CN113302126A - 海洋船舶中的电转向系统和用于控制此转向系统的方法 - Google Patents

海洋船舶中的电转向系统和用于控制此转向系统的方法 Download PDF

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Abstract

用于控制包括至少一个可转向推进单元的海洋船舶中的电转向系统的设备和方法，该电转向系统包括：主转向系统(220；220.1)，该主转向系统包括主电马达(221；221.1)和主电源，如主电池(229；229.1)；主转向角度传感器(226；226.1)，其被布置成用于检测推进单元的转向角度；主控制单元(240；240.1)，其被布置成转向推进单元，并监视主转向系统(220；220.1)状态；辅助转向系统，其包括辅助电马达(231；231.1)和辅助电池(239；239.1)；以及辅助离合器(232；232.1)，其被布置成将辅助电马达的驱动轴连接到转向传动装置(223；223.1)的输入轴。该方法涉及以下步骤：在推进单元启动时接合辅助离合器；在启动期间执行主转向系统的诊断测试；对辅助转向角度传感器执行校准；以及在诊断测试完成时脱离接合辅助离合器。

Description

海洋船舶中的电转向系统和用于控制此转向系统的方法
技术领域
本发明涉及一种用于海洋船舶中的吊舱或方位推进器的电转向系统以及用于控制该系统的方法。
背景技术
本发明可应用于配备有吊舱或方位推进器推进系统、也称为船内性能系统(IPS)的海洋船舶。吊舱同时提供推进和转向功能，并可以单独使用或成对使用。吊舱由两个单元组成。第一个是上吊舱单元，通过驱动轴与发动机连接，并包含传动装置和转向功能。第二个是下吊舱单元，安装有至少一个螺旋桨。下吊舱单元在海洋船舶的船体外部，并相对于上吊舱单元旋转，以提供转向。
在装备有多个吊舱的船舶上，如果一个吊舱的转向系统中发生故障，则可以使用一个或多个吊舱作为备援系统。在装备有单个吊舱或可转向的推进单元的船舶上，这不是一个选择。US2007197110A中描述了已知的备用系统。在本例中，在电气系统出现故障的情况下，可以从电子转向机构切换到液压转向机构。但是，这样的系统复杂，因为它既需要电力源，又需要液压源。所述系统还需要大量的空间。此外，在装备有多个吊舱的船舶中，其中主电转向系统中发生故障，则没有吊舱可以在跛行条件下操作。在这种情况下，将需要一个备用系统，如上文所述的液压转向机构。与系统复杂性和空间需求有关的同样问题也适用于这种情况。
因此需要一种在装备有至少一个吊舱或可转向的推进单元的船舶上解决上述问题的改进转向系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种转向系统和控制该转向系统的方法，该转向系统在装备有至少一个吊舱或可转向的推进单元的海洋船舶中提供可靠且紧凑的转向设备。
所述目的通过根据所附权利要求的用于控制电转向系统的方法和电转向系统实现。
在下文中，术语“电马达”可以包括用于控制船舶转向系统的任何合适的电致动器。此外，术语“可转向推进单元”应解释为包括可转向的吊舱、方位推进器推进系统、船内性能系统(IPS)或类似的可转向的推进单元，诸如船尾驱动机或船外发动机。根据本发明，电马达或致动器可以由合适的电力源供电。非详尽的此类电源列表包括发电机、蓄电池、可充电电池或燃料电池。在下文中将使用“电池”一词来表示这种电源。
根据本发明的第一方面，所述目的是通过以下方法实现的，所述方法用于控制在包括可转向推进单元的海洋船舶中的电转向系统，所述电转向系统具有主转向系统，所述主转向系统包括主电马达或致动器以及主电源，所述主电源给所述主转向系统和主电马达提供电力，以用于控制转向。
此外，主制动器可布置在主电马达或致动器附近。可以将主制动器在接合状态和脱离接合状态之间控制。当接合时，主制动器阻止主电马达和转向传动装置的输入轴的旋转，以便将推进单元锁定在原位。当操作船舶和/或响应于转向命令时，主制动器脱离接合。当船舶没有被操作时，主制动器可用于将推进单元维持在正前方船体中部位置，或在操作该载具期间，主制动器可用于协助转向系统以将推进单元保持在所要求的转向角度。主制动器优选是电磁制动器或离合器，但它也可以是液压操作的。在文本中，术语“主制动器”用于此部件。
传动装置位于在推进单元的固定的上部分(或上吊舱)和推进单元的可旋转的下部分(或下吊舱)之间。提供由操作者控制的主舵以用于转向推进单元。提供主转向角度传感器以用于检测推进单元的转向角度。主转向角度传感器优选为旋转变压器(resolver)。旋转变压器是一种旋转式电变压器，用于测量旋转度，并且可以包括模拟设备(诸如无刷发送器旋转变压器)，或数字设备(诸如旋转或脉冲编码器)。主转向角度传感器布置在转向传动装置中，并检测推进单元的真实转向角度。主控制单元布置成响应于来自操作员在主舵处的输入，来转向推进单元，并持续监视主转向系统状态。
电转向系统进一步包括辅助转向系统，该辅助转向系统包括辅助电马达和辅助电池，该辅助电池用于向辅助转向系统和辅助电马达提供电力。辅助离合器布置成：如果主转向系统发生故障以及当主转向系统发生故障时，将辅助电马达的驱动轴连接到传动装置的输入轴，以转向推进单元。当在主转向系统中检测到故障时，主控制单元布置成脱离接合主制动器并接合辅助离合器。同时，在辅助转向系统操作时，可以对主电马达线圈进行消磁，以消除主转向系统中的损耗。
根据本发明，如上所述，所述方法涉及控制电转向系统。方法涉及如下步骤：
-在推进单元启动时，接合辅助离合器；
-在推进单元启动期间，执行对主转向系统的诊断测试；
-在辅助转向系统中，执行对辅助转向角度传感器的校准；以及
-在诊断测试完成时，脱离接合辅助离合器。
根据所述方法，在推进单元启动期间，执行诊断测试，推进单元的启动通过将推进系统的驱动单元启动而发动的。启动驱动单元可以涉及摇动内燃机或使电驱动单元的动力电子电路通电。同时，电力和/或液压动力提供到推进单元的其他部件。推进单元的启动所需的时间允许在操作船舶之前确定转向系统的状态。在诊断测试期间，辅助离合器是接合的，由此，主电马达的操作将同时驱动辅助转向系统。如果转向系统包括主制动器，那么当辅助离合器接合时，主制动器脱离接合。
