CN102259804B - 系泊绞车及用于控制系泊绞车的缆绳的方法 - Google Patents

系泊绞车及用于控制系泊绞车的缆绳的方法 Download PDF

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Abstract

本发明的实施例公开了一种系泊绞车及用于控制系泊绞车的缆绳的方法。具体地，公开了一种电驱动的系泊绞车。该系泊绞车包括绞筒(101)、布置用于驱动绞筒的交流电动机(103)、连接到交流电动机的频率转换单元(104)以及布置用于基于系泊绳的张力的指示器来控制频率转换单元的控制单元(105)。控制单元(105)布置用于：将交流电动机(103)的转速的参考值设置为预定值、针对预定时间间隔在一个方向上驱动交流电动机(103)、定义电动机的转矩的第一值、针对预定间隔在相反方向上驱动交流电动机(103)、定义电动机的转矩的第二值、以及使用转矩的第一值和第二值来计算转矩估计。

Description

系泊绞车及用于控制系泊绞车的缆绳的方法
技术领域
本发明涉及用于控制系泊绞车的系泊绳张力的方法。更进一步而言，本发明涉及系泊绞车并且涉及用于控制系泊绞车的系泊绳张力的装置。
背景技术
当船沿着港口码头或埠头系泊时，使船固定的系泊绳必须适当受到张力，以便将该船保持在合适位置。如果没有努力使系泊绳维持在恰当张力，则危险情形可能出现，因为系泊绳将受到由船相对于码头或埠头的移动趋势所导致的更大力。存在很多可能使船相对于码头或埠头移动的因素。这些因素例如可以是由于周期潮汐变化而导致的水平面的变动以及由于货物装载和/或卸载而导致的船的位移变动。这些因素将使得船关于码头或埠头改变其高度，并因而将改变在船与码头或埠头之间的给定长度的系泊绳的张力。此外，船可能由于波浪或风而摆动或摇晃，从而引起系泊绳张力的波动。在移动幅度较大的情形中，系泊绳可能失效，导致对附近区域中的人员的危险以及损坏船的风险。
绳张力或绳转矩基于其它所测量的变量来进行测量或计算。可以测量电动机速度、电动机转矩或绞筒转矩或者绳张力。
公开文献EP0676365公开了一种绞车，该绞车具有经由变速箱连接到电驱动器的至少一个绞筒。该电驱动器是与速度控制设备连接并与制动器设备配合的异步交流电动机。速度控制具有用于检测现有转速的速度指示器(indicator)。速度控制设备通过控制单元来协调，该控制单元例如可以是采用所检测的转速以及转速的目标值作为输入的可编程控制器。
绞车控制的关键部分是起始点，因为对于控制系统而言并不知道转矩的测量值或计算值。特别是，测量值无法给出绳张力的确切值和电动机轴上的转矩要求以及它们的相互关系，因为在电动机轴和绳之间存在变速箱和其它损耗。
此外，速度指示器或绳张力指示器易于受恶劣天气条件的影响，特别是当绞车用作船的开放甲板机械时更为如此。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种新的系泊绞车。一种系泊绞车包括：
-绞筒，用于卷绕系泊绳，
-交流电动机，布置用于驱动绞筒，
-频率转换单元，布置用于向交流电动机提供电力，以及
-控制单元，布置用于基于系泊绳张力的指示器来控制频率转换单元，
其中控制单元布置用于：将交流电动机的转速的参考值设置为预定值、释放系泊绞车的制动器、针对预定时间间隔在一个方向上驱动交流电动机、定义电动机的转矩的第一值、针对预定间隔在相反方向上驱动交流电动机、定义电动机的转矩的第二值，以及使用转矩的第一值和第二值来计算转矩估计。
当针对绳张力定义转矩估计时，将消除变速箱和其它可能的损耗。
