CN102420557B - 一种基于四象限运行的螺旋桨模拟装置及其模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于四象限运行的螺旋桨模拟装置，包括上位机、PLC控制器、直流电机、可调节直流电机电枢电压和电枢电流的第一直流调速器、可调节直流电机励磁电流的第二直流调速器、用于检测该直流电机输出扭矩的扭矩传感器和用于检测该直流电机转速的转速传感器。本发明还公开了一种螺旋桨模拟装置的模拟方法。本发明能够模拟定距桨、调距桨模式下，不同工况、不同海况时的加速航行、减速航行、紧急倒航等螺旋桨负载特性，具有结构简单、运行可靠、控制灵活等优点。

Description

一种基于四象限运行的螺旋桨模拟装置及其模拟方法

技术领域

本发明涉及船舶动力装置，尤其涉及一种螺旋桨模拟装置及其模拟方法。

背景技术

螺旋桨作为船舶动力系统中的重要设备，其设计、匹配的好坏直接影响到整条船的性能，为开展这方面的研究工作，目前对螺旋桨模拟多采用将其按比例缩小后放入一个水池中进行试验研究，这种装置设备庞大、费用昂贵，维护保养也不易，不适合小型研究及实验室教学使用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种可模拟螺旋桨负载特性的螺旋桨模拟装置。

本发明所要解决的技术问题在于提供一种该螺旋桨模拟装置的螺旋桨模拟方法。

本发明的一种基于四象限运行的螺旋桨模拟装置，包括：上位机、PLC控制器、直流电机、可调节直流电机电枢电压和电枢电流的第一直流调速器、可调节直流电机励磁电流的第二直流调速器、用于检测该直流电机输出扭矩的扭矩传感器和用于检测该直流电机转速的转速传感器；上位机与PLC控制器双向通信连接；该PLC控制器的信号输出端分别与第一直流调速器的信号输入端和第二直流调速器的信号输入端电连接；第一直流调速器的输出端与该直流电机的电枢主回路电连接，第二直流调速器的输出端与该直流电机的励磁主回路电连接；扭矩传感器的信号输出端和转速传感器的信号输出端分别与PLC控制器的信号输入端电连接。

本发明的一种螺旋桨模拟装置的模拟方法，包括以下步骤：

步骤1，上位机接收用户对螺旋桨模式和工况的选择命令，并从预先存储于该上位机内的多组螺旋桨特性曲线中选取与直流电机的当前转速、所选择的螺旋桨模式和工况相匹配的螺旋桨特性曲线，并将选取的螺旋桨特性曲线、以及用户对螺旋桨模式的输入信息和用户对工况的输入信息发送给所述的PLC控制器；

步骤2，PLC控制器根据所述转速传感器检测到的直流电机的转速、所述扭矩传感器检测到的直流电机的输出扭矩、从上位机接收到的螺旋桨特性曲线、用户对螺旋桨模式的输入信息和用户对工况的输入信息，通过第一直流调速器和第二直流调速器控制所述的直流电机按照该接收到的螺旋桨特性曲线运行。

本发明能够模拟定距桨、调距桨模式下，不同工况、不同海况时的加速航行、减速航行、紧急倒航等螺旋桨负载特性，具有结构简单、运行可靠、控制灵活等优点。

附图说明

图1是本发明螺旋桨模拟装置一实施例的原理框图。

图2是根据本发明一实施例的螺旋桨模拟装置在应用于船舶动力试验平台时的示意图。

图3是根据本发明一实施例的第一直流调速器的原理图。

图4是根据本发明一实施例的第二直流调速器的原理图。

图5是根据本发明一实施例的上位机的原理框图。

图6是根据本发明一实施例的PLC控制器的原理框图。

图7是根据本发明一实施例的定距桨模式下的螺旋桨特性曲线示意图。

图8是根据本发明一实施例的定距桨模式下的螺旋桨模拟装置的主控制流程示意图。

图9是根据本发明一实施例的调距桨模式下的螺旋桨模拟装置的主控制流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做出进一步说明。