在测试期间，主电马达的操作可能涉及将推进单元从其默认的船体中部位置(或其他默认位置)旋转到船体中部位置一侧的第一位置，然后旋转到船体中部位置另一侧的第二位置，最后回到船体中部位置。在测试期间，执行旋转位移到至少一个这样的位置。根据一个示例，推进单元可以首先从在0°处的船体中部位置旋转到+5°的角度，之后到-6°的角度，最后回到在0°处的船体中部位置。这些角度可以任意选择。
在诊断测试期间，推进单元的此旋转位移允许在检查主电马达、主制动器和其他电气和机械部件时，校准辅助转向系统中的辅助角度传感器。辅助角度传感器是呈电位器或旋转编码器形式的单圈传感器。在诊断测试期间，来自辅助角度传感器的对应于船体中部位置和至少一个额外角度位置的输出值存储在辅助控制单元中。每个输出值的大小，或对应的真实角度，可以从主控制单元和/或主角度传感器得知。可替代地，每个输出值的大小或对应的真实角度可以从主电马达中的编码器的输出信号中检索，其中该编码器连接到主控制单元。所存储的输出值随后可以用作基准值，以用于计算辅助角度传感器所需的位移，以实现之后所要求的转向角度。通过这种方式，在诊断测试期间，可以检测多个基准转向角度，并且将该多个基准转向角度作为基准输出值存储在辅助控制单元中。
如果诊断测试的结果是主转向系统是可操作的，那么诊断测试完成。在这种情况下，辅助离合器脱离接合，并且由主转向系统控制转向。另一方面，如果检测到故障并且主转向系统是不可操作的，那么诊断测试不能完成。在这种情况下，辅助转向系统从主转向系统接管。这可以通过自动或由操作员手动选择来完成。
根据第一示例，在诊断测试期间，可以检测到主转向系统中的故障。在此示例中，辅助离合器维持接合，并且主制动器维持脱离接合。可选地，当辅助转向系统接管时，主电马达可以退磁，以进一步减少摩擦损失。
操作员可以通过主舵或通过使用辅助舵(诸如摇臂开关)来使船舶转向。通过这种方式，可以将转向角度要求发送到辅助控制单元。辅助控制单元使用所存储的基准角度输出值，来确定所要求的转向角度的方向，并且用于计算对应于所要求的转向角度的辅助角度传感器输出值的大小。然后，辅助控制单元可以控制转向系统，并且致动辅助电马达以将推进单元朝向所要求的转向角度旋转。当从辅助角度传感器检测到的角度输出值对应于计算出的角度传感器输出值时，则已经实现所要求的转向角度，并将辅助电马达停止。
在该第一示例中，当推进单元在其默认船体中部位置，并且辅助角度传感器在对应于0°的基准位置时，辅助控制单元承担控制。代表转向角度的辅助角度传感器输出信号将会对应于推进单元的真实转向角度。当前检测到的转向角度可以从辅助控制单元发送到，例如，主舵。如果辅助转向系统设置有外部机械指示器，那么该机械指示器将自动显示推进单元的真实转向角度。
根据第二示例，主转向系统中的故障可以在船舶操作期间检测到。最初，在运行期间，由主控制系统检测到主转向系统中的故障，并需要辅助控制系统接管。在该示例中，在接合辅助离合器之前，优选将辅助角度传感器旋转到对应于推进单元的当前转向角度的角度位置。
在第一步骤中，辅助控制单元计算辅助角度传感器的所需的位移，以用于实现对应于当前转向角度的转向角度。当前转向角度可以由主电马达中的主角度传感器和/或角度编码器检测。将当前转向角度发送到辅助控制单元，该辅助控制单元使用所存储的基准角度输出值来计算辅助角度传感器的对应于推进单元的当前转向角度的角度输出值。然后，辅助控制单元控制辅助马达以将辅助角度传感器旋转到对应于推进单元的当前转向角度的角度位置。然后，辅助离合器接合，并且主制动器维持脱离接合。然后，辅助控制单元用于控制转向系统，并且使用所存储的基准角度输出值和从辅助角度传感器检测到的角度输出值，来计算推进单元的对应转向角度。因此，从主舵或辅助舵接收到的所要求的转向角度可以转换成辅助角度传感器的对应角度输出值。然后，辅助控制单元可以控制转向系统并致动辅助电马达，以将推进单元朝向所要求的转向角度旋转。当从辅助角度传感器检测到的角度输出值对应于计算出的角度传感器输出值时，则已经实现所要求的转向角度，并将辅助电马达停止。
在该第二示例中，当推进单元在任意位置并且辅助角度传感器在船体中部位置(即对应于0°的基准位置)时，辅助控制单元承担控制。因此，辅助角度传感器必须旋转，使得代表转向角度的输出信号将会对应于推进单元的真实转向角度。当前检测到的转向角度可以从辅助控制单元发送到，例如，主舵。
根据可替代的第二示例，主控制系统在操作期间检测到主转向系统中的故障，并需要立即致动辅助控制系统。在此可替代的示例中，辅助离合器接合时没有考虑当前转向角度与辅助角度传感器的默认船体中部位置之间可能存在的差异。
在第一步骤中，当辅助离合器接合时，将辅助角度传感器的默认输出值设置成与推进单元的转向角度相等。如上所述，可以检测到当前转向角度并将其发送到辅助控制单元。然后，辅助控制单元能够调整随后的计算，以考虑当前转向角度与辅助角度传感器的默认船体中部位置之间的初始差异。然后，辅助控制单元用于控制转向系统，并使用所存储的基准角度输出值和从辅助角度传感器检测到的角度输出值来计算推进单元的对应转向角度。因此，从主舵或辅助舵接收到的所要求的转向角度可以转换成辅助角度传感器的对应角度输出值。随后，辅助控制单元可以控制转向系统并致动辅助电马达以使推进单元朝向所要求的转向角度旋转。当从辅助角度传感器检测到的角度输出值对应于计算出的角度传感器输出值时，则已经实现了所要求的转向角度，并使辅助电马达停止。
如果辅助转向系统设置有外部机械指示器，则该机械指示器可设置有挡板(bezel)。当船舶正在向正前行驶时，操作员可以转动挡板使得指示器的位置匹配挡板上的基准位置，以指示推进单元的近似船体中部位置。这样，机械指示器可以补偿当前转向角度和辅助角度传感器的默认船体中部位置之间的初始差异。
