（电力电子与电力传动专业论文）armdsp嵌入式仿真系统的开发及其在船舶电力推进中的初步应用.pdf

一些在调试中的个人体会，以及对本课题持续开发的展望。 使用带有a r m 子系统和d s p 子系统的双核芯片构建仿真平台， 对推进电机的负 载船机桨动态特性进行实时仿真，并在整个仿真系统的构成上做到交流电机扭 矩闭环控制是本论文的一个创新点;另外把主要用于语音、无线数据实时处理系统 上的a r m 十 d s p 的结构组合用于船舶推进及其他仿真领域，有效解决了仿真精度与仿 真实时性之间的矛盾，这在仿真领域中是种新的创意。 a r m + d s p嵌入式船舶推进系统仿真平台的开发对船舶推进系统仿真提供了一 种新的模式。该硬件平台摒弃了原来以 工控机和p c l 数据采集卡进行仿真的方式， 摆脱了由于非实时操作系统 ( 如wi n d o w s )带来的实时性差，仿真速度慢等缺点。 并对在开发的过程中所涉及的高速数字电路噪声控制技术问 题予以了研究。探索了 船舶电力推进这类复杂系统实时仿真的关键技术，为今后这方面的研究迈出了具有 基础性和开拓性的一步。 关键词:a r m , d s p ， 嵌入式，电力推进 a日stract t h i s p a p e r g i v e s a d e s c r i p t i o n o f r e s e a r c h e s d o n e i n t h e i mp o r t a n t p a r t o f t h e s i mu l a t i o n o f m u l t i mo d e m a r i n e i n t e g r a t e d p o we r s y s t e m a n d e l e c t r i c p r o p u l s i o n s y s t e m, wh i c h i s s u p p o r t e d b y t h e s h a n g h a i s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y d e v e l o p me n t f u n d . i n t h e p r o j e c t , p od s h i p i s a d o p t e d a s a s i mu l a t e d o b j e c t , a n d a r m + d s p e mb e d d e d ma r i n e p r o p u l s i o n s i mu l a t i o n p l a t f o r m i s d e v e l o p e d o n t h e b a s i s o f d u a l t h r e e p h a s e p o d e l e c t r i c p r o p u l s i o n s i mu l a t i o n s y s t e m o f h a r d wa r e i n l o o p . t h i s n e w t y p e o f s i mu l a t i o n p l a t f o r m i s d e v e l o p e d ma i n l y f o r t h e c e n t r a l p a r t o f t h e e l e c t r i c p r o p u l s i o n s i mu l a t i o n s y s t e m一 p r o p e l l e r c h a r a c t e r i z e d s u b s y s t e m. t h i s s u b s y s t e m a i ms a t p r o v i d i n g a r e a l - t i me d y n a mi c l o a d ( v e s s e l - e n g i n e - p r o p e l l e r ) c h a r a c t e r i s t i c s f o r p r o p u l s i o n mo t o r . t h i s d y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c s i s c a r r i e d o u t b y mo t o r wh o s e c o n t r o l l i n g u n i t i s c o mp o s e d o f v e s s e l - p r o p e l l e r ma t h e ma t i c mo d e l , a n d t o r q u e a d j u s t me n t u n i t , e t c . b e c a u s e o f t h e c o mp l e x i t y o f v e s s e l - p r o p e l l e r ma t h e ma t i c mo d e l a s we l l a s t h e h i g h e r r e q u i r e me n t s f o r t h e r e a l - t i me c a p a c i t y a n d f i d e l i t y o f t h e s i mu l a t i o n , i t i s u r g e n t t o h a v e a n e w t y p e o f h i g h s p e e d p r o c e s s i n g s i mu l a t i o n p l a t f o r m. a r m+ d s p e mb e d d e d s i mu l a t i o n s y s t e m i s d e v e l o p e d t o me e t t h e a b o v e - me n t i o n e d r e q u i r e me n t s . t h e f o l l o wi n g i s t h e wo r k s d o n e b y t h e a u t h o r : ( 1 ) t o s t a r t a n e w f e a s i b l e r e s e a r c h o n t h e r e a l i z a t i o n mo d e o f a r m+ d s p e mb e d d e d s i mu l a t i o n s y s t e m, e s p e c i a l l y o n t h e c o n s t i t u t i o n o f d u a l s u b s y s t e m, t h e c o mmu n i c a t i o n b e t w e e n t h e d u a l s u b s y s t e ms a n d t h e a d v a n t a g e s o f t h i s s i mu l a t i o n i n a c c o r d a n c e wi t h t h e p r a c t i c a l e n v i r o n me n t o f t h e p o d d e d p r o p u l s i o n s i mu l a t i o n s y s t e m. a l o t o f r e l a t e d e n g l i s h d o c u me n t s h a s b e e n r e a d b y t h e a u t h o r . ( 2 ) t o c o n s t r u c t a s i mu l a t i o n p l a t f o r m wi t h t h e c h i p t ms 3 2 0 v c 5 4 7 0 ma d e b y t i a s a n u c l e u s ; t o d e s i g n t h e h a r d wa r e p r i n c i p l e o f t h e s i mu l a t i o n p l a t f o r m a n d e x p a n d t h e e x t e n d e d r a m, r om ( f l a s h ) , ma n - ma c h i n e i n t e r f a c e , p e r i p h e r a l c i r c u i t , j t a g i n t e r f a c e a n d c o mmu n i c a t i o n i n t e r f a c e wi t h t h e r e g a r d t o t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e c h i p v c 5 4 7 0 . ( 3 ) t o c h o o s e t h e c o mp o n e n t s d e ma n d e d b y t h e h a r d w a r e p r i n c i p l e ; t o d e s i g n 8 l a y e r s p c b , wi t h e mp h a s i s l a i d o n t h e r u l e s o f r o u t i n g a n d t h e s i g n a l i