参考图1至图4。根据本发明一实施例的基于四象限运行的螺旋桨模拟装置包括：上位机1、PLC控制器2、直流电机3、可调节直流电机电枢电压和电枢电流的第一直流调速器4、可调节直流电机励磁电流的第二直流调速器5、用于检测直流电机3的输出扭矩的扭矩传感器6、用于检测直流电机3的转速的转速传感器7、水电阻负载R1、第一切换电路和第二切换电路。

该螺旋桨模拟装置在应用于船舶动力试验平台时，如图2所示，主机81通过齿轮箱82与扭矩传感器6连接。

上位机1与PLC控制器2双向电连接。PLC控制器2的信号输出端分别与第一直流调速器4的信号输入端和第二直流调速器5的信号输入端电连接。第一直流调速器4的输出端与直流电机3的电枢主回路31电连接，第二直流调速器5的输出端与直流电机3的励磁主回路32电连接。扭矩传感器6的信号输出端和转速传感器7的信号输出端分别与PLC控制器2的信号输入端电连接。转速传感器7可采用光电编码器。在一种实施方式中，上位机1与PLC控制器2可通过PROFIBUS内部总线实现电连接，直流调速器4与直流调速器5之间也可通过PROFIBUS内部总线连接，实时传输数据信息。

第一切换电路的控制输入端和第二切换电路的控制输入端分别与PLC控制器2的信号输出端电连接。参考图3。第一切换电路由一接触器KM2组成，第二切换电路由一接触器KM3组成。接触器KM2设置在水电阻负载R1与直流电机3的电枢主回路31之间，用于选择性地使该水电阻负载R1与直流电机的电枢主回路31连接或断开；接触器KM3设置在第一直流调速器4的输出端与直流电机3的电枢主回路31之间，用于选择性地使该第一直流调速器4的输出端与直流电机的电枢主回路31连接或断开。在图3中，在接触器KM2、KM3与直流电机的电枢主回路之间还设有一电流检测装置91。

参考图5，上位机1包括：螺旋桨模式输入模块11、工况输入模块12、曲线存储模块13和控制模块15。螺旋桨模式输入模块11用于接收用户对螺旋桨模式的输入命令。螺旋桨模式包括定距桨模式和调据桨模式，用户可以对这两种模式进行选择。当用户选择调距桨模式时，还要对螺距进行限定。工况输入模块12用于接收用户对工况的输入命令。工况的情况种类包括例如加速工况、减速工况、紧急倒航工况等等。曲线存储模块13用于存储螺旋桨特性曲线。该螺旋桨特性曲线主要包括定距桨模式下的转速扭矩关系曲线及调距桨模式下的螺距扭矩关系曲线。控制模块15分别与螺旋桨模式输入模块11、工况输入模块12和曲线存储模块13电连接。控制模块15接收PLC控制器2传送的直流电机的当前转速，根据用户选择的螺旋桨模式和工况从曲线存储模块13读取与当前转速、所选择的螺旋桨模式和工况相匹配的螺旋桨特性曲线，并将选取的螺旋桨特性曲线、以及用户对螺旋桨模式的输入信息和用户对工况的输入信息发送给所述的PLC控制器2。

在一种优选实施方式中，上位机1还包括一曲线生成模块14，曲线生成模块与控制模15电连接，其可在控制模块15的控制下，根据预先存储于曲线存储模块13内、与直流电机3的当前转速、所选择的螺旋桨模式和工况相接近的螺旋桨特性曲线，生成与直流电机3的当前转速、所选择的螺旋桨模式和工况相对应的螺旋桨特性曲线。当用户输入螺旋桨模式和工况后，控制模块15不能从曲线存储模块13内找到与直流电机3的当前转速、所选择的螺旋桨模式和工况相接近的螺旋桨特性曲线时，控制模块15会控制曲线生成模块14在预先存储于曲线存储模块13内、与直流电机3的当前转速、所选择的螺旋桨模式和工况相接近的螺旋桨特性曲线基础上通过线性偶合产生新的螺旋桨特性曲线。例如，定距桨模式下曲线生成模块14根据已有的转速从0-300RPM的加速工况曲线和转速从0-400RPM的加速工况曲线可以偶合出转速从0-350RPM、0-380RPM的加速工况转速扭矩曲线；调距桨模式下根据已有的300RPM时的螺距扭矩曲线和400RPM时的螺距扭矩曲线可以偶合出350RPM、380RPM时的螺距扭矩曲线；另外根据已有海况下的特性曲线也可以偶合出新海况下的螺旋桨特性曲线。