在上面的示例中，已经假定检测到的对应于推进单元的真实转向角度的输出值可以从主传动装置中的主角度传感器和/或主电马达中的角度编码器中得到。当辅助转向系统运行时，所要求的转向角度可以从操作员发送到辅助控制单元。辅助角度传感器用于实现所要求的转向角度所需的位移，通过辅助控制单元，基于代表多个所存储的基准角度的所存储的辅助角度传感器输出值来确定。然后，控制辅助电马达来转向推进单元到操作员要求的转向角度。
上面给出的示例基本指向全向船内性能系统(IPS)或类似的可转向的推进单元。但是，本发明也适用于其他推进系统，将与附图一起描述。
根据本发明的第二方面，如上所述，所述目的是通过在海洋船舶中的电转向系统来实现的。
转向系统包括主转向系统，该主转向系统包括主电马达和主电源，例如主电池，该主电源向第一电马达提供电力，用于转向控制。主制动器可以布置为与主电马达相邻并且可控，从而允许或阻止主电马达和用于转向推进单元的转向传动装置的输入轴的旋转。主控制单元布置成响应于来自操作员的输入来转向推进单元，并监视主转向系统状态。主控制单元可以布置成响应于操作员的输入来转向推进单元。
转向系统进一步包括辅助转向系统，该辅助转向系统包括辅助电马达和辅助电池，该辅助电池向第二电马达提供电力。辅助离合器布置成将辅助电马达的驱动轴连接到传动装置的输入轴，以便转向推进单元。辅助转向系统优选包括辅助控制单元，该辅助控制单元布置成响应于来自操作员的输入来控制推进单元的转向。辅助控制单元可以布置成响应于来自主舵的输入来转向推进单元。可替代地，辅助转向系统包括辅助舵，该辅助舵布置成响应于来自操作员的输入来转向推进单元。辅助舵可以包括摇臂开关，例如，该摇臂开关可以安装在主舵附近或在发动机舱中。例如，摇臂开关可以用弹簧加载到空档位置。
辅助控制单元可以包括印刷电路板(PCB)，该印刷电路板机械地支撑并电连接电子部件或电气部件。PCB包括一些逻辑功能和存储功能。电源由辅助电池提供。PCB也响应于从主舵和/或辅助舵的输入来控制辅助转向系统。
辅助电马达可以连接到可见的机械指示器，该机械指示器指示真实的转向角度。指示器可以安装在包含辅助转向系统的外壳上。为了将辅助电马达的旋转运动转换成适合于转盘的单圈运动，该马达通过辅助传动装置(诸如行星传动装置)连接到机械指示器。选择辅助传动装置的传动比，使得将电马达将推进单元从一个端位置转向到另一个端位置所需的总圈数转换到一个单圈(360°)。辅助传动装置的传动比取决于主传动装置的传动比和推进单元端位置间的最大转向角。例如，如果主电马达需要150圈来使推进单元在其端位置之间旋转，那么辅助传动装置可以给出1:150的传动比。那么当推进单元在其端位置之间旋转时，辅助传动装置的输出轴将转动一个单圈。
如果辅助转向系统带有外部机械指示器，则该机械指示器可以设置有挡板。例如，当船舶正在向正前行驶，并且指示器不与指示转向角度的刻度上的0°处的船体中部位置重合，操作员可以转动挡板使得指示器的位置匹配挡板上的基准位置，以指示推进单元的近似船体中部位置。这样，机械指示器可以补偿当前转向角度和在致动辅助离合器的致动时的辅助角度传感器的默认船体中部位置之间的初始差异。
在推进单元的驱动单元启动期间，辅助控制单元可以布置成检测并存储对应于船体中部位置的基准转向角度，或另一个预定的默认位置。辅助控制单元可以使用呈单转/圈电位器形式的辅助角度传感器或类似的合适的轴旋转传感器来检测并监视转向角度。轴旋转传感器可以布置在辅助传动装置的输出轴处，并连接到PCB板。
驱动单元的启动可以涉及摇动内燃机或给电驱动单元的动力电子电路通电。在启动期间，主控制单元可以对主转向系统进行诊断测试，以确定该主转向系统的状态和该主转向系统是否可操作的。在诊断测试期间，接合辅助离合器。当转向系统包含主制动器时，主制动器在辅助离合器接合时脱离接合。在测试期间，对辅助角度传感器进行了校准。在校准期间，操作主电马达以将推进单元从默认船体中部位置移动到一个或多个任意位置并回到船体中部位置。这允许辅助角度传感器检测并存储船体中部位置和至少一个进一步的位置作为基准转向角度，以防主控制单元确定主转向系统是不可操作的。如果诊断测试的这一部分不能执行，则使用以前存储的基准角度值。当诊断测试成功执行后，辅助离合器脱离接合，并且恢复转向系统的正常操作。
当主转向系统可操作时，指示转向角度的信号从主角度传感器发送到主控制单元和主舵处的显示器，以便告知操作员当前转向角度。当主转向系统不可操作时，辅助转向系统接管，并且转向角度替代地由机械指示器和/或由从辅助角度传感器到主舵的信号来指示。可替代地，或另外，指示转向角度的信号可以从辅助控制单元发送到主舵附近的显示器。
根据一个示例，辅助离合器的输出轴可以机械地直接连接到主电马达的驱动轴。如果主电马达的驱动轴沿竖直方向布置，并支撑在主转向系统外壳中的轴承中，那么包含辅助电马达的外壳可直接安装在主电马达外壳的顶部。在这种情况下，主电马达和辅助电马达的驱动轴是同轴的。这使得辅助转向系统可以被改装到现有的主转向系统上。
根据可替代的示例，辅助离合器的输出轴可以通过合适的齿轮(诸如角齿轮或锥齿轮)机械连接到主电马达的驱动轴。这样，包含辅助电马达的外壳就可以以任何合适的角度安装到主电马达的外壳上，例如其中辅助电马达的驱动轴水平布置。辅助转向系统相对于主转向系统的位置可以由可转向的推进单元相邻的可用空间决定。
根据本发明的第三方面，所述目的是通过具有至少一个可转向推进单元的海洋船舶实现的，该可转向推进单元包括上述电转向系统。
根据本发明的电转向系统的优点是，在一个或多个额外的推进单元不可作为备援转向装置的情况下，该电转向系统为单装推进单元和多装推进单元两者提供了可靠且紧凑的转向装置。对于包括多个推进单元的装备，该系统将提供跛行功能，同时为可替代的备用系统减少系统复杂性和空间要求。根据本发明的辅助转向系统可以安装到现有的电转向系统上，而不需要进行重大修改，并且可以完全独立于主转向系统。辅助转向系统除了提供自身的电源外，还包括备用转向角度传感器，在辅助转向系统中出现电子故障时，该转向角度传感器继而可以由机械转向角度指示器顶替。另一个优点是，根据系统故障的程度，辅助转向系统允许船舶能够从多个位置被控制。通过这种方式，电转向系统可以变得可靠，因为它包含多个级别的备用选项。
