实施例的方法中，交流电动机被连续通电和被控制，以提供连续的系泊操作。
根据本发明的一个实施例的方法包括在上述的周期性系泊操作和连续系泊操作之间作选择。
在根据本发明的一个实施例的方法中，交流电动机被控制以收紧系泊索，作为对转矩估算值221(图2a)低于第一预定极限值H-情形的响应；交流电动机被控制以放松系泊索，作为对转矩估算值221(图2a)超过第二预定极限值H+(图2a)情形的响应，第二预定极限值大于第一预定极限值。
在根据本发明的一个实施例的方法中，交流电动机的转速基准值222(图2a)被设为零，作为对转矩估算值221(图2a)处于预定范围R(图2a)情形的响应，该预定范围处于转矩预设值S(图2a)的左右。
在根据本发明的一个实施例的方法中，交流电动机被控制以收紧系泊索，作为对在转矩估算值221(图2b)低于第一预定极限值H-(图2b)之后已过去第一预定延迟时间d3情形的响应；交流电动机被控制以放松系泊索，作为对在转矩估算值221超过第二预定极限值H+(图2b)之后已过去第二预定延迟时间d1(图2b)情形的响应，第二预定极限值大于第一预定极限值。
在根据本发明的一个实施例的方法中，交流电动机的转速基准值222(图2b)被设为零，作为对转矩估算值221(图2b)处于预定范围R内(图2a)且已过去预定延迟时间d2(图2b)情形的响应，该预定范围在转矩预设值S(图2b)的左右。
在根据本发明的一个实施例的方法中，转矩预设值S(图2a和图2b)为转矩目标值的上限，转矩目标值为用来控制交流电动机转速的速度控制器的输出。
根据本发明实施例的计算机程序包括用于控制系泊绞车的系泊索的张力的计算机可执行指令，系泊绞车包括用于卷绕系泊索的卷筒，用来驱动卷筒的交流电动机，及用来为交流电动力供应电力的变频装置。上述计算机可执行指令能够控制可编程处理器来：
-计算磁通空间矢量，以便对交流电动机的定子磁通建模；
-依据磁通空间矢量和交流电动机的定子电流的空间矢量来计算转矩估算值；
-用转矩估算值作为系泊索张力的指示；和
-依据系泊索张力的指示来控制变频装置。
根据本发明的一个实施例的计算机可读介质编码有根据本发明实施例的计算机程序。该计算机可读介质可以是例如只读光盘(CD-ROM)。
根据本发明的一个实施例的指令适于承载用于规定根据本发明实施例的计算机程序的信息。
在上面的说明书中给出的一些具体实施例不应被解释为是对本发明的限制。因此，本发明并不仅局限于上述的实施例，多种变型方案也是可行的。

Claims (14)

1.一种系泊绞车，包括：
-用于卷绕系泊索(102)的卷筒(101)；
-用于驱动该卷筒的交流电动机(103)；
-用于给该交流电动机供电的变频装置(104)；和
-设置成依据系泊索张力的指示来控制该变频装置的控制单元(105)；
其特征是，该控制单元布置成计算磁通空间矢量，以便将该交流电动机的定子磁通建模，依据该磁通空间矢量和该交流电动机的定子电流的空间矢量来计算转矩估算值，并以该转矩估算值作为该系泊索张力的指示。
2.根据权利要求1所述的系泊绞车，其特征是，该控制单元设置成：
-将该交流电动机的转速基准值设为零；
-释放该系泊绞车的制动器(109)；
-计算在转速基准值已设为零且制动器已释放情况下的转矩估算第一值；
-依据该转矩估算第一值和转矩预设值确定要收紧还是放松系泊索。
3.根据权利要求1所述的系泊绞车，其特征是，该控制单元设置成使交流电动机收紧系泊索，作为对该转矩估算值(221)低于第一预定极限值(H-)情形的响应；使交流电动机放松系泊索，作为对该转矩估算值高于第二预定极限值(H+)情形的响应，第二预定极限值大于第一预定极限值。
4.根据权利要求3所述的系泊绞车，其特征是，该控制单元设置成将该交流电动机的转速基准值(222)设为零，作为对该转矩估算值(221)处于预定范围(R)情形的响应，该预定范围（R）处于转矩预设值(S)左右。
5.根据权利要求1所述的系泊绞车，其特征是，该控制单元设置成使该交流电动机收紧系泊索，作为对在转矩估算值(221)低于第一预定极限值(H-)之后已过去第一预定延迟时间(d3)情形的响应；使该交流电动机放松系泊索，作为对在转矩估算值(221)超过第二预定极限值(H+)之后已过去第二预定延迟时间(d1)情形的响应，第二预定极限值大于第一预定极限值。