参考图6。PLC控制器2包括接收模块21和主控模块22。接收模块21与上位机1双向电连接；主控模块22与接收模块21双向电连接，并与扭矩传感器6的信号输出端和转速传感器7的信号输出端电连接。接收模块21接收由上位机1发送的螺旋桨特性曲线、用户对螺旋桨模式的输入信息和用户对工况的输入信息。主控模块22根据转速传感器7检测到的直流电机3的转速、扭矩传感器6检测到的直流电机3的输出扭矩、接收模块22接收到的螺旋桨特性曲线、用户对螺旋桨模式的输入信息和用户对工况的输入信息，通过第一直流调速器4和第二直流调速器5控制直流电机3按照该接收模块21接收到的螺旋桨特性曲线运行，并通过接收模块21向上位机1传送直流电机3的当前转速。

主控模块22进一步包括：扭矩查询单元221、励磁电流控制单元222、转速查询单元223、电枢控制单元224和管理单元225。

扭矩查询单元221根据螺距或转速传感器7检测到的直流电机当前转速，查询存放于接收模块21中的螺旋桨特性曲线，确定与该螺距或该当前转速相对应的扭矩。励磁电流控制单元222根据扭矩查询单元221确定的扭矩计算直流电机3的励磁电流值，并将计算结果发送给所述第二直流调速器5；并且，根据扭矩传感器6采集到的直流电机的扭矩计算直流电机3的励磁电流调整值，将该励磁电流调整值发送给所述第二直流调速器5，通过第二直流调速器5对直流电机的输出扭矩进行闭环控制。转速查询单元223根据扭矩传感器6采集到的直流电机的当前扭矩，查询存放于接收模块21中的螺旋桨特性曲线，确定与当前扭矩相对应的转速。电枢控制单元224根据转速查询单元确定的转速计算直流电机电枢电压和电枢电流，并根据该计算结果通过第一直流调速器4控制直流电机3的直流电机电枢电压和直流电机电枢电流。管理单元225根据接收模块1接收到的螺旋桨特性曲线、用户对螺旋桨模式的输入信息和用户对工况的输入信息，判断直流电机3所处的工作象限，根据直流电机3所处的象限分别控制扭矩查询单元221、励磁电流控制单元222、转速查询单元223和电枢控制单元224的工作。