本发明的进一步优点和优势特征在以下描述和从属权利要求中公开。
附图说明
参考附图，下面是作为示例引用的本发明的实施例更详细的描述。
在图中：
图1A至图1C示意性地示出了根据本发明的包括电转向系统的船舶；
图2A至图2B示出了连接到主转向系统的根据本发明的辅助转向系统示意图；以及
图3示出了根据本发明的转向系统的操作的示意图。
具体实施方式
图1A示出了示意性图示的船舶100，该船舶包括根据本发明的电转向系统。船舶100包括驱动单元101，该驱动单元通过驱动轴102与船内性能系统(IPS)110连接。在这个示例中，驱动单元101是内燃机，其中来自驱动单元101的排气管道(未示出)进入IPS 110的固定上部111的排气进口103。排气穿过IPS 110，并通过IPS 110的可转向的下部112的后端处的排气端口104从水面下方离开。在此示例中，下部112是可转向的吊舱，该可转向的吊舱具有反向旋转的朝向前方的螺旋桨113、114，该前向螺旋桨113、114通过合适的节气门控制器(诸如操纵杆或杠杆)由主舵(见图2A)操作。IPS 110的上部111包括传动装置115，该传动装置通过中间轴(未示出)将扭矩从驱动轴102传递到一对同轴螺旋桨轴，该中间轴穿过可转向的下部112的旋转轴线。IPS 110的上部111进一步包括电转向系统116，该电转向系统可以通过合适的转向控制器(诸如操纵杆或可旋转轮)由主舵(见图2A)操作。电马达(见图2A)驱动使下部112旋转的传动装置。固定的上部111和可转向的下部112在船舶的船体附近连结，并且设置有水密密封件117，该水密密封件允许该固定的上部111和可转向的下部112的相对旋转。
图2A示出了包括主转向系统220和辅助转向系统230的电转向系统216的示意图。如图2A所示，电转向系统216是船内性能系统(IPS)210的一部分，该电转向系统包括固定的上部211和可转向的下部212。图2A进一步示出了驱动单元201，该驱动单元通过驱动轴202连接到IPS 210的上部211。上部211包括传动装置215，其显示为锥齿轮，该传动装置用于通过中间竖直轴205向IPS 210的下部212传递扭矩。下部212绕竖直轴205的X轴线旋转。另一个传动装置206将扭矩传递给一对反向旋转的前向螺旋桨213、214。在此示例中，下部212是具有反向旋转的前向螺旋桨213、214的可转向的吊舱，该前向螺旋桨213、214通过节气门控制器241(诸如操纵杆或杠杆)从主舵操作。
主转向系统220位于IPS 210的上部211中，该主转向系统可以通过转向控制器242(诸如操纵杆或可旋转轮)从主舵操作。在本示例中，主转向系统220包括主电马达221和可控制的主制动器222。主制动器222可以通过弹簧加载进入接合状态，并可通过螺线管切换到脱离接合状态。当接合时，主制动器222防止主电马达221和转向传动装置223的输入轴228的旋转，以便将推进单元锁定到位，其中该旋转会导致下部212的旋转。当操作船舶和/或响应于转向命令时，主制动器222脱离接合。转向传动装置223包括至少一个小齿轮224，该小齿轮驱动环形齿轮225，该环形齿轮固定到下部212，并且以竖直轴205的X轴线为中心。位置传感器226(诸如旋转解析器或编码器)被设置为检测环形齿轮225的位置，从而检测下部212的转向角度。这个角度也称为推进单元的转向角度。主转向系统220连接到呈主电池229形式的主电源。主电池229可以是船舶的主电源的一部分，也可以是仅由主转向系统220使用的一个单独的电池。在后一种情况下，驱动单元可以由起动器电池209(虚线所示)摇动。
辅助转向系统230邻近IPS 210的上部211中的主转向系统220定位。辅助转向系统230包括辅助电马达231和可控制的辅助离合器232。辅助离合器232通常是脱离接合的，并将辅助电马达231连接到使下部212旋转的转向传动装置223。在图2A的示例中，辅助离合器232具有输出轴233，该输出轴与主电马达221的驱动轴同轴。这样，辅助离合器232的输出轴233被驱动地连接到主电马达221的驱动轴并连接到主制动器222。当接合时，辅助离合器232将辅助电马达231连接到小齿轮224，以驱动固定到下部212的环形齿轮225。在辅助电马达231的相对于辅助离合器232的另一侧上，辅助电马达231的驱动轴235连接到行星传动装置234。行星传动装置234的传动比足以把辅助电马达231的旋转转换成对应于推进单元的旋转的旋转。位置传感器236(诸如单圈电位器)布置在行星传动装置234的输出轴237处，以检测输出轴237的角度位置。最后，输出轴237连接到机械指示器238，诸如安装在辅助转向系统230外壳上的转盘。机械指示器238显示推进单元的当前转向角度。辅助转向系统230连接到呈辅助电池239形式的电源。如果主电源中发生故障，则辅助电池239作为备用电源。
主转向系统220由主控制单元或舵控制单元(HCU)240控制。HCU 240接收来自主舵处的转向控制器242的转向角度要求，并向主转向系统220发送控制信号以驱动主电马达221。主电马达221被操作为驱动小齿轮224和固定到下部212的环形齿轮225。位置传感器226检测环形齿轮225的位置，并将下部212的当前转向角度发送回到HCU 240。当达到所要求的转向角度时，主电马达221停止。HCU 240还连接到驱动单元201上的发动机控制单元(ECU)243。HCU 240接收来自主舵处的节气门控制器241的节气门要求，并向ECU 243发送控制信号，该ECU 243向反向旋转的前向螺旋桨213、214输出所要求的输出扭矩。位于IPS 210的上部211中的主转向系统220可以通过转向控制器242(诸如操纵杆或可旋转轮)从主舵操作。根据可替代的示例，节气门和转向控制可以由呈操纵杆形式的单个控制器(未示出)执行。在图2A中，虚线表示控制信号或传感器信号的配线、线束或CAN总线。一般来说，来自主转向系统220的配线连接到主控制单元240，而来自辅助转向系统230的配线连接到辅助控制单元244。此外，辅助控制单元244连接到主控制单元240，以便共享有关转向要求、检测到的转向角度的数据以及主系统和辅助系统之间的其他相关数据。
