CN104555779A - 一种电驱动海洋绞车的智能排缆器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电驱动海洋绞车的智能排缆器，两组三相异步电机分别经变频器与电源相连，三相异步电机经行星减速机与滚筒的主轴相连，永磁同步电动机通过减速器减速驱动由轴承支撑的滚动丝杆旋转，滚动丝杆带动导缆轮在导轨上左右移动，缆绳经线宽传感器、导缆轮排缆到滚筒上，在滚动丝杆的两端分别安装有第一、二接近开关；滚筒转速检测光电编码器、电机转速光电编码器和光电编码器检测的信号分别输入智能控制器，智能控制器对三相异步电机和永磁同步电动机的工作状态进行控制。本发明具有排缆效果好、工作可靠、实时性好、能根据缆绳宽度自动调节工作状态、在海洋复杂工作环境下能连续工作的优点。

Description

一种电驱动海洋绞车的智能排缆器

技术领域

本发明属于海洋绞车辅助设备设计领域，尤其涉及一种带主动升沉补偿功能的变频电驱动深海海洋绞车排缆器。

背景技术

海洋绞车滚筒直径大、缆绳缠绕层数多易出现乱卷、缠绕过程相互挤压易损坏缆绳等特点，海洋绞车相比于陆上广泛使用的绞车对排缆性能的要求更严格。

然而现有技术存在以下问题：

(1)目前应用的单滚筒一体化绞车上广泛采用平行排缆机构，单滚筒一体化绞车在浅海调查中具有排缆机构受力小、系统机构简单等优点，但随着调查深度和范围的不断扩大，储存在滚筒上的缆绳长达3000-10000米，多达20层的缆绳，导致缆绳不能在滚筒上均匀整齐的排缆，所以传统的常规的平行排缆机构并不能很好地满足深海调查工作的需要。

(2)往复式双向丝杆式绞车排缆器是目前常见的一种自动绞车排缆器，通过链条或齿轮驱动导引辊筒在丝杆上移动，占用空间大且齿轮的减速比固定不变，只能适用于一种直径的缆绳，没有对缆绳直径的自适应能力，双向丝杆制作复杂工艺要求高且排缆行程很难改变，且由于排缆机构与滚筒轴为刚性连接，排缆过程中容易造成对绞车结构的冲击。

(3)传统的排缆控制器控制算法普遍采用常规的比例开环控制方式，同步排缆时相对滚筒转动有稳态误差存在，抗干扰能力差。实际使用过程中排缆效果总是不能达到完美的排缆效果，仍然会经常出现跳缆、叠缆、缆绳挤压等排缆不齐的现象。

(4)随着海洋绞车对排缆系统性能指标要求的逐渐提升，对排缆系统的实时性和响应性能的要求也是越来越高，传统的电驱动排缆系统多为基于性能一般的单片机，在新的应用环境下，不可避免地暴露出排缆系统存在着功能简单、速度慢、实时性差等问题，比如受限于控制器性能不能进行S曲线等高级加减速，在排缆电机进行启动、停止和变速时易产生冲击、失步、超程或振荡等现象。

发明内容

针对现有技术存在的上述技术问题，本发明是提供一种具有排缆效果好、工作可靠、实时性好、能根据缆绳宽度自动调节工作状态、在海洋复杂工作环境下能连续工作的电驱动海洋绞车的智能排缆器。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：一种电驱动海洋绞车的智能排缆器，包括变频器、三相异步电机、行星减速机、滚筒、滚筒转速检测光电编码器、智能控制器、交流伺服驱动器、电机转速光电编码器、永磁同步电动机、减速器、轴承、线宽传感器、导缆轮、滚动丝杆、第一接近开关、第二接近开关、导轨、光电编码器；六台三相异步电机均分成两组，两组三相异步电机分别经变频器与电源相连，三相异步电机经行星减速机与滚筒的主轴相连，永磁同步电动机通过减速器减速驱动由轴承支撑的滚动丝杆旋转，滚动丝杆带动导缆轮在导轨上左右移动，缆绳经线宽传感器、导缆轮排缆到滚筒上，在滚动丝杆的两端分别安装有第一、二接近开关；滚筒一端安装有滚筒转速检测光电编码器，永磁同步电动机一端安装有电机转速光电编码器，滚动丝杆一端安装有光电编码器，滚筒转速检测光电编码器、电机转速光电编码器和光电编码器检测的信号分别输入智能控制器，智能控制器对三相异步电机和永磁同步电动机的工作状态进行控制。

线宽传感器检测缆绳的实际宽度自适应调整控制器参数以满足不同规格的缆绳的排缆要求。

本发明的电驱动海洋绞车的智能排缆器，还包括第三接近开关、第四接近开关，第三、四接近开关安装在滚动丝杆上，位于第一、二接近开关后。避免当第一、二接近开关出现硬件故障时，排缆机构超出排缆行程使排缆器受损。