n t e g r i t y i n h i g h - s p e e d d i g i t a l c i r c u i t a n d h i g h - s p e e d p c b d e s i g n wh i c h g i v e s a b e t t e r s o l u t i o n t o t h e h i g h d e n s i t y r o u t i n g o f b g a p a c k a g e a n d i t s e m i p r o b l e m. ( 4 ) t o r e a l i z e t h e s i mu l t a n e o u s s i mu l a t i o n o f t h e t wo s u b s y s t e ms a f t e r a s e r i e s o f d e b u g g i n g , a n d t wo p h a s e s y s t e m o n l i n e s i mu l a t i o n b a s e d o n t h e p r e l i mi n a r y wo r k o f d e s i g n i n g a n d r e a l i z a t i o n o f s i mu l a t i o n s o f t w a r e i n d s p s u b s y s t e m; t o e x p l o r e t h e f e a s i b i l i t y o f t h e t r a n s p l a n t i n g o f e mb e d d e d o s . c h a p t e r 1 g i v e s a b r i e f i n t r o d u c t i o n t o t h e b a c k g r o u n d o f t h i s p r o j e c t ; c h a p t e r 2 e x p l a i n s e l e c t r i c p r o p u l s i o n v e s s e l - e n g i n e - p r o p e l l e r mo d e l s i mu l a t i o n s u b s y s t e m, c o n t r o l p l a n a n d c o n c e p t i o n o f t h e s i mu l a t i o n s y s t e m; i n c h a p t e r 3 , t h e s t r u c t u r a l c h a r a c t e r i s t i c s o f a r m a n d d s p i s c o mp a r e d a n d a n a l y z e d , a n d t h e r e a s o n f o r t h e c h o i c e o f v c 6 4 7 0 c h i p i s g i v e n i n d e t a i l ; c h a p t e r 4 i n t r o d u c e s t h e h a r d w a r e d e s i g n i n g p r i n c i p l e o f a r m+ d s p e mb e d d e d s i mu l a t i o n s y s t e m. t h e r e a l i z a t i o n o f t h e h a r d wa r e s y s t e m i s i l l u s t r a t e d i n c h a p t e r 5 , wi t h e mp h a s i s b e i n g l a i d o n t h e d e s i g n i n g o f mu l t i - l a y e r p c b a n d h i g h - s p e e d p c b s i g n a l i n t e g r i t y me t h o d . c h a p t e r 6 d e s c r i b e s t h e c o mmu n i c a t i o n mo d e b e t we e n t h e t wo s u b s y s t e ms , a s we l l a s t h e d e s i g n i n g a n d r e a l i z a t i o n o f t h e s o f t wa r e i n d s p s u b s y s t e m. t h e f i n a l c h