下面以本发明的螺旋桨模拟装置工作于定距桨模式下的紧急倒航特性曲线举例说明。如图7中的3#曲线所示，该紧急倒航特性曲线经过第一、三、四象限。运行在第一象限即正转速正扭矩输出时，直流电机3按照他励直流发电机的方式工作在发电模式。扭矩查询单元221通过采集到的直流电机运行转速结合转速扭矩关系曲线得到当前的给定扭矩值，励磁电流控制单元222根据扭矩查询单元221确定的扭矩，通过电机扭矩和励磁电流的关联公式计算出该扭矩下所需的励磁电流值并传送给第二直流调速器5（型号为DCS800-S02-0050），再结合扭矩传感器6采集到的扭矩反馈值，实时调节励磁电流的大小实现扭矩闭环控制，从而以扭矩控制方式确保直流电机按照给定的螺旋桨负载特性曲线运行。此时直流电机3的转速取决于主机81的转速，直流电机3作为负载装置其扭矩的方向始终与柴油机的扭矩输出方向相反。在第一象限运行时，如图2所示，管理单元225控制KM3断开，KM2闭合，此时直流电机3发电输出的电能由水电阻负载R1消耗。本发明的螺旋桨模拟装置运行在第四象限即正转速负扭矩输出时，直流电机3从柴发电站取电工作在电动模式。当直流电机3从发电区域逐步运行至电动区域时，在临界点即在扭矩为零时，励磁电流不为零，励磁电流必须在励磁电流控制单元222的控制下提前调整为零，并且在最后2%-5%扭矩时，利用直流电机3的剩磁进行发电，低于剩磁所产生的扭矩时，电枢控制单元224控制第一直流调速器4切换电流方向，进入负值，此时直流电机3的电枢电流方向将会反向，当反向励磁电流所产生的磁通和剩磁抵消，此时输出的转矩为零。当本发明的直流电机3工作在第四象限，直流电机3处于电动工作模式时，第一直流调速器4在电枢控制单元224的控制下切换到速度控制方式，调节直流电机3的电枢电压和电枢电流，直流电机3的输出扭矩根据负载特性而变化，此时管理单元225控制KM3闭合，KM2断开。倒航过程中工作在第四象限的直流电机3模拟实船螺旋桨作水轮机时的动力输出特性，此时主机81的扭矩输出和整个动力系统轴系脱开。本发明工作在第四象限时励磁电流控制单元222控制第二直流调速器5保持恒励磁输出，转速查询单元223根据扭矩传感器6采集到的直流电机3的当前扭矩，查询存放于接收模块1中的螺旋桨特性曲线，确定与当前扭矩相对应的转速；电枢控制单元224根据转速查询单元确定的转速计算直流电机3的电枢电压和电枢电流，并控制第一直流调速器4（型号为DCS800-S02-0045）通过三相全控桥来控制直流电机3的电枢电压和电枢电流，确保直流电机3按给定的扭矩转速特性曲线中的转速变化趋势运行，此时系统的负载扭矩由轴系摩擦损耗阻扭矩提供。当本发明运行到第三象限即负转速负扭矩输出时，直流电机3又工作在发电模式，提供反向阻扭矩，此时随着扭矩和转速数值的反向增加，模拟的是实船情况下的加速倒航运行工况。

根据本发明一实施例的螺旋桨模拟装置的模拟方法，包括以下步骤：

步骤1，上位机1接收用户对螺旋桨模式和工况的选择命令，并从预先存储于该上位机1内的多组螺旋桨特性曲线中选取与直流电机3的当前转速、所选择的螺旋桨模式和工况相匹配的螺旋桨特性曲线，并将选取的螺旋桨特性曲线、以及用户对螺旋桨模式的输入信息和用户对工况的输入信息发送给PLC控制器2；

步骤2，PLC控制器2根据转速传感器7检测到的直流电机3的转速、扭矩传感器7检测到的直流电机的输出扭矩、从上位机1接收到的螺旋桨特性曲线、用户对螺旋桨模式的输入信息和用户对工况的输入信息，通过第一直流调速器4和第二直流调速器5控制直流电机3按照该接收到的螺旋桨特性曲线运行。

在上述的步骤1中，当上位机1无法从预先存储于该上位机内的多组螺旋桨特性曲线中找到与直流电机的当前转速、所选择的螺旋桨模式和工况相匹配的螺旋桨特性曲线时，该上位机会根据预先存储于该上位机内、与直流电机的当前转速、所选择的螺旋桨模式和工况相接近的螺旋桨特性曲线，生成与直流电机3的当前转速、所选择的螺旋桨模式和工况相对应的螺旋桨特性曲线。

在上述的步骤2中，PLC控制器2根据接收到的螺旋桨特性曲线、用户对螺旋桨模式的输入信息和用户对工况的输入信息，判断直流电机所处的工作象限，根据直流电机所处的象限分别控制第二直流调速器5对直流电机3的励磁电流进行调节，控制第一直流调速器4控制直流电机3的电枢电压和电流，使直流电机3按照该接收到的螺旋桨特性曲线运行。PLC控制器2根据定距桨模式下的转速扭矩关系曲线，通过直流电机的转速获取相应的扭矩值，或根据调距桨模式下的螺距扭矩关系曲线，根据当前的螺距值获取给定的扭矩值，通过判断直流电机所处的工作象限，可以知道直流电机3是处于发电模式还是电动模式，如果是处于发电模式，则通过扭矩控制方式来确保直流电机按照给定的螺旋桨负载特性曲线运行，如果是处于电动模式，则通过速度控制方式来确保直流电机按照给定的螺旋桨负载特性曲线运行。

