李 麗，李素文,2，朱永懷，俞萬能,2

(1.集美大學(xué)輪機工程學(xué)院，福建 廈門 361021，2.福建省船舶與海洋工程重點實驗室，福建 廈門 361021)

0 引言

隨著船舶推進技術(shù)的發(fā)展，電力推進系統(tǒng)成為船舶技術(shù)發(fā)展的研究熱點，全電動船也成為面對當今能源范式的有效解決方案[1-2]。全電艇將動力電池作為全艇的動力來源，克服了傳統(tǒng)柴油機船舶的排放缺陷，具有無噪聲、無污染、高效率的特點，符合節(jié)能減排的要求[3-5]。吊艙式推進器作為一種新型的船舶推進系統(tǒng)，具有推進效率高，節(jié)省船舶艙室空間，機動性好的特點，能充分發(fā)揮電力推進系統(tǒng)的優(yōu)越性，可以有效提高船舶的使用效能和總體性能[6-10]。因此，本文結(jié)合小型吊艙式推進器開發(fā)基于DSP(digital sigual processing)推進控制系統(tǒng)，設(shè)計并應(yīng)用于樣船的小型全電艇動力總成系統(tǒng)。

1 樣船參數(shù)要求

樣船為小型全電艇，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。全電艇主要包括船殼、動力電池、吊艙式推進器、DTU/GPS、監(jiān)控攝像頭等硬件設(shè)備，船體質(zhì)量約為90 kg，吃水深度約為0.18m。設(shè)計要求：最大航速9.26 km/h；吊艙推進器旋轉(zhuǎn)角度可達到實際運行要求；經(jīng)濟航速(70%轉(zhuǎn)速/負荷)下續(xù)航時間可以達到2 h。

表1 船體主要參數(shù)

2 動力總成系統(tǒng)設(shè)計

本文針對小型船艇動力總成系統(tǒng)，采用直流無刷電機和數(shù)字舵機，并結(jié)合相關(guān)的電機控制算法，自主設(shè)計適用于小型船艇的吊艙式推進器。采用鋰電池代替?zhèn)鹘y(tǒng)熱機為全艇各系統(tǒng)供電，以DSP(digital signal processing)為核心控制器，采集鋰電池組和推進裝置的數(shù)據(jù)，開發(fā)全電艇推進控制系統(tǒng)。動力總成系統(tǒng)整體框架如圖1所示，研發(fā)流程如圖2所示。

圖1 動力總成系統(tǒng)整體框架圖

圖2 動力總成系統(tǒng)研發(fā)流程圖

選擇一組12V、175 A·h的鋰電池作為動力源為整船供電。由于鋰電池組固定提供12 V直流電，故需經(jīng)過12 V/5 V的降壓電源為DSP控制器供電，經(jīng)過12 V/24 V升壓電源為數(shù)字舵機供電，推進電機選用12 V直流無刷電機，由鋰電池組直接供電。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

直流無刷電機作為全電艇的推進電機，其額定功率為480 W，最大電流為60 A，最大轉(zhuǎn)速為1100 r/min。吊艙式推進器采用基于DSP控制的數(shù)字舵機進行轉(zhuǎn)向控制，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

全電艇運動控制系統(tǒng)以TI公司生產(chǎn)的型號為TMS320F2812的DSP為核心控制器[11]。DSP開發(fā)板內(nèi)部具有2個時間管理器EV模塊，共可產(chǎn)生4路獨立的PWM波形和12路互補的PWM波形；1個ADC采樣模塊；2路SCI串口通信接口；1路局域網(wǎng)通信控制器CAN總線接口。DSP開發(fā)板的A/D模塊采集推進器的電壓、電流信息；時間管理器EVA模塊用于控制數(shù)字舵機；EVB模塊用于控制推進電機；電池管理系統(tǒng)所采集到的電壓、電流、SOC(state of charge)、溫度等電池組信息通過CAN總線通信方式傳輸給DSP控制器；1路串行通信接口SCI配置成SCI-485通信方式與毫米波雷達進行數(shù)據(jù)交互[12-14]。全電艇與上位機的數(shù)據(jù)交互以DTU為傳輸基站，經(jīng)DSP處理后的數(shù)據(jù)信息經(jīng)RS-232串口發(fā)送到DTU，DTU將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IP數(shù)據(jù)或?qū)P數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串口數(shù)據(jù)，通過4G移動通信網(wǎng)絡(luò)傳送到上位機[15]。

全電艇動力總成系統(tǒng)中的直流無刷電機和數(shù)字舵機的控制系統(tǒng)，如圖4、圖5所示。M1為直流無刷電機(推進電機)；M2為數(shù)字舵機；HA為電池狀態(tài)報警器；DC/DC為升壓/降壓電源；Pn為DSP的I/O口；FUn為熔斷器；QFn為空氣開關(guān)；KAn為中間繼電器；KMn為接觸器；其中n=1，2，3，…。DSP通過RS-232串口接收上位機控制指令，當接收到直流無刷電機M1的啟動指令后，DSP開關(guān)信號在P1置位，KA1中間繼電器(5V)線圈得電，常開閉合；驅(qū)動24 V中間繼電器KA6線圈得電，常開閉合；接觸器KM1主觸點閉合，輔助觸點閉合(自鎖)，完成電機啟動命令。數(shù)字舵機啟動原理相同。