a p t e r i s a s u mma r y o f t h e wh o l e wo r k , a t t h e s a me t i me , t h e a u t h o r s p e r s o n a l e x p e r i e n c e i s g i v e n a n d p r o s p e c t o f t h i s p r o j e c t i s s u g g e s t e d. on e o f t h e i nn o v a t i on s i n t h i s t h e s i s i s t o c on s t r u c t a s i tu u l a t i o n p l a t f o r m wi t h t h e u s e o f t wo n u c l e u s o f a r m s u b s y s t e m a n d d s p s u b s y s t e m i n o r d e r t o c a r r y o u t r e a l - t i me s i mu l a t i o n e x p e r i me n t o n t h e l o a d o f p r o p u l s i o n mo t o r ( v e s s e l - e n g i n e - p r o p e l l e r d y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c s ) a n d a c h i e v e t h e a s y n c h r o n o u s mo t o r t o r q u e c o n t r o l i n t h e c o n s t i t u t i o n o f t h e wh o l e s y s t e m. i n a d d i t i o n , i t i s i n n o v a t i v e t o a p p l y t h e c o n f i g u r a t i o n o f a r m+ d s p wh i c h i s ma i n l y u s e d i n s p e e c h a n d wi r e l e s s d a t a p r o c e s s i n g s y s t e m t o t h e ma r i n e p r o p u l s i o n a n d o t h e r s i mu l a t i o n f i e l d s , w o r k i n g o u t a s o l u t i o n t o t h e c o n f l i c t b e t we e n f i d e l i t y a n d r e a l - t i me s i mu l a t i o n . t h e d e v e l o p me n t o f t h e s i mu l a t i o n p l a t f o r m o f a r m+ d s p e mb e d d e d ma r i n e p r o p u l s i o n s y s t e m p r o v i d e s a n e w mo d e l f o r t h e ma r i n e p r o p u l s i o n s i mu l a t i o n s y s t e m. t h i s h a r d wa r e p l a t f o r m g i v e s u p t h e o r i g i n a l w a y o f s i mu l a t i o n b y i n d u s t r i a l c o mp u t e r a n d p c l d a t a a c q u i s i t i o n c a r d s , o v e r c o mi n g t h e s h o r t n e s s o f r e a l - t i me a n d t h e l o w s p e e d o f s i mu l a t i o n b r o u g h t b y n o n - r e a l - t i me o s ( e . g . wi n d o ws ) . r e s e a r c h e s a r e a l s o d o n e o n t h e c o n t r o l l i n g t e c h n i q u e s o f t h e n o i s e o f t h e h i g h - s p