当在主转向系统220中检测到故障时，辅助转向系统230可以由HCU 240或辅助转向系统230中的辅助控制单元244控制。辅助控制器245可以位于主舵处，在发动机舱中，在电转向系统230上或邻近该电转向系统230，或在可替代的合适位置。辅助控制单元245可以是印刷电路板(PCB)，该辅助控制单元包括一些逻辑功能和用于在电力故障时存储数据的存储器功能。电源由辅助电池239提供。PCB响应于主舵处的转向控制器242和/或辅助控制器245的输入控制辅助转向系统230。
当在主转向系统220中检测到故障时，HCU 240将发送控制信号，以断开辅助离合器232。主制动器222维持接通，以执行转向。如果使用主舵，则HCU 240从主舵处的转向控制器242接收转向角度要求。响应于转向角度要求，辅助转向系统230中的辅助控制单元244致动辅助电马达231。操作辅助电马达231，以驱动小齿轮224和固定到下部212的环形齿轮225。位置传感器226检测环形齿轮225的位置，并将下部212的当前转向角度发送回到HCU240。当达到所要求的转向角度时，辅助电马达231自动停止。
如果使用辅助控制器245，则辅助控制单元244接收该控制器的转向角度要求并发送控制信号，以驱动辅助电马达231。辅助转向系统230中的位置传感器236检测行星传动装置234的输出轴237的位置，并将下部212的当前转向角度发送回到辅助控制单元244和HCU240。可替代地，可以从主电马达中的编码器227的输出信号中检索对应的真实角度或量级，该编码器连接到HCU 240。环形齿轮225上的位置传感器226也可用于此目的。位置传感器可用于备用，以防某个传感器故障。
取决于辅助控制器245的位置，操作员可以监视在机械指示器238上或主舵处的显示器上的当前转向角度。当达到所要求的转向角度时，操作员手动停止辅助电马达231。
图1B示出了示意性的船舶100.1，该船舶包括根据本发明的第一可替代实施例的电转向系统。船舶100.1包括通过驱动轴102.1连接到船尾驱动机110.1的驱动单元101.1。在本示例中，驱动单元101.1是安装在船舶100.1的船体内的内燃机。船尾驱动机110.1包括固定的外部部分111.1和可转向的外部部分112.1，其中该固定的外部部分111.1附接到船舶后部处的横梁104.1，该可转向的外部部分112.1通过枢轴118.1附接到固定的外部部分111.1。在本示例中，可操纵的外部部分112.1是具有反向旋转的后向螺旋桨113.1、114.1的可转向的推进单元，所述后向螺旋桨113.1、114.1通过合适的节气门控制器(诸如操纵杆或杠杆)从主舵(未示出)操作。船尾驱动机110.1的固定的外部部分111.1支撑连接到驱动轴102.1的传动装置115.1。传动装置115.1包括万向节，该万向节继而连接到锥齿轮，以驱动中间轴106.1。传动装置115.1允许扭矩从驱动轴102.1通过中间轴106.1和可转向的外部部分112.1中的一对锥齿轮108.1、109.1传递到一对同轴的螺旋桨轴107.1。可转向的外部部分112.1的旋转轴线穿过万向节，允许可转向的外部部分112.1旋转，例如，相对于船舶的纵向轴线旋转+/-30°。船尾驱动机110.1进一步包括电转向系统116.1，该电转向系统116.1可以通过合适的转向控制器(诸如操纵杆或可旋转轮)从主舵(未示出)操作。电马达(见图2B)驱动转向传动装置，该转向传动装置使可转向的外部部分112.1旋转。固定的外部部分111.1和可转向的外部部分112.1通过枢转机构连结，该枢转机构允许该固定的外部部分111.1和可转向的外部部分112.1的相对旋转。
图2B示出了包括主转向系统220.1和辅助转向系统230.1的电转向系统216.1的示意图。如图2B所示，电转向系统216.1连接到由固定的外部部分211.1和可转向的外部部分212.1组成的船尾驱动机210.1。图2B进一步示出了驱动单元201.1，该驱动单元201.1通过驱动轴202.1连接到船尾驱动机210.1的固定的外部部分211.1。固定的外部部分211.1包括传动装置(见图1B)，该传动装置用于通过船尾驱动机210.1的可转向的外部部分212.1中的中间竖直轴传递扭矩。可转向的外部部分212.1围绕附接到固定的外部部分211.1的基本竖直枢轴218.1的轴线X1旋转。在本示例中，可转向的外部部分212.1是具有反向旋转的前向螺旋桨的可转向的推进单元，所述前向螺旋桨通过合适的节气门控制器(诸如操纵杆或杠杆)从主舵操作。
主转向系统220.1邻近船尾驱动机210.1的固定的外部部分211.1定位，并且可以通过转向控制器242.1(诸如操纵杆或可旋转轮)从主舵操作。在本示例中，主转向系统220.1包括主电马达221.1和可控制的主制动器222.1。主制动器222.1可通过弹簧加载进入接合状态，并可通过螺线管切换到脱离接合状态。当接合时，主制动器222.1防止主电马达221.1和转向传动装置223.1的输入轴228.1的旋转以便将推进单元锁定在位，其中该旋转会导致可转向的外部部分212.1的旋转。当操作船舶和/或响应于转向命令时，主制动器222.1脱离接合。在本示例中，转向传动装置223.1包括滚珠丝杠装置251.1，该滚珠丝杠装置将主电马达221.1的旋转运动转换成连接到杠杆253.1的臂的线性位移，其中该杠杆253.1附接到可转向的外部部分212.1。滚珠丝杠装置251.1作用于连接件252.1，该连接件操作地连接到杠杆253.1的自由端处的引导销，将其附接到可转向的外部部分212.1。这样，主电马达221.1的旋转导致滚珠丝杠装置251.1的线性延伸。这导致杠杆253.1的位移，该杠杆253.1的位移继而导致可转向的外部部分212.1围绕枢轴218.1旋转角度α。