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绳张力的新方法。用于控制系泊绞车的方法，该系泊绞车包括用于卷绕系泊绳的绞筒、布置用于驱动绞筒的交流电动机以及布置用于向交流电动机提供电力的频率转换单元，其中该方法包括基于系泊绳张力的指示器来控制频率转换单元，由此该方法还包括：
-将交流电动机的转速的参考值设置为预定值，
-释放系泊绞车的制动器，
-针对预定时间间隔在一个方向上驱动交流电动机，
-定义电动机的转矩的第一值，
-针对另一预定时间间隔在相反方向上驱动交流电动机，
-定义电动机的转矩的第二值，以及
-使用转矩的第一值和第二值来计算转矩估计。
根据本发明的第三方面，提供一种用于控制系泊绞车的系泊绳张力的装置，该系泊绞车包括用于卷绕系泊绳的绞筒、布置用于驱动绞筒的交流电动机以及布置用于向交流电动机提供电力的频率转换单元，其中该装置包括用于基于系泊绳张力的指示器来控制频率转换单元的模块，其中装置还包括：
-将交流电动机的转速的参考值设置为预定值的模块，
-释放系泊绞车的制动器的模块，
-针对预定时间间隔在一个方向上驱动交流电动机的模块，
-定义电动机的转矩的第一值的模块，
-针对预定间隔在相反方向上驱动交流电动机的模块，
-定义电动机的转矩的第二值的模块，以及
-使用转矩的第一值和第二值来计算转矩估计的模块。
在所附的从属权利要求中描述了本发明的很多实施例。
当结合附图阅读时，从特定示例性实施例的以下描述中将更好地理解有关构造以及操作方法的本发明的各种示例性实施例以及本发明的附加目的和优势。
附图说明
以下在示例的意义下并且参照附图更详细地说明本发明的示例性实施例及其优势，其中：
图1示出了根据本发明实施例的系泊绞车。
图2示出了根据本发明实施例的用于控制系泊绞车的系泊绳张力的方法的流程图。
图3a和图3b图示了在示例性情形中根据本发明实施例的系泊绞车的操作。
具体实施方式
图1示出了根据本发明实施例的系泊绞车。该系泊绞车包括用于卷绕系泊绳102的绞筒101以及布置用于驱动绞筒的交流电动机103。该交流电动机例如可以是感应电动机或永磁同步电动机。图1所示的系泊绞车具有在交流电动机103和绞筒101之间的变速箱106。制动器109布置用于与系泊绞车连接以对绞筒产生作用。绞筒由变速箱和轴承座108支撑。根据交流电动机的标示尺寸(dimensioning)和绞筒的标示尺寸，也可以具有直接驱动的绞筒，使得不需要变速箱。系泊绞车包括布置用于向交流电动机103提供电力的频率转换单元104。该频率转换单元连接到供电网络107，该供电网络例如可以是船的电网络。系泊绞车包括布置用于基于系泊绳102的张力[kN]的指示器来控制频率转换单元的控制单元105。交流电动机103优选地以如下方式在速度控制模式中驱动，使得限制可以利用速度控制创建的最大系泊绳张力以便避免危险情形。控制单元105优选地布置用于构成用以实现交流电动机的速度控制的速度控制器。也可以使用布置用于构成速度控制器的独立设备。控制单元105布置用于计算磁通空间矢量Ψ，用于对交流电动机的定子磁通进行建模，以及基于交流电动机的定子电流的空间矢量i和磁通空间矢量来计算转矩估计Mest。转矩估计可以计算如下：
Mest＝Ψ×i，                   (1)
其中“×”是指矢量积(即，叉积)。控制单元105布置用于使用转矩估计作为系泊绳张力的指示器。因而，通过将转矩估计保持在允许限制内而将系泊绳张力保持在允许限制内。交流电动机103可以利用无传感器矢量控制来进行控制，即利用其中在交流电动机轴上不存在速度和/或位置指示器的矢量控制来进行控制。无传感器矢量控制例如可以是开路直接转矩控制(DTC)，其中以如下方式控制提供给交流电动机的端子的电压的空间矢量v，使得估计转矩Mest和磁通空间矢量的幅度|Ψ|在期望限制之间。