e e d d i g i t a l c i r c u i t i n t h e c o u r s e o f d e v e l o p me n t . t h e e x p l o r a t i o n o f t h e k e y t e c h n i q u e o f t h e r e a l - t i me s i mu l a t i o n i n s u c h c o mp l e x s y s t e m a s t h e ma r i n e e l e c t r i c p r o p u l s i o n s u r e l y l a y s a s t r o n g f o u n d a t i o n f o r f u r t h e r s t u d y . k e y wor d s : a r m, d s p , e mb e d d e d , e l e c t r i c p r o p u l s i o n c h i j i a n g ( p o we r e l e c t r o n i c s a n d e l e c t r i c a l d r i v e ) d i r e c t e d b y a s s o c . p r o f . h u a n g x u e wu , p r o f . z h e n g h u a y a o y 6 4 0 9 3 0 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的 研究工作及取得的 研究成果。 论文 中除了 特别加以标注和致谢的地方外， 不包含其他人或其他机构已 经发表或 撰写过的研究成果。 其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已 在论文中作 了明确的声明并表示了谢意。 作 者 签 名 : 沁 p -日 期: -?, - v -. 7 . 论文使用授权声明 本人同意上海海事大学有关保留、 使用学位论文的规定， 即: 学校有权 保留送交论文复印件， 允许论文被查阅和借阅; 学校可以上网公布论文的全 部或部分内容， 可以采用影印、 缩印或其它复制手段保存论文。 保密的论文 在解密后遵守此规定。 作 者 签 名 : 一 呈 自; -7-一导 师 签 名:喝 酥 父 。 期 : 又 洲0 , 了 、 1 第一章引 言 1 . 1课题来源 模拟器是行之有效的现代化航海教育设施，上海海运学院顺应国际海事组织制 定的s t c w公约，自 上世纪9 0 年代起开发了 各种教学培训模拟器。 当代船舶建设朝着大型、节能、高效等方向迅速发展，变距浆、电力推进等多 种模式应运而生。 2 0 0 2 年起， 在交通部专项实验室基金的支持下开始“ 多模式机舱 仿真系统实验室”的建设，从推进形式上分为4 大类型机舱模式:mo d e 1 为定距 桨推进系统 ( 在目前己有的规模上完善) ;mo d e 2为变距桨推进系统:mo d e 3 为新型电力推进系统;mo d e 4 为小型机舱物理仿真系统。 这其中研究的核心部分是 “ 多模式船舶综合电力系统和电力推进系统” ，因 为2 0 世纪8 0 年代中期以来，综合电力系统和船舶电力推进已进入了蓬勃发展的新 时期，各方面技术的最新进展，已引起国际造船和航运界的重视，国内也有单位进 行这方面的研究，但在船机桨动态特性， 特别是在完成实时动态负载特性的交流电 机扭矩闭环控制上所做的研究还不多。为此，由上海海运学院航运仿真中心申请专 项立题，对海运学院航运仿真交通部重点实验室正在筹建的多模式船舶综合电力系 统和电力推进仿真实验室的关键性技术进行探索，并迅速得到了上海市科技委员会 发展基金的资助。 1 .2 本研究领域的国内外现状 1 . 2 . 1 船舶电力推进的发展 船舶电力推进系统是利用推进电 机驱动螺旋桨转动，从而推动船舶前进。它的 出现可追溯到一个多世纪以前。在第二次世界大战期间， 美英两国建造的电动船舶 推进总功率占其船舶动力装置总功率的 2 0 % 。第二次世界大战后，由于齿轮加工能 力的提高，电力推进船舶在数量上大为减少，但是由于战后自 动控制系统的发展以 及电机放大机在推进系统中的广泛应用，使电力推进装置朝另一方向迅速发展。这 时不再是主要利用其减速性能，而是主要利用其良好的调节性能、机动性能以及低 噪 声 性能 。2 0 世纪8 0 年 代中 期以 来， 变 流技 术的 发 展 使中 压电 力系 统 在船 舶中 得到开拓，变频调速推进系统的功率己与其它动力装置不相上下，因而电力推进方 式变得极具前景。 