设置合适的位置传感器226.1(如霍尔传感器、旋转解析器或编码器)，以检测滚珠丝杠装置251.1的位置以及线性延伸。这允许确定可转向的外部部分212.1的转向角度α。该角度也称为推进单元的转向角度α，并被表示为相对于基准线的正或负的角度，该基准线与船舶的纵向轴线重合。主转向系统220.1连接到呈主电池229.1形式的主电源。主电池229.1可以是船舶的主电源的一部分，也可以是仅由主转向系统220.1使用的单独电池。在后一种情况下，驱动单元可以由起动器电池209.1(虚线所示)摇动。
辅助转向系统230.1邻近船尾驱动机210.1的固定的外部部分211.1附近的主转向系统220.1定位。辅助转向系统230.1包括辅助电马达231.1和可控制的辅助离合器232.1。辅助离合器232.1通常脱离接合，并且将辅助电马达231.1连接到转向传动装置223.1，该转向传动装置使可转向的外部部分212.1旋转。在图2B的示例中，辅助离合器232.1具有输出轴233.1，该输出轴与主电马达221.1的驱动轴同轴。这样，辅助离合器232.1的输出轴233.1被驱动地连接到主电马达221.1的驱动轴并连接到主制动器222.1。当接合时，辅助离合器232.1将辅助电马达231.1连接到小齿轮224.1，以驱动固定到可转向的外部部分212.1的环形齿轮225.1。在辅助电马达231.1的相对于辅助离合器232.1的另一侧上，辅助电马达231.1的驱动轴235.1连接到行星传动装置234.1。行星传动装置234.1的传动比足以将辅助电马达231.1的旋转转换成对应于推进单元的旋转的旋转。位置传感器236.1(诸如单圈电位器)布置在行星传动装置234.1的输出轴237.1处，以检测输出轴237.1的角度位置。最后，输出轴237.1连接到机械指示器238.1，诸如安装在辅助转向系统230.1的外壳上的转盘。机械指示器238.1示出推进单元的当前转向角度。辅助转向系统230.1连接到呈辅助电池239.1形式的电源。当主电源中发生故障时，将辅助电池239.1用作备用电源。
主转向系统220.1由主控制单元或舵控制单元(HCU)240.1控制。HCU 240.1接收来自主舵处的转向控制器242.1的转向角度要求，并向主转向系统220.1发送控制信号，以驱动主电马达221.1。操作主电马达221.1，以驱动滚珠丝杠装置251.1，该滚珠丝杠装置驱动地连接到可转向的外部部分212.1。位置传感器226.1检测滚珠丝杠装置251.1的位置，并将可转向的外部部分212.1的当前转向角度发送回到HCU 240.1。当达到所要求的转向角度α时，主电马达221.1停止。HCU 240.1还连接到驱动单元201.1上的发动机控制单元(ECU)243.1。HCU 240.1接收来自主舵处的节气门控制器241.1的节气门要求，并向ECU 243.1发送控制信号，该ECU 243.1向反向旋转的后向螺旋桨输出所要求的输出扭矩。位于船尾驱动机210.1的固定的外部部分211.1附近的主转向系统220.1可以通过转向控制器242.1(诸如操纵杆或可旋转轮)从主舵操作。根据可替代的示例，节气门和转向控制可以由呈操纵杆形式的单个控制器(未示出)执行。在图2B中，虚线表示控制信号或传感器信号的配线、线束或CAN总线。一般来说，来自主转向系统220.1的配线连接到主控制单元240.1，而来自辅助转向系统230.1的配线连接到辅助控制单元244.1。此外，辅助控制单元244.1连接到主控制单元240.1，以便共享有关转向要求、检测到的转向角度的数据以及主系统和辅助系统之间的其他相关数据。
当在主转向系统220.1中检测到故障时，辅助转向系统230.1可以由HCU 240.1或辅助转向系统230.1中的辅助控制单元244.1控制。辅助控制器245.1可以位于主舵处，在发动机舱中，在电转向系统230.1上或邻近该电转向系统230.1或在可替代的合适位置。辅助控制单元245.1可以是印刷电路板(PCB)，该辅助控制单元包括一些逻辑功能和用于在电力故障时存储数据的存储器功能。电源由辅助电池239.1提供。PCB响应于主舵处的转向控制器242.1和/或辅助控制器245.1的输入，控制辅助转向系统230.1。
当在主转向系统220.1检测到故障时，HCU 240.1将发送控制信号以断开辅助离合器232.1。主制动器222.1维持接通以执行转向。如果使用主舵，则HCU 240.1从主舵处的转向控制器242.1接收转向角度要求。响应于转向角度要求，辅助转向系统230.1中的辅助控制单元244.1致动辅助电马达231.1。操作辅助电马达231.1以驱动滚珠丝杠装置251.1和固定到可转向的外部部分212.1的杠杆253.1。位置传感器226.1检测滚珠丝杠装置251.1的位置并将可转向的外部部分212.1的当前转向角度发送回到HCU 240.1。当达到所要求的转向角度时，辅助电马达231.1自动停止。
如果使用辅助控制器245.1，则辅助控制单元244.1接收该控制器的转向角度要求并发送控制信号，以驱动辅助电马达231.1。辅助转向系统230.1中的位置传感器236.1检测行星传动装置234.1的输出轴237.1的位置，并将可转向的外部部分212.1的当前转向角度发送回到辅助控制单元244.1和HCU 240.1。可替代地，可以从主电马达中的编码器227.1的输出信号中检索对应的真实角度或量级，该编码器连接到HCU 240.1。滚珠丝杠装置251.1上的位置传感器226.1也可用于此目的。位置传感器可用于备用，以防某个传感器故障。
取决于辅助控制器245.1的位置，操作员可以监视在机械指示器238.1上或主舵处的显示器上的当前转向角度。当达到所要求的转向角度时，操作员手动停止辅助电马达231.1。