所述导轨直径为滚筒直径的1/5，导缆轮的直径为导轨长度的一半。在截面的导轨、滚动丝杆和导缆轮，使得排缆机构能够承受非常大的轴向载荷、扭矩和弯矩。

本发明与目前应用在单滚筒一体化绞车上广泛采用的平行排缆机构相比，由导缆轮和滚动丝杠等部件组成的直角排缆器，在对滚筒上缆绳从左到右来回排缆时，可以保持缆绳进入绞车时排缆角不变，滚筒长度不再受排缆轮偏角影响，使得滚筒长度可大大增加，排缆机构稳定的受力，也非常有利于对起吊物的平稳收放，使得其既拥有单滚筒一体化绞车结构简单、维修方便，同时又分离式海洋绞车排缆效果好、排缆距离长、排缆稳定的优点。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的正视图；

图3是本发明的俯视图；

图4是本发明的主视图；

图5是本发明的控制框图；

图6是本发明中排缆装置的控制器与伺服动力系统之间电气接线图。

图7是本发明基于模糊自调整PID排缆控制策略的子任务流程图。

具体实施方式

下面通过实施例结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，旨在帮助进一步理解本发明，而非限制性的。所描述的实施例仅为本发明的一种优选实施方式，在本发明的精神和原则之内，各种替换和修改均应包含在本发明的保护范围之内。

如图1、2、3、4所示，本发明的电驱动海洋绞车的智能排缆器包括变频器1、三相异步电机2、行星减速机3、滚筒4、滚筒转速检测光电编码器5、智能控制器6、交流伺服驱动器7、电机转速光电编码器8、永磁同步电动机9、减速器10、轴承11、线宽传感器12、导缆轮13、滚动丝杆14、第一接近开关15、第二接近开关16、导轨17、第三接近开关18、第四接近开关19、光电编码器20；六台三相异步电机2均分成两组，两组三相异步电机2分别经变频器1与电源相连，三相异步电机2经行星减速机3与滚筒4的主轴相连，永磁同步电动机9通过减速器10减速驱动由轴承11支撑的滚动丝杆14旋转，滚动丝杆14带动导缆轮13在导轨17上左右移动，缆绳经线宽传感器12、导缆轮13排缆到滚筒4上，在滚动丝杆14的两端分别安装有第一接近开关15、第二接近开关16；在第一接近开关15、第二接近开关16后安装有第三接近开关18、第四接近开关19，滚筒4一端安装有滚筒转速检测光电编码器5，永磁同步电动机9一端安装有电机转速光电编码器8，滚动丝杆14一端安装有光电编码器20，滚筒转速检测光电编码器5、电机转速光电编码器8和光电编码器20检测的信号分别输入智能控制器6，智能控制器6对三相异步电机2和永磁同步电动机9的工作状态进行控制。

在现场作业中不同的作业任务使用的缆绳往往宽度不同，本发明通过线宽传感器12检测缆绳实际宽度自适应调整控制器参数以满足不同规格的缆绳的排缆要求，从侧面上方进入绞车的缆绳通过导缆轮13进入滚筒4，导缆轮13的圆形缆绳导向道与滚筒4的边线处于同一竖直平面内.

在滚动丝杆14的两端安装有第一接近开关15、第二接近开关16，进行导缆轮13的位置末端检测，当第一接近开关15或第二接近开关16接收到行导缆轮13已经到达端点时智能控制器6上的FPGA协处理电路进行位置限制处理并控制导缆轮13换向，避免MCU处理器未能及时响应造成电机过限行走，从而导致排缆系统的损坏。在第一接近开关15、第二接近开关16外面再另设第三接近开关18、第四接近开关19，避免在第一接近开关15、第二接近开关16损坏时超出排缆机构的行程，排缆过程中拥有巨大直径的导轨17承受了几乎所有的弯矩，使得滚动丝杆14在排缆过程只承受轴向载荷和扭矩，保证了排缆过程中系统的精度。

本发明采用垂直排缆结构的负载拉力先作用在排缆机构的导缆轮13上，再通过导缆轮13将缆绳张力作用到滚筒4上，这样排缆器的滚动丝杆14所受的轴向载荷及扭矩和导轨17所受的弯矩非常大，因此导轨17、滚动丝杆14和导缆轮13截面尺寸均非常大，其中导轨17直径为滚筒4直径的1/5，导缆轮13的直径为导轨17长度的一半，如此使得排缆机构能够承受非常大的轴向载荷、扭矩和弯矩。

本发明排缆器的速度环和电流环集成在驱动器内部，为比例积分控制，位置环采用模糊自调整PID闭环控制策略在控制器内实现，交流伺服驱动器7通过矢量变换简化后被驱动器电流环控制。硬件单元使用STM32(STM32F103)和FPGA(Altera Cyclone II EP2C8Q208)相结合的方案，充分利用STM32中断能力强、中断延时短、以及故障处理方便等功能，以及FPGA并行运算能力，大大减轻了MCU的负担，实现了排缆器高精度、高稳定性的实时排缆。