9 0年代国际上几个主要的公司如:a b b , s i e me n s , a l s t o n, s t n - a t l a s 公司， 在电力推进船舶的开发方面展开了 激烈的竞争， 9 0 年代中期相继在推进机械 装置上取得重大突破， 各自 推出了不同形式的吊舱结构， 船的类型已从渡轮、 军舰、 邮船、 液化气船、油轮到大型集装箱船。国际上仅 a b b一家制造的电力推进船舶 已超过三百艘， 装机功率最大的可达2 x1 9 m wo 国内己生产电力推进船舶的厂家有上海爱德华船厂和广东的广船国际，他们采 用西门子的s s p吊舱式电力推进系统。烟台船运公司选用了a l s t o n的m e r m a i d 推进系统， 而最近竞标的 烟大线渡船则 采用a b b 的a z i p o d 推进器。国内 外船公司 在电力推进船舶的生产和制造方面的竞争十分激烈， 推进电机的研究从普通电 机到 永磁式同步电机，又到超导电机，形式不断地出新，功率日益增强。 1 . 2 .2 船舶电力推进系统的优点 . 机动性能好。由于电动机的控制性能优于传统的热力机械，电力推进船舶的机 动性能较好，还具有紧急停车时滑行距离短、小角度回转和快速响应等优点。 . 机舱小、布置灵活，可增加船舶的载货载客能力。电力推进系统减少了尾轴、 舵、传动装置以及热力系统所需要的大量辅机，总的来说增加了舱容。 . 推进效率高。尤其是吊舱式结构省去了舵，所以与传统的定距桨 ( 特别是大功 率船舶用双桨时) 相比 推进效率提高了6 % - 1 0 %. . 节能和有利于环保。减少各种燃油、滑油的消耗;减少废气排放和震动噪声污 染。 1 . 3 课题主要研究内容、任务、解决方案及创新 本课题的主要研究内容是对a r m + d s p 嵌入式船舶推进系统仿真平台的研究，为 推进电机提供一个实时的动态负载特性一船机桨动态特性。 本课题的主要任务如下: . 构建a r m +d s p 嵌入式船舶推进系统仿真平台 a r m +d s p 嵌入式仿真平台主要由以a r m , c 5 0 0 0 d s p 两个处理器为中心构成。 其 中a r m 部分的a r m 核微控制器是主处理器，它是整个系统的控制中心。 a r m 部分带 有自 己的 f l a s h . r a m , a / d , d / a转换器等外围设备，主要负责上电后完成整个系 统的自 举加载和系统的任务分配， 从物理设备输入和向物理设备输出信号， 通过c a n 总线与上位计算机通信等。 c 5 0 0 0 d s p部分主要运行船舶推进系统的数学模型并将 仿真运算所得结果传回a r m 部分进行控制。 . a r m 十d s p 嵌入式仿真平台在船舶电 力推进系统中的初步应用 a r m 部分是整个系统的 控制中心， 在a r m 部分运行的主要是系统软件。它主要 包括自 举加载程序，指令响应程序， 键盘扫描程序，l c d显示驱动程序，a / d , d / a 转换控制程序，d i / d 0 , c a n 总线通信程序以及与c 5 0 0 0 d s p 部分进行内部实时数据 交换的控制程序。 c 5 0 0 0 d s p部分主要用来运行负载系统的数学模型。使用一些工具软件，如 m a t l a b ， 在s i m u l i n k 中以框图的方式建立起数学模型， 调试好后，用它提供的r t w 工 具 将 框图 模型 转化为 标 准的c 代 码 2 3 1 ， 再 在t i 的d s p 集成 开发 环境c c s o m a p 中，调入该标准c 代码，与其它文件编译链接后生成d s p 的可执行文件，提取其中 的可执行代码，生成一个头文件。把该头文件包含进由a r m 部分控制的自 举加载程 序中，在a r m 加载d s p 时将其代码下载到d s p 的s r a m 后，在c 5 0 0 0 d s p中运行。 硬件部分的开发是第一步，它从根据需求进行调研开始。在调研的基础上初步 确定系统的大致结构、功能和实现方法。接下来，根据初步规划进行元件 ( 芯片) 的选型，找出组成系统所需的各种元器件。元器件定下来后，就要设计评估板的硬 件连接原理图。 完成原理图并审核后， 在此基础上进行工艺设计， 以实现硬件系统。 这包括元件的布局、电路板的布线、元件焊接的方法等。此后，在这步基础上就可 以进入样板的加工了。样板加工好后，就要进行最关键的调试、评测工作，看实际 固定样板 图 ( 卜 飞 ) 评估板硬件部分的开发流程 的硬件系统是否达到预想的结果。 这就 要借助一些调试软件及集成开发环境. 如果调试通过，就可以固定样板的模 式， 否则要从前面步骤 ( 如元件选型阶 段，原理图设计阶段，工艺设计阶段， 依据具体问题)开始重复这个开发过 程， 直到调试通过为止。 硬件部分的开 发流程图如图 ( 1 - 1 ) 所示。 硬件部分开发好后， 评估板就造出 来了。 接下来就要进行软件开发。 嵌入 式系统软件分系统软件和应用软件， 无 论哪种软件的开发都要使用集成开发 环境。 