图8示出了根据本发明一实施例的定距桨模式下的螺旋桨模拟装置的主控制流程示意图。在图8中，当PLC控制器不能根据螺旋桨特性曲线确定与该直流电机的当前转速相对应的扭矩，可以通过实时线性插值获取与不同转速对应的扭矩值。

图9示出了根据本发明一实施例的调距桨模式下的螺旋桨模拟装置的主控制流程示意图。

本发明能够在四象限内模拟螺旋桨的负载特性，即第一象限的正转速正扭矩输出、第二象限的负转速正扭矩输出、第三象限的负转速负扭矩输出及第四象限的正转速负扭矩输出，不同象限内的直流电机工作特性不一样模拟的实船运行时的工况也不同。由于采用了PLC控制器，本发明能够实现直流电机发电模式向电动模式的双向自动切换运行及不同螺旋桨模式、不同工况下的连锁控制和安全保护控制；由于采用了高精度的扭矩传感器，本发明可以通过扭矩闭环控制提高实际运行曲线与给定螺旋桨特性曲线的吻合度。

Claims (9)

1.一种基于四象限运行的螺旋桨模拟装置，其特征在于，包括：上位机、PLC控制器、直流电机、可调节该直流电机电枢电压和电枢电流的第一直流调速器、可调节该直流电机励磁电流的第二直流调速器、用于检测所述直流电机输出扭矩的扭矩传感器和用于检测该直流电机转速的转速传感器；

所述上位机与所述PLC控制器双向通信连接；该PLC控制器的信号输出端分别与第一直流调速器的信号输入端和第二直流调速器的信号输入端电连接；所述第一直流调速器的输出端与直流电机的电枢主回路电连接，所述第二直流调速器的输出端与该直流电机的励磁主回路电连接；所述扭矩传感器的信号输出端和所述转速传感器的信号输出端分别与PLC控制器的信号输入端电连接；

以及，还包括：

水电阻负载；

第一切换电路，设置在所述水电阻负载与所述直流电机的电枢主回路之间;该第一切换电路的控制输入端与所述PLC控制器的信号输出端电连接，用于选择性地使该水电阻负载与该直流电机的电枢主回路连接或断开；

第二切换电路，设置在第一直流调速器的输出端与所述直流电机的电枢主回路之间；该第二切换电路的控制输入端与所述PLC控制器的信号输出端电连接，用于选择性地使该第一直流调速器的输出端与直流电机的电枢主回路连接或断开。

2.如权利要求1所述的螺旋桨模拟装置，其特征在于，所述的上位机包括：

螺旋桨模式输入模块，用于接收用户对螺旋桨模式的输入命令；

工况输入模块，用于接收用户对工况的输入命令；

曲线存储模块，用于存储螺旋桨特性曲线；

控制模块，分别与所述的螺旋桨模式输入模块、工况输入模块和曲线存储模块电连接；该控制模块接收PLC控制器传送的所述直流电机的当前转速，根据用户选择的螺旋桨模式和工况从所述曲线存储模块读取与当前转速、所选择的螺旋桨模式和工况相匹配的螺旋桨特性曲线，并将选取的螺旋桨特性曲线、以及用户对螺旋桨模式的输入信息和用户对工况的输入信息发送给所述的PLC控制器。

3.如权利要求2所述的螺旋桨模拟装置，其特征在于，所述的上位机还包括：

曲线生成模块，用于在所述控制模块的控制下，根据预先存储于该曲线存储模块内、与直流电机的当前转速、所选择的螺旋桨模式和工况相接近的螺旋桨特性曲线，生成与直流电机的当前转速、所选择的螺旋桨模式和工况相对应的螺旋桨特性曲线。