圖4 控制系統(tǒng)主電路圖

圖5 數(shù)字艙機控制系統(tǒng)示意圖

4 樣船測試

表2 直流無刷電機運行參數(shù)Tab.2 DCBrushlessmotoroperationparameters檔位Gear船速Shipspeed/(km·h-1)加速時間Accelerationtime/s穩(wěn)定時間Stabilizationtime/s電機轉(zhuǎn)速Motorspeed/(r·min-1)DS1.51.22.0180S3.62.02.5480H6.42.63.5780F9.33.24.51100

為了驗證所設(shè)計的小型全電艇動力總成系統(tǒng)是否滿足性能要求，于2019年4月至7月在福建廈門水上運動中心先后進行了多次航行測試。

4.1 速度性能測試

將水面全電艇航速分為DS檔(微速)、S檔(慢速)、H檔(半速)、F檔(全速)四個檔位，其速度分別為1.5，3.6，6.4，9.3 km/h。電機的具體運行參數(shù)如表2所示。

根據(jù)樣船速度測試數(shù)據(jù)，繪制出速度從零加速到各個檔位的時間-速度圖，如圖6所示。結(jié)合表2和圖6的內(nèi)容可以看出，樣船從零加速至各個檔位的加速時間較短，且加速至各檔位后運行平穩(wěn)，速度無明顯波動。最高檔速度可以達到9.3 km/h，加速時間為3.2 s，滿足最高船速要求。

4.2 轉(zhuǎn)向性能測試

為了驗證數(shù)字舵機控制的靈敏性和準確性，本文分別對設(shè)定航速、轉(zhuǎn)舵角度下的巡回半徑進行了測試。取舵角范圍[-60°,+60°]，分別對不同航速、轉(zhuǎn)舵角度下的轉(zhuǎn)彎半徑進行了測試。在測試過程中，由于沒有航行軌跡繪制圖，所以測試完成后需對MySQL數(shù)據(jù)庫存儲的數(shù)據(jù)進行分析處理。根據(jù)經(jīng)緯度、船速、轉(zhuǎn)舵角度等數(shù)據(jù)作運算分析，結(jié)合航速和航向大小變化進行數(shù)據(jù)擬合，得到樣船運動軌跡圖，如圖7所示。圖中①②③④分別為船速在9.0，6.0，3.5，1.5 km/h時，舵角增加至60°的航行軌跡。并且以此方法得到了不同給定航速、航向下的巡回半徑，如表3所示。表3中，當船速為9.3 km/h，舵角φ>30°時，船舶橫傾角大于15°，海水會漫過全電艇甲板，故未進行測試。圖7和表3的內(nèi)容可以表明，本文所設(shè)計開發(fā)的小型全電艇動力總成系統(tǒng)可以滿足不同航速下轉(zhuǎn)舵的靈活性和準確性要求。

表3 巡回半徑測試數(shù)據(jù)

4.3 續(xù)航能力測試

一般情況下電池最佳運行時間在SOC處于90%～30%之間，為測試所選鋰電池是否能夠滿足全電艇續(xù)航能力要求，剩余續(xù)航力按全電艇運行至SOC為10%計算。在整個樣船試航過程中，以經(jīng)濟航速運行2 h后，電池剩余電量43%，理論剩余續(xù)航力1.7 h。全電艇續(xù)航能力滿足要求，并且續(xù)航時間遠超于期望的續(xù)航時間。

5 結(jié)論

本文以小型水面全電艇動力總成系統(tǒng)為研究對象，將鋰電池組作為動力源為全艇供電，采用數(shù)字舵機和直流無刷電機及相應(yīng)的控制算法，設(shè)計了小型水面全電艇的吊艙式推進器，并將其應(yīng)用在相應(yīng)樣船上；采集電池管理系統(tǒng)和推進器的數(shù)據(jù)，結(jié)合DSP技術(shù)，開發(fā)了相應(yīng)的全艇動力控制系統(tǒng)；根據(jù)全電艇設(shè)計參數(shù)和性能要求，研發(fā)了小型全電艇動力總成系統(tǒng)，并對所設(shè)計樣船進行測試。測試結(jié)果表明，本文自主設(shè)計的小型吊艙式推進器運行正常，控制精度高，轉(zhuǎn)舵靈活；鋰電池組、推進電機、數(shù)字舵機的選型均能滿足水面全電艇性能要求，最高船速可以達到9.3 km/h，經(jīng)濟航速下續(xù)航時間滿足3.7 h，該小型全電艇動力總成系統(tǒng)運行平穩(wěn)。