集成开发环境是指实现编译、 链 接和调试应用程序代码的环境。 嵌入式 系统的交叉开发环境， 硬件上包括宿主 机和目 标机， 软件上包括编译器、 交叉 调试器和仿真软件( 均是集成开发环境 的一部分) 等。软件开发过程与通用软件开发流程大同小异。 首先，根据需求进行 软件的总体分析，接着进行具体设计，再进行调试。调试成功后，编译链接，生成 可执行代码，并固化到目标机 ( 评估板)中。 本课题的创新主要集中在以下几点上: . 作为对推进电机动态负载的仿真，在整个仿真系统的构成上做到交流电机扭矩 闭环控制。 . 除了仿真所需的高速运算以外，为了构成闭环控制系统，需要各种控制信号， 以 及信号检测单元，鉴于这种情况，在核心处理器上选用了带有a r m 子系统和d s p 子系统的双核芯片，并把仿真平台建成较为通用的模块，通过现场总线相互连接。 . 现在a r m + d s p 的结构组合还主要用于语音、 图像或无线数据的实时处理系统上， 在其他领域很少甚至尚无应用。在我国这种a r m + d s p 的高端结构组合的应用更是很 少，而且应用领域很有局限性，在仿真领域采用这种方式目前国内还没有报道，国 外也较少见。 我校的轮机模拟器是进行船员培训和科学研究的大型教学设备，主机仿真是其 中一个重要的组成部分。以前，主机仿真是用工控计算机来完成的，这样就有实时 性较差，数学模型不精确，对外面的物理仿真设备控制能力差的不足之处13 1 。而工 控计算机的这些缺点正好是a r m + d s p 系统的长处， 所以可以考虑用该系统来进行主 机或其他设备的仿真， 来提高仿真精度， 实时性， 以及对物理仿真设备的控制能力， 比较完美的构成一个半实物在环的仿真系统.在仿真领域应用该系统，应该说是一 种大胆尝试，通过这方面的探索，可以扩展a r m + d s p 架构系统的应用范围。这种高 效的解决方案可以达到精确的数学或物理仿真，对实现实时有效的控制算法和易于 操作的工作平台是非常有实用价值和实际意义的。 1 .4 课题的意义 本课题通过采用a r m + d s p 的架构从硬件到软件开发一套a r m + d s p 的系统， 不仅 可以分别掌握a r m 和d s p 的原理、体系结构，软硬件的开发过程、开发方法、开发 技术，而且可以掌握a r m + d s p 双处理器架构的软硬件的开发及应用，完成由元件集 成系统的工作，培养集成系统的能力。 在开发过程中，要面临处理好两个处理器间的通信、资源和功能分配的问题， 通过这方面的研究，可能会对解决a r m + d s p 架构相应的分配、协调及配合的问题有 一定的帮助。 该课题要完成一套基于 a r m+d s p架构的用于仿真和控制的多功能评估板。 该评估板支持进行硬件扩展，软件开发、调试。在该系统中可以建立和运行仿真软 还可以 驱动物理仿真设备， 完成半实物在环的精确仿真。 其主要特征应包括: 包含a r m和d s p 的双处理器系统的结构组合; a r m 和 d s p部分都有比较充分的在片和片外扩展 r a m. r o m ( f l a s h )等 存储器资源; 键盘和l c d接口; 板上提供功能扩展接口，可用于硬件设备的扩展; 输入输出口功能强大， 能进行模拟信号的输入输出 ( 有a / d和d / a转换功能) ; 用单一电源供电; 板上有符合i e e e 1 1 4 9 . 1 标准的j t a g接口，用于开发时的仿真和调试。 自 研a r m + d s p 嵌入式应用系统使实时性得到提高，而且使整个d c s 系统改变为 系统，为今后研制更大规模的航运仿真系统或船舶实时管理系统提供了新的思 llll2. . oj4民d流b，. 第二章电力推进船桨模型仿真 我校正在研制的船舶电力推进仿真系统主要包括驾驶室中央控制台，船翼控制 台，机旁控制台，吊舱仿真模型及其控制系统，推进电机及其控制系统，负载电机 及其船机桨仿真系统，电源管理及其电站仿真系统，综合监控与报警系统等。各仿 真与控制计算机之间采用双重网络拓扑结构，其中实时控制信号采用f i e l db u s 通 信，其他信号采用e t h e r n e t 网络结构。基于f c s 与i p c 的船舶电力推进仿真系统 结构参照图( 2 1 ) 。 图中，为了获得理想的仿真效果，推进电机及其控制系统采用实物仿真。为保 证仿真电机的性能参数尽可能接近仿真母型船的推进电机，采用专门设计的低频多 极双三相交流异步电机，即推进电机的定子铁芯中嵌放了两套电气上互为独立、位 置上相差3 0 度的三相对称绕组，两套绕组分别由两个互相独立的推进变频器同时 来控制其运转。这种控制方式的目的在于提高船舶运行的可靠性，一旦其中一套绕 组或推进变频器工作异常，另一套仍能维持运行。单套绕组工作时，螺旋桨转速降 至额定值的7 0 ，推进功率为额定值的5 0 。