频率转换单元104和控制单元105可以是分立设备，或者可选地，它们可以是频率转换器110的部分。
在根据本发明实施例的系泊绞车中，控制单元105布置用于执行以下用于启动自动系泊操作的动作：
-将交流电动机的转速的参考值设置为预定值，
-释放系泊绞车的制动器，
-针对预定时间间隔在一个方向上驱动交流电动机，
-定义电动机的转矩的第一值，
-针对预定间隔在相反方向上驱动交流电动机，
-定义电动机的转矩的第二值，以及
-使用转矩的第一值和第二值来计算转矩估计。
图2是根据本发明实施例的用于控制系泊绞车的系泊绳张力的方法的流程图。该方法包括：
在阶段22，向后驱动系泊绞车。设置预定速度参考值并且针对短时间间隔向后驱动电动机。
在阶段24，在向后驱动期间，计算作为Ψ×i的第一转矩值M1，i是定子电流的空间矢量。
在阶段26，向后驱动系泊绞车。设置预定速度参考值并且针对短时间间隔向后驱动电动机。速度参考值和短时间间隔优选地与阶段22中相同，但它们也可以与之不同。
在阶段28，在向前驱动期间，计算作为Ψ×i的第二转矩值M2，i是定子电流的空间矢量。
在阶段30，基于第一转矩值和第二转矩值来计算转矩估计。转矩估计可以计算为第一转矩值和第二转矩值的平均。也可以将转矩估计计算为加权平均。
在阶段32，频率转换单元基于系泊绳张力T的指示器。控制单元在此基础上(basis)将系泊绳张力T的指示器与用户设置值相比较。基于该比较，控制单元选择向内或向外驱动系泊筒。
转矩的预定设置值是交流电动机产生的转矩的目标值的上限。如果转矩估计的第一值明显高于预定设置值，则系泊绳太紧并且系泊绳应当卷出。对应地，如果转矩估计的第一值明显低于预定设置值，则系泊绳太松并且系泊绳应当卷入。系泊绳太松也是不希望的，因为松的系泊绳允许有害的机械移动。
在根据本发明实施例的系泊绞车中，控制单元105布置用于执行用于完成周期系泊操作的以下连续阶段。根据本发明对应实施例的方法包括用于完成周期系泊操作的以下连续阶段：
-启动周期系泊操作
-向后驱动系泊绞车。设置预定速度参考值并且针对短时间间隔向后驱动电动机。
-在向后驱动期间，计算作为Ψ×i的第一转矩值M1，i是定子电流的空间矢量。
-向后驱动系泊绞车。设置预定速度参考值并且针对短时间间隔向后驱动电动机。速度参考值和短时间间隔优选地与阶段22中相同，但它们也可以与之不同。
-在向前驱动期间，计算作为Ψ×i的第二转矩值M2，i是定子电流的空间矢量。
-基于第一转矩值和第二转矩值来计算转矩估计。
-条件阶段A：作为对所计算的转矩估计低于第一限值的情形的响应，控制交流电动机卷入系泊绳，
-条件阶段B：作为对所计算的转矩估计高于第二限值的情形的响应，控制交流电动机卷出系泊绳，
-阶段C：等待预定时间间隔，
-重启周期系泊操作过程。
上述第二限值大于或等于上述第一限值，即，H+≥H-。
根据本发明实施例的用于完成周期系泊操作的方法包括类似的连续阶段。
在根据本发明另一实施例的系泊绞车中，控制单元105布置用于保持交流电动机被连续通电和控制以便提供连续系泊操作。
在根据本发明另一实施例的方法中，对交流电动机进行连续通电和控制以便提供连续系泊操作。
周期系泊操作与连续系泊操作相比节省能量，因为在周期系泊操作中，交流电动机在很大部分的时间期间是断电的。
根据本发明实施例的系泊绞车包括控制界面，用于实现在上述周期系泊操作和连续系泊操作之间的选择。
存在不同的方式来实现系泊绞车的制动器。例如，制动器109可以如图1所示布置，或者制动器可以与电动机103集成，或者制动器可以与变速箱106集成，或者可以是结合下列中的多个的制动器：电动机、变速箱和轴承块108。制动器例如可以是盘式制动器或筒式制动器。