STM32作为主处理器基于μC/OS-II实时操作系统，主要负责任务调度和软件管理等方面的工作，主要包括控制器与上位机进行以太网通讯、基于模糊自调整PID闭环控制方式的排缆控制、模拟量输入输出、通用数字输入输出处理、键盘指令响应、掉电数据保存、限位接近开关处理、解析执行上位机指令等功能；FPGA作为系统主要的执行机构和协处理器，在其基础上实现了数据的译码和预处理模块和加减速模块等功能，简化了系统的实现结构，FPGA的高速处理能力保证了排缆控制器的高速、高精度、高实时性的处理能力特性。

如图5所示，STM32与FPGA的接口方式有很多种，鉴于大规模可编程逻辑器件在并行数据处理方面有明显优势，设计采用STM32的FSMC并行总线接口(Flexible Static Memory Controller，可变静态存储控制器)实现与FPGA的连接。控制器上设置了纽扣电池做掉电保护备用电池，每次排缆器换向均同时变更保存在Flash存储器上的相应的数据，当绞车再次运行时控制器从Flash数据中重新恢复，以使绞车恢复到掉电时的运行状态。

应用在海洋绞车上的排缆机构在进行排缆时需要频繁地启动、停止、换向、变速，考虑到对传动机构(海洋绞车排缆机架惯量很大)的冲击，会对机械部件带来损害，缩短了使用寿命，必须对进给电机的脉冲频率进行加减速控制，从而实现排缆机构快速、准确、平稳的排缆。考虑到带主动升沉补偿控制系统的海洋绞车在排缆过程中交流伺服驱动器7频繁的启动停止以及实现控制器高精度高实时特性的目标，所以本发明使用FPGA实现电机在启动、停止过程中的S曲线加减速控制。

安装在绞车滚筒轴上的光电式旋转编码器(A、B两相脉冲输出)，用于检测滚筒的精确位置与速度，反馈的滚筒角位移脉冲经过FPGA进行计数与计算得到滚筒的位置、转速，由STM32处理器将检测结果进行计算处理后，将计算值传递给FPGA，在通过FPGA加减速模块处理后向交流伺服驱动器7发出控制信号；永磁同步电动机9转动并带动导缆轮13移动，对绞车滚筒4进行实时的跟随。

图7是基于模糊自调整PID闭环控制策略的排缆控制子任务的流程图。排缆系统设置手动左旋、右旋按钮、急停开关等，方便绞车调试或者排缆装置出现故障时手动调整排缆行走机构的位置。

为避免传动系统机械零件(电机、减速器、联轴器、轴承、丝杆等)之间的间隙、变形、磨损以及摩擦等所导致的控制误差，在丝杆末端设置一个光电编码器检测丝杆的位置，丝杆的实时位置作为模糊自适应位置控制策略的反馈信号实现了一定程度上排缆系统位置的全闭环控制。

海洋绞车在运行过程中，排缆机构的传动精度和响应速度是影响滚筒4上缆绳能否排列整齐的重要因素。传统的排缆控制器控制算法普遍采用常规的比例开环控制方式，同步排缆时相对滚筒4转动有稳态误差存在，为了提高响应速度避免常规PID控制的缺点，本发明提出了应用模糊自调整PID相位闭环同步传动控制策略进行无轴传动的方法进行排缆控制，使排缆系统在跟随滚筒运动时具有更小的稳态误差和更快的响应速度。

Claims (3)

1.一种电驱动海洋绞车的智能排缆器，其特征在于，包括变频器、三相异步电机、行星减速机、滚筒、滚筒转速检测光电编码器、智能控制器、交流伺服驱动器、电机转速光电编码器、永磁同步电动机、减速器、轴承、线宽传感器、导缆轮、滚动丝杆、第一接近开关、第二接近开关、导轨、光电编码器；六台三相异步电机均分成两组，两组三相异步电机分别经变频器与电源相连，三相异步电机经行星减速机与滚筒的主轴相连，永磁同步电动机通过减速器减速驱动由轴承支撑的滚动丝杆旋转，滚动丝杆带动导缆轮在导轨上左右移动，缆绳经线宽传感器、导缆轮排缆到滚筒上，在滚动丝杆的两端分别安装有第一、二接近开关；滚筒一端安装有滚筒转速检测光电编码器，永磁同步电动机一端安装有电机转速光电编码器，滚动丝杆一端安装有光电编码器，滚筒转速检测光电编码器、电机转速光电编码器和光电编码器检测的信号分别输入智能控制器，智能控制器对三相异步电机和永磁同步电动机的工作状态进行控制。

2.如权利要求1所述的电驱动海洋绞车的智能排缆器，其特征在于，还包括第三接近开关、第四接近开关，第三、四接近开关安装在滚动丝杆上，位于第一、二接近开关后。

3.如权利要求1或2所述的电驱动海洋绞车的智能排缆器，其特征在于，所述导轨直径为滚筒直径的1/5，导缆轮的直径为导轨长度的一半。