图1C示出了示意性的船舶100.2，该船舶包括根据本发明的第二可替代实施例的电转向系统。船舶100.2包括一对驱动单元101.2，该一对驱动单元101.2呈安装到船舶100.2的后部处的横梁104.2的船外发动机110.2的形式。船外发动机110.2各自包括固定的部分111.2和可转向部分112.2，其中该固定的部分111.2附接到横梁104.2，该可转向部分112.2通过枢轴(由相应的轴线X1表示)附接到固定的部分111.2。这种布置允许使可转向部分112.2相对于船舶的纵向轴线绕所述枢轴旋转+/-30°。在这个示例中，驱动单元101.2是内燃机，其中来自驱动单元101.2的排气管道(未示出)穿过船外发动机110.2的竖直艏柱(vertical stems)，并通过一对后向螺旋桨113.2在水面下方离开，其中该一对后向螺旋桨113.2通过合适的节气门控制器(诸如操纵杆或杠杆)从主舵242.2操作。从驱动单元101.2到船外发动机中的螺旋桨轴传递扭矩的传动装置在本领域中是众所周知的，将不会进一步详细描述。
至少一个船外发动机110.2进一步包括电转向系统(未示出)，该电转向系统可以通过合适的转向控制器(诸如操纵杆或可旋转轮)从主舵242.2操作。图2B所示的示意性示出的电转向系统可应用于图1C中的船舶的驱动单元，并可用于使至少一个船外发动机110.2转向。
在船外发动机的情况下，电转向系统的可替代装置可以涉及在驱动单元本身内，安装主电马达和辅助电马达及它们的相关联的传动装置部件。根据一个示例，电马达可以放置成与连接可转向的部分112.2和固定的部分111.2的枢轴成一线。
图3示出了说明在包括可转向的推进单元的海洋船舶中的转向系统的操作期间响应于在主转向系统中检测到故障而执行的步骤的示意图。在操作中，如上所述用于操作电转向系统的过程涉及以下步骤。该过程参考由图2A中的附图标记指示的部件进行描述。
在第一步骤301中，检测到驱动单元的启动。启动可能涉及摇动内燃机或对由高压电池组操作的电驱动单元的动力电子电路通电。启动时间可能需要几秒钟。
在第二步骤302中，主控制单元在启动期间对主转向系统进行诊断测试，以确定其状态以及是否可操作。在诊断测试期间，主制动器脱离接合，并且辅助离合器接合。在测试期间，操作主电马达以将推进单元从其默认船体中部位置移动到船体中部位置一侧的第一位置，然后移动到船体中部位置另一侧的第二位置，并且最后回到船体中部位置。这允许辅助转向系统中的辅助角度传感器来检测船体中部位置和至少一个进一步的位置作为基准转向角度。将代表角度位置的传感器信号发送到辅助控制单元。
辅助控制单元244可以是印刷电路板(PCB)，并且该辅助控制单元布置成在推进单元的驱动单元启动期间，在执行诊断测试的同时存储对应于船体中部位置的基准转向角度。PCB 244可以使用辅助转向单元230中的辅助角度传感器来检测并监视转向角度。该轴旋转传感器可以布置在辅助传动装置的输出轴处，并且连接到PCB，该PCB存储船体中部位置作为基准角度。如果出于任何原因，诊断测试的这一部分不能执行，则可以使用之前存储在PCB中的值作为基准角度。诊断测试的结果在后续步骤中进行评估。
在第三步骤303中，主控制单元确定诊断测试是否已完成以及主转向系统是否可操作。如果主转向系统在诊断测试结束时被认为是可操作的，则该过程前进到步骤309。在此步骤中，主制动器和辅助离合器脱离接合，并恢复主转向系统的正常操作。指示转向角度的信号从主角度传感器发送到主控制单元和主舵处的显示器，以便告知操作员当前转向角度。然后操作员可以通过主舵控制主转向系统。
但是，如果在诊断测试结束时，主转向系统被认为不可操作，则该过程前进到第四步骤304，并启动辅助转向系统230的操作。在第四步骤304中，维持主制动器脱离接合，并且辅助离合器接合。主转向系统从而从转向传动装置和可转向的推进单元断开。转向传动装置现在可以由辅助马达控制。
在第五步骤305中，在诊断测试期间检测并存储的基准转向角度由PCB 244检索。如果诊断测试未完成，则从先前最后成功执行的诊断测试中检索先前存储的基准角度值。当在启动期间检测到故障时，推进单元和辅助角度传感器两者都位于它们的默认船体中部位置。在诊断测试结束时，代表角度传感器(在这种情况下该角度传感器是单圈电位器)的当前位置的基准角度对应于可转向的推进单元的正前方，或者船体中部位置。这样，对辅助转向系统的角度传感器进行了校准，并承担主转向角度传感器的功能。当使用辅助舵(本示例中为摇臂开关)进行转向时，代表正前方位置的转向角度由辅助转向系统的外壳上的机械指示器指示。可替代地，代表正前方位置的转向角度可以发送到主舵，在那里它被显示给操作员。
在第六步骤306中，然后，操作员可以根据需要从辅助舵，或从主舵控制主转向系统。在本示例中，使用的是主舵，由此来自操作员的转向角度命令发送到PCB。PCB将向期望的方向控制辅助转向马达，同时监视来自辅助角度传感器的转向角度信号。在第七步骤307中，PCB将当前转向角度与来自操作员的期望的转向角度命令进行比较。PCB将向期望的方向控制辅助转向马达，直到当前转向角度对应于期望的转向角度。当到达期望的转向角度时，过程前进到第八步骤308并结束。
应当理解的是，本发明不限于上述和图中所示的实施例；更确切地说，技术人员将认识到在所附权利要求书的范围内可以进行许多改变和修改。

Claims (15)

1.一种控制包括至少一个可转向推进单元的海洋船舶中的电转向系统的方法，所述电转向系统包括：
-主转向系统(220；220.1)，所述主转向系统(220；220.1)包括主电马达(221；221.1)和主电源(229；229.1)，所述主电源(229；229.1)用于向所述主转向系统(220；220.1)提供电力；
-主转向角度传感器(226；226.1)，所述主转向角度传感器(226；226.1)被布置成检测所述推进单元的转向角度；
-主控制单元(240；240.1)，所述主控制单元(240；240.1)被布置成响应于来自操作员的输入来转向所述推进单元，并且监视所述主转向系统(220；220.1)的状态；
-辅助转向系统，所述辅助转向系统包括辅助电马达(231；231.1)和辅助电池(239；239.1)，所述辅助电池(239；239.1)用于向所述辅助转向系统提供电力；以及
-辅助离合器(232；232.1)，所述辅助离合器(232；232.1)被布置成将所述辅助电马达(231；231.1)的驱动轴连接到转向传动装置(223；223.1)的输入轴，以使所述推进单元转向；