4.如权利要求2所述的螺旋桨模拟装置，其特征在于，所述PLC控制器包括：

接收模块，该接收模块与所述上位机双向电连接，用于接收由上位机发送的螺旋桨特性曲线、用户对螺旋桨模式的输入信息和用户对工况的输入信息；

主控模块，与所述接收模块双向电连接，并与所述扭矩传感器的信号输出端和所述转速传感器的信号输出端电连接；该主控模块根据所述转速传感器检测到的直流电机的转速、所述扭矩传感器检测到的直流电机的输出扭矩、所述接收模块接收到的螺旋桨特性曲线、用户对螺旋桨模式的输入信息和用户对工况的输入信息，通过第一直流调速器和第二直流调速器控制所述的直流电机按照该接收模块接收到的螺旋桨特性曲线运行，并通过所述接收模块向所述上位机传送所述直流电机的当前转速。

5.如权利要求4所述的螺旋桨模拟装置，其特征在于，所述主控模块进一步包括：

扭矩查询单元，根据螺距或所述转速传感器检测到的直流电机当前转速，查询存放于接收模块中的螺旋桨特性曲线，确定与该螺距或该当前转速相对应的扭矩；

励磁电流控制单元， 根据扭矩查询单元确定的扭矩计算直流电机的励磁电流值，并将计算结果发送给所述第二直流调速器；并且，根据所述扭矩传感器采集到的直流电机的扭矩计算直流电机的励磁电流调整值，将该励磁电流调整值发送给所述第二直流调速器，通过第二直流调速器对直流电机的输出扭矩进行闭环控制；

转速查询单元，根据所述扭矩传感器采集到的直流电机的当前扭矩，查询存放于接收模块中的螺旋桨特性曲线，确定与当前扭矩相对应的转速；

电枢控制单元，根据转速查询单元确定的转速计算直流电机电枢电压和电枢电流，根据该计算结果通过第一直流调速器控制所述直流电机的电枢电压和电枢电流；

管理单元，根据所述接收模块接收到的螺旋桨特性曲线、用户对螺旋桨模式的输入信息和用户对工况的输入信息，判断直流电机所处的工作象限，根据直流电机所处的象限分别控制扭矩查询单元、励磁电流控制单元、转速查询单元和电枢控制单元的工作。

6.如权利要求1所述的螺旋桨模拟装置，其特征在于，所述的第一切换电路和第二切换电路均为一接触器；

所述的转速传感器为光电编码器。

7.一种如权利要求1所述的螺旋桨模拟装置的螺旋桨模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，上位机接收用户对螺旋桨模式和工况的选择命令，并从预先存储于该上位机内的多组螺旋桨特性曲线中选取与直流电机的当前转速、所选择的螺旋桨模式和工况相匹配的螺旋桨特性曲线，并将选取的螺旋桨特性曲线、以及用户对螺旋桨模式的输入信息和用户对工况的输入信息发送给所述的PLC控制器；

步骤2，PLC控制器根据所述转速传感器检测到的直流电机的转速、所述扭矩传感器检测到的直流电机的输出扭矩、从上位机接收到的螺旋桨特性曲线、用户对螺旋桨模式的输入信息和用户对工况的输入信息，通过第一直流调速器和第二直流调速器控制所述的直流电机按照该接收到的螺旋桨特性曲线运行。

8.如权利要求7所述的螺旋桨模拟方法，其特征在于，在所述步骤1中，当所述的上位机无法从预先存储于该上位机内的多组螺旋桨特性曲线中找到与直流电机的当前转速、所选择的螺旋桨模式和工况相匹配的螺旋桨特性曲线时，该上位机会根据预先存储于该上位机内、与直流电机的当前转速、所选择的螺旋桨模式和工况相接近的螺旋桨特性曲线，生成与直流电机的当前转速、所选择的螺旋桨模式和工况相对应的螺旋桨特性曲线。

9.如权利要求7所述的螺旋桨模拟方法，其特征在于，在所述的步骤2中，PLC控制器根据从上位机接收到的螺旋桨特性曲线、用户对螺旋桨模式的输入信息和用户对工况的输入信息，判断直流电机所处的工作象限，根据直流电机所处的象限分别控制第二直流调速器对直流电机的励磁电流进行调节，控制第一直流调速器控制直流电机的电枢电压和电流，使直流电机按照该接收到的螺旋桨特性曲线运行。

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