图3a图示了在示例性情形下的根据本发明实施例的系泊绞车的操作。曲线221表示转矩估计，而曲线222表示交流电动机的速度参考。应注意到的是，速度参考222在时间间隔t0...t1以及时间间隔t2...t3期间与时间轴一致。术语“速度参考”这里是指交流电动机103(图1)的转速的参考值。转速的参考值并不一定是恒定的，而是它可以随时间改变。
在根据本发明实施例的系泊绞车中，控制单元105(图1)布置用于：作为对转矩估计221变得低于第一预定滞后限值H-的情形的响应，使得交流电动机103(图1)将系泊绳102(图1)卷入，以及作为对转矩估计超过第二预定滞后限值H+的情形的响应，使得交流电动机将系泊绳卷出。第二预定滞后限值H+大于第一预定滞后限值H-。在本文中，当交流电动机具有正向旋转时，以这样的方式选择交流电动机的转速的符号以使得系泊绳卷入，即增加系泊绳张力。因而，通过使速度参考222为正可以将系泊绳卷入，并且通过使速度参考222为负可以将系泊绳卷出。在图3a所示的示例性情形中，转矩估计在时刻t1超过滞后限值H+，并因此使速度参考222为负，从而减小系泊绳张力。在时刻t3，转矩估计变得低于滞后限值H-，并因此使速度参考为正，从而增加系泊绳张力。
在根据本发明实施例的系泊绞车中，控制单元105(图1)布置用于作为对转矩估计221在预定范围R内的情形的响应而将速度参考222设置为零。预定范围R围绕转矩的预定设置值S。预定设置值S可以是转矩的目标值的上限，该转矩的目标值例如是速度控制器的输出并且能够随时间改变。在图3a所示的示例性情形中，估计的转矩221在时刻t2落入预定范围R中，并因此在时刻t2将速度参考222设置为零。
图3b图示了在示例性情形中的根据本发明实施例的系泊绞车的操作。曲线221表示转矩估计，而曲线222表示交流电动机的速度参考。请注意，速度参考222在时间间隔t0...t1+d1以及时间间隔t2+d2...t3+d3期间与时间轴一致。
在根据本发明实施例的系泊绞车中，控制单元105(图1)布置用于：作为对在转矩估计221变得低于滞后限值H-之后过去第一预定延迟d3的情形的响应，使得交流电动机103(图1)将系泊绳102(图1)卷入，以及作为对在转矩估计221超过滞后限值H+之后过去第二预定延迟d1的情形的响应，使得交流电动机将系泊绳卷出。在图3b所示的示例性情形中，转矩估计在时刻t1超过滞后限值H+，并因而使得在延迟d1之后速度参考222为负，从而减小系泊绳张力。在时刻t3，转矩估计变得低于滞后限值H-，并因而使得在延迟d3之后速度参考为正，从而增加系泊绳张力。借助于所述延迟，可以例如在其中转矩估计221在所述滞后限值H+和H-之一周围振荡的情形中避免不必要的且可能振荡的控制动作。
在根据本发明实施例的系泊绞车中，控制单元105(图1)布置用于作为对在转矩估计221进入预定范围R之后过去预定延迟d2的情形的响应，而将速度参考222设置为零。在图3a所示的示例性情形中，转矩估计221在时刻t2落入预定范围R中，并因此在时刻t2+d2将速度参考222设置为零。
在根据本发明实施例的系泊绞车中，控制单元105(图1)布置用于构成用以控制交流电动机103(图1)的转速的速度控制器。速度控制器的输出为转矩的目标值，该转矩的目标值是可以随时间改变的。转矩的预定设置值S优选地为转矩的目标值的上限。
根据本发明实施例的方法包括在上述周期系泊操作和连续系泊操作之间进行选择。
在根据本发明实施例的方法中，作为对转矩估计221(图3a)变得低于第一预定限值H-(图3a)的情形的响应，控制交流电动机将系泊绳卷入，并且作为对转矩估计221(图3a)超过第二预定限值H+(图3a)的情形的响应，控制交流电动机将系泊绳卷出，该第二预定限值大于该第一预定限值。