其特征在于以下步骤：
-在所述推进单元启动时，接合所述辅助离合器(232；232.1)；
-在启动所述推进单元期间，执行所述主转向系统(220；220.1)的诊断测试；
-对所述辅助转向系统中的辅助转向角度传感器(236；236.1)执行校准；以及
-在所述诊断测试完成时脱离接合所述辅助离合器(232；232.1)。
2.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，通过使用所述主转向角度传感器(226；226.1)来测量多个基准转向角度，从而校准所述辅助转向角度传感器(236；236.1)；并且在辅助控制单元(244；244.1)中存储来自所述辅助转向角度传感器(236；236.1)的针对每个基准转向角度的输出值。
3.根据权利要求2中所述的方法，其特征在于，在所述推进单元的启动期间，针对对应于船体中部位置的基准转向角度以及至少一个其它转向角度存储角度传感器输出。
4.根据权利要求1到3中的任一项所述的方法，其特征在于，在所述诊断测试期间，当在所述主转向系统(220；220.1)中检测到故障时，维持所述辅助离合器(232；232.1)接合。
5.根据权利要求4中所述的方法，其特征在于，使用所述辅助控制单元来控制所述转向系统，并且使用所存储的基准角度输出值和来自所述辅助转向角度传感器(236；236.1)的检测到的角度输出值来计算所述推进单元的所述转向角度。
6.根据权利要求1到3中的任一项所述的方法，其特征在于以下步骤：
-在所述船舶操作期间，检测所述主转向系统(220；220.1)中的故障；以及
-在接合所述辅助离合器(232；232.1)之前，将所述辅助转向角度传感器(236；236.1)旋转到对应于所述推进单元的当前转向角度的角度位置。
7.根据权利要求6中所述的方法，其特征在于以下进一步的步骤：
-使用所存储的基准角度输出值，计算所述辅助转向角度传感器(236；236.1)的对应于所述推进单元的当前转向角度的所述角度输出值；
-控制所述辅助马达，以将所述辅助转向角度传感器(236；236.1)旋转到对应于所述推进单元的当前转向角度的角度位置；
-接合所述辅助离合器(232；232.1)；以及
-使用所述辅助控制单元来控制所述转向系统，并且使用所存储的基准角度输出值和来自所述辅助转向角度传感器(236；236.1)的检测到的角度输出值来计算所述推进单元的转向角度。
8.根据权利要求1到3中的任一项所述的方法，其特征在于以下步骤：
-在所述船舶的操作期间，检测所述主转向系统(220；220.1)中的故障；
-接合所述辅助离合器(2232；232.1)；
-在接合时，将所述辅助转向角度传感器(236；236.1)的输出值设置成等于所述推进单元的当前转向角度；以及
-使用所述辅助控制单元来控制所述转向系统，并且使用所存储的基准角度输出值和来自所述辅助转向角度传感器(236；236.1)的检测到的角度输出值来计算所述推进单元的转向角度。
9.根据权利要求1到8中的任一项所述的方法，其特征在于以下进一步的步骤：
-将来自操作员的要求的转向角度发送至所述辅助控制单元；
-基于所存储的辅助转向角度传感器(236；236.1)的代表多个基准角度的角度输出值，确定所述辅助转向角度传感器(236；236.1)的所需的位移，以实现所要求的转向角度，
-控制所述辅助电马达(231；231.1)，以将所述推进单元转向到所述操作员所要求的转向角度。
10.一种包括至少一个可转向推进单元的海洋船舶中的电转向系统，所述电转向系统包括：
-主转向系统(220；220.1)，所述主转向系统(220；220.1)包括主电马达(221；221.1)和主电源，所述主电源用于向所述主转向系统(220；220.1)提供电力；
-主转向角度传感器(226；226.1)，所述主转向角度传感器(226；226.1)检测所述推进单元的转向角度；
-主控制单元(240；240.1)，所述主控制单元(240；240.1)被布置成响应于来自操作员的输入来致动所述主电马达(221；221.1)，以转向所述推进单元，并监视所述主转向系统(220；220.1)的状态；
其特征在于，所述电转向系统进一步包括：
-辅助转向系统(230)，所述辅助转向系统(230)包括辅助电马达(231；231.1)和辅助电池，所述辅助电池用于向所述辅助转向系统提供电力；以及
-辅助离合器(232；232.1)，所述辅助离合器(232；232.1)被布置成将所述辅助电马达(231；231.1)的驱动轴连接到转向传动装置(223；223.1)的输入轴，以使所述推进单元转向；以及
-辅助控制单元(244；244.1)，所述辅助控制单元(244；244.1)被布置成响应来自操作员的输入来致动所述辅助电马达(231；231.1)，以使所述推进单元转向；
其中，所述辅助离合器(232；232.1)被布置成：在所述主转向系统(220；220.1)中检测到错误时，所述辅助离合器(232；232.1)被接合。
11.根据权利要求10中所述的电转向系统，其特征在于，所述辅助控制单元被布置成检测并存储所述辅助转向角度传感器(236；236.1)的对应于多个基准转向角度的输出值，所述基准转向角度在所述推进单元启动期间由所述主转向角度传感器(226；226.1)测量。
12.根据权利要求11中所述的电转向系统，其特征在于，所述辅助转向角度传感器(236；236.1)位于与所述辅助电马达(231；231.1)连接的辅助传动装置的输出轴上。
13.根据权利要求12中所述的电转向系统，其特征在于，所述辅助转向角度传感器(236；236.1)是单圈电位器。
14.根据上述权利要求10-13中的任一项所述的电转向系统，其特征在于，所述辅助电马达(236；236.1)与所述主电马达(221；221.1)的驱动轴同轴。
15.一种具有可转向的推进单元的海洋船舶，其包括根据权利要求10中所述的电转向系统。
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