6.根据权利要求5所述的系泊绞车，其特征是，该控制单元设置成将该交流电动机的转速基准值(222)设为零，作为对在该转矩估算值(221)已处于预定范围(R)之后已过去预定延迟时间(d2)情形的响应，该预定范围 处于转矩预设值(S)左右。
7.根据权利要求2或4或6所述的系泊绞车，其特征是，该控制单元设置成构成速度控制器，用于控制该交流电动机的转速，该速度控制器的输出为转矩目标值，并且该转矩预设值(S)为该转矩目标值的上限。
8.根据权利要求1所述的系泊绞车，其特征是，该控制单元设置成执行以下连续的阶段，以完成周期性系泊操作：
-阶段A:给该交流电动机通电，从而交流电动机的转速基准值为零；
-阶段B：释放该系泊绞车的制动器(109)；
-阶段C：计算在该转速基准值已为零且该制动器已释放情况下的转矩估算第一值；和
-有条件的阶段D：作为对计算出的转矩估算值低于第一极限值情形的响应，控制该交流电动机收紧系泊索；
-有条件的阶段E：作为对计算出的转矩估算值高于第二极限值情形的响应，控制该交流电动机放松系泊索；
-阶段F：接通该制动器，将该交流电动机断电，等待预定的时间间隔，然后继续进行所述阶段A。
9.一种用于控制系泊绞车的系泊索的张力的方法，该系泊绞车包括用于卷绕系泊索的卷筒、用于驱动该卷筒的交流电动机和用于给该交流电动机供电的变频装置，其中所述方法包括依据系泊索张力的指示来控制该变频装置的步骤(304)，其特征是，所述方法还包括以下步骤：
-计算磁通空间矢量，以便对该交流电动机的定子磁通建模(301)；
-依据该磁通空间矢量和该交流电动机的定子电流的空间矢量，计算转矩估算值(302)；
-用该转矩估算值作为系泊索张力的指示(303)。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征是，所述方法包括以下步骤：
-将该交流电动机的转速基准值设为零；
-释放该系泊绞车的制动器；
-计算在转速基准值已设为零且制动器已释放情况下的转矩估算第一值；
-依据该转矩估算第一值和转矩预设值确定要收紧还是放松系泊索。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征是，该交流电动机被控制以收紧系泊索，作为对该转矩估算值(221)低于第一预定极限值(H-)情形的 响应；该交流电动机被控制以放松该系泊索，作为对转矩估算值(221)高于第二预定极限值(H+)情形的响应，第二预定极限值大于第一预定极限值。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征是，该交流电动机的转速基准值(222)被设为零，作为对转矩估算值(221)处于预定范围(R)情形的响应，该预定范围处于转矩预设值(S)左右。
13.根据权利要求9所述的方法，其特征是，该交流电动机被控制以收紧系泊索，作为对在该转矩估算值(221)低于第一预定极限值(H-)之后已经过去第一预定延迟时间(d3)情形的响应；该交流电动机被控制以放松系泊索，作为对在转矩估算值(221)超过第二预定极限值(H+)之后已经过去第二预定延迟时间(d1)情形的响应，第二预定极限值大于第一预定极限值。
14.根据权利要求9所述的方法，其特征是，所述方法包括下列连续的阶段，以完成周期性的系泊操作：
-阶段A:给交流电动机通电，从而该交流电动机的转速基准值为零；
-阶段B：释放该系泊绞车的制动器(109)；
-阶段C：计算在转速基准值已为零且制动器已释放情况下的转矩估算第一值；
-有条件的阶段D：作为对计算出的转矩估算值低于第一极限值情形的响应，控制该交流电动机收紧系泊索；
-有条件的阶段E：作为对计算出的转矩估算值高于第二极限值情形的响应，控制该交流电动机放松系泊索；和
-阶段F：接通该制动器，将该交流电动机断电，等待预定的时间间隔，然后继续进行所述阶段A。 
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