在根据本发明实施例的方法中，作为对转矩估计221(图3a)在预定范围R(图3a)内的情形的响应，将交流电动机的转速的参考值222(图3a)设置为零，该预定范围在转矩的预定设置值S(图3a)周围。
在根据本发明实施例的方法中，作为对在转矩估计221(图3b)变得低于第一预定限值H-(图3b)之后过去第一预定延迟d3(图3b)的情形的响应，控制交流电动机将系泊绳卷入，以及作为对在转矩估计221(图3b)超过第二预定限值H+(图3b)之后过去第二预定延迟d1(图3b)的情形的响应，控制交流电动机将系泊绳卷出，该第二预定限值大于该第一预定限值。
在根据本发明实施例的方法中，作为对在转矩估计221(图3b)进入预定范围R之后过去预定延迟d2(图3b)的情形的响应，将交流电动机的转速的参考值222(图3b)设置为零，该预定范围在转矩的预定设置值S(图3b)周围。
在根据本发明实施例的方法中，转矩的预定设置值S(图3a和图3b)为转矩的目标值的上限，转矩的目标值为布置用于控制交流电动机的转速的速度控制器的输出。
根据本发明实施例的装置包括用于控制系泊绞车的系泊绳张力的模块，该系泊绞车包括用于卷绕系泊绳的绞筒、布置用于驱动绞筒的交流电动机以及布置用于向交流电动机提供电力的频率转换单元。上述模块能够控制可编程处理器执行以下操作：
-计算用于对交流电动机的定子磁通进行建模的磁通空间矢量，
-基于交流电动机的定子电流的空间矢量和磁通空间矢量来计算转矩估计，
-使用转矩估计作为系泊绳张力的指示器，以及
-基于系泊绳张力的指示器来控制频率转换单元。
根据本发明实施例的计算机可读介质编码有根据本发明实施例的装置。该计算机可读介质例如可以是只读型光盘存储器(CD-ROM)。
根据本发明实施例的信号适于承载指定根据本发明实施例的装置的信息。
以上给出的描述中提供的特定示例不应构成限制。因此，本发明并不仅限于上述实施例，而是可以有许多变型。

Claims (13)

1.一种系泊绞车，包括：
-绞筒(101)，用于卷绕系泊绳(102)，
-交流电动机(103)，布置用于驱动所述绞筒，
-频率转换单元(104)，布置用于向所述交流电动机提供电力，以及
-控制单元(105)，布置用于基于所述系泊绳的张力的指示器来控制所述频率转换单元，
其特征在于，所述控制单元布置用于：将所述交流电动机的转速的参考值设置为预定值、释放所述系泊绞车的制动器、针对预定时间间隔在一个方向上驱动所述交流电动机、定义所述电动机的转矩的第一值、针对所述预定间隔在相反方向上驱动所述交流电动机、定义所述电动机的转矩的第二值、以及使用所述转矩的第一值和第二值来计算转矩估计。
2.根据权利要求1的系泊绞车，其中
-所述系泊绳的张力通过传感器测量，
-将测量的所述系泊绳的张力输入给所述控制单元。
3.根据权利要求1的系泊绞车，其中所述控制单元布置用于：
-计算用于对所述交流电动机的定子磁通进行建模的磁通空间矢量，
-基于所述交流电动机的定子电流的空间矢量和所述磁通空间矢量来计算所述转矩的第一值和第二值。
4.根据权利要求1的系泊绞车，其中所述电动机的速度被测量，并且所述测量的速度被输入给所述控制单元。
5.根据权利要求1的系泊绞车，其中所述控制单元布置用于：作为对所述转矩估计(221)变得低于第一预定限值(H-)的情形的响应，使得所述交流电动机将所述系泊绳卷入，以及作为对所述转矩估计超过第二预定限值(H+)的情形的响应，使得所述交流电动机将所述系泊绳卷出，所述第二预定限值大于所述第一预定限值。
6.根据权利要求1的系泊绞车，其中所述控制单元布置用于：作为对在所述转矩估计(221)变得低于第一预定限值(H-)之后过去第一预定延迟(d3)的情形的响应，使得所述交流电动机将所述系泊绳卷入，以及作为对在所述转矩估计(221)超过第二预定限值(H+)之后过去第二预定延迟(d1)的情形的响应，使得所述交流电动机将所述系泊绳卷出，所述第二预定限值大于所述第一预定限值。
7.根据权利要求1的系泊绞车，其中所述控制单元布置用于执行以下用于完成周期系泊操作的连续阶段：
-条件阶段A：作为对所述计算的转矩估计低于第一限值的情形的响应，控制所述交流电动机将所述系泊绳卷入，
-条件阶段B：作为对所述计算的转矩估计高于第二限值的情形的响应，控制所述交流电动机将所述系泊绳卷出，
-阶段C：等待预定时间间隔，重新计算所述转矩估计并从所述阶段A继续。
8.一种用于控制系泊绞车的系泊绳张力的方法，所述系泊绞车包括用于卷绕系泊绳的绞筒、布置用于驱动所述绞筒的交流电动机以及布置用于向所述交流电动机提供电力的频率转换单元，其中所述方法包括基于所述系泊绳张力的指示器来控制所述频率转换单元，其特征在于所述方法还包括：
-将所述交流电动机的转速的参考值设置为预定值，
-释放所述系泊绞车的制动器，
-针对预定时间间隔在一个方向上驱动所述交流电动机，
-定义所述电动机的转矩的第一值，
-针对另一预定时间间隔在相反方向上驱动所述交流电动机，
-定义所述电动机的转矩的第二值，以及
-使用所述转矩的第一值和第二值来计算转矩估计。
9.根据权利要求8的方法，其中所述方法包括：
-计算用于对所述交流电动机的定子磁通进行建模的磁通空间矢量，
-基于所述交流电动机的定子电流的空间矢量和所述磁通空间矢量来计算所述转矩的第一值和第二值。
10.根据权利要求8的方法，其中作为对所述转矩估计(221)变得低于第一预定限值(H-)的情形的响应，控制所述交流电动机将所述系泊绳卷入，以及作为对所述转矩估计超过第二预定限值(H+)的情形的响应，控制所述交流电动机将所述系泊绳卷出，所述第二预定限值大于所述第一预定限值。
11.根据权利要求8的方法，其中作为对在所述转矩估计(221)变得低于第一预定限值(H-)之后过去第一预定延迟(d3)的情形的响应，控制所述交流电动机将所述系泊绳卷入，以及作为对在所述转矩估计(221)超过第二预定限值(H+)之后过去第二预定延迟(d1)的情形的响应，控制所述交流电动机将所述系泊绳卷出，所述第二预定限值大于所述第一预定限值。
12.根据权利要求8的方法，其中所述方法包括以下用于完成周期系泊操作的连续阶段：
-条件阶段A：作为对所述计算的转矩估计低于第一限值的情形的响应，控制所述交流电动机将所述系泊绳卷入，
-条件阶段B：作为对所述计算的转矩估计高于第二限值的情形的响应，控制所述交流电动机将所述系泊绳卷出，
-阶段C：等待预定时间间隔，重新计算所述转矩估计并从所述阶段A继续。
13.一种用于控制系泊绞车的系泊绳张力的装置，所述系泊绞车包括用于卷绕系泊绳的绞筒、布置用于驱动所述绞筒的交流电动机以及布置用于向所述交流电动机提供电力的频率转换单元，其中所述装置包括用于基于所述系泊绳张力的指示器来控制所述频率转换单元的模块，其特征在于，所述装置还包括：
-将所述交流电动机的转速的参考值设置为预定值的模块，
-释放所述系泊绞车的制动器的模块，
-针对预定时间间隔在一个方向上驱动所述交流电动机的模块，
-定义所述电动机的转矩的第一值的模块，
-针对所述预定间隔在相反方向上驱动所述交流电动机的模块，
-定义所述电动机的转矩的第二值的模块，以及
-使用所述转矩的第一值和第二值来计算转矩估计的模块。
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