此外，推进电机的额定工作电压为6 9 0 v ， 最高频率为1 5 h z ，相应的工作转速范围为o - 1 4 5 转分钟，这些参数与仿真母型船 基本一致。推进电机的运转则由推进电机控制计算机根据车钟指令及电源管理等信 息，通过两台推进变频器来控制。 然而，要保证推进电机的负载特性能与实船相仿，必须能真实地模拟仿真母型 船在不同工况和船况下螺旋桨的特性，动态地把螺旋桨负载阻力矩加载至推进电机 的输出轴上。选用何种设备作为螺旋桨仿真装置，是一个非常关键和棘手的问题。 在目前条件下，可供选择的设备有水力测功器、电涡流测功器和直流发电机等，它 们的设计转速一般在几百转分钟几千转分钟之间。吊舱式电力推进的螺旋桨直 接由推进电机驱动，为提高螺旋桨运行效率，其额定转速为每分钟一百多转，最低 转速每分钟仅二、三十转。因此，这些设备无法与推进电机取得转速上的匹配，如 果仿真系统中加装增速齿轮箱，势必影响仿真精度。更为严重的是上述设备均只能 产生阻力矩，无法仿真船舶紧急停船过程中因惯性而产生的动力矩。作为一种探索， 我们选用了低频多极三相交流异步电动机作为推进电机的负载仿真。负载电机直接 与推进电机的轴系刚性连接，通过对负载电机扭矩的实时动态控制，从而来实现推 进电机的船桨负载特性。由此可见，如何控制负载电机，使其实现船桨特性的实时 动态仿真，是整个仿真系统的关键和核心。良好的船机桨实时动态特性仿真硬件环 境为研究和分析大型船舶的电力推进系统提供了一个理想的仿真基础。 6 图( 2 1 ) 基于f c s 与i p c 的电力推进仿真系统结构 7 2 . 1 船机桨特性仿真子系统的组成 船机桨特性仿真子系统主要由负载电机、负载变频器、a r m + d s p 仿真控制器、 船机桨特性仿真计算机 ( 图( 2 - 1 ) ) 、以及光电编码转速传感器和高精度转矩传感器 组成，其原理框图如图 ( 2 - 2 )所示。 na c t 图 ( 2 - 2 ) 船机桨特性仿真子系统原理框图 图中， n s e t n a c t 和n m ，分别为推进电 机的设定转速、 实际转速和测量转速， t s e t , t a c t 和 t ed 分别为螺旋桨设定扭矩、实际扭矩和测量扭矩，各环节的作用如 下: . 船机桨特性仿真计算机用于船机桨仿真的人机界面、a r m + d s p 仿真/ 控制器的管 理、数据采集、性能分析、船机桨仿真数据库及其管理。 . a r m + d s p 仿真/ 控制器用于船机桨数学模型运算、惯性转矩补偿和负载电 机的扭 矩闭环控制。它根据推进电机的转速、船舶的航速及进程系数等因素推算出螺旋桨 的转矩，并与实测扭矩比较后按p i d控制规律， 通过负载变频器实时控制负载电机 的扭矩，再现螺旋桨的特性。 . 光电编码转速传感器用来实时检测推进电 机与负载电 机的转速，一方面作为推 进电机转速闭环控制的测量信号，另一方面作为船机桨数学模型运算的输入变量。 . 高精度转矩传感器用来实时检测推进电机与负载电机间的扭矩，作为扭矩闭环 控制的测量信号。 . 负载变频器作为扭矩闭环控制的执行环节，它通过变频调速来控制负载电机的 扭矩。考虑到船舶在正常航行期间和紧急停船期间负载电机的运行工况不同，负载 变频器应能满足电机四象限运行的要求。 . 负载电机用于模拟螺旋桨特性。在船舶正常航行期间，根据船机桨数学模型运 算结果产生近似于螺旋桨的阻力矩作用于推进电机，而在船舶紧急停船期间则产生 相应的惯性力矩以驱动推进电机。 考虑到仿真推进电机和螺旋桨负载电机均在极低的转速下工作， 为保证电机能 稳定运行，满足电力推进动态和静态负载特性的仿真要求，设计中变频器采用矢量 控制方式，在低频段采取了有效的定子阻抗压降补偿措施，同时采用闭环控制，有 效地提高了电机的调速范围和动态响应速度，使之满足仿真要求。 2 . 2 船机桨特性仿真的控制方案 负载电机作为推进电机的负载一一模拟螺旋桨特性应能正确反映实船螺旋桨 的工作特性，既仿真推进系统的推进轴系转动部分与仿真母型船推进系统的推进轴 系转动部分必须具有相同的动态过程。因此，首先从建立推进系统转动部分机械运 动平衡方程式着手，分析仿真系统的负载转矩与转动惯量和母型船的实际螺旋桨阻 转矩与转动惯量之间的关系。 母型船推进系统的转动部分机械运动平衡方程式: : 一 : 一 (: + j ) 2 n d o6 0 d t ( 2 - 1 ) 仿真推进系统的转动部分机械运动平衡方程式: t一 t 7d “ ( j m ， 、 2 ; c d o 十j， ) 6 0 d t ( 2 - 2 ) 这 里 ， t 、 t , . j 。 和j ， 分 别 为 仿 真 母 型 船 的 推 进电 机 输出 转 矩 、 螺 旋 桨 阻 转 矩、 推进电 机转动惯量和螺旋桨与 推进轴系 总转动惯量，几、几、j , 、 j r 分别为 仿真系统的推进电机输出转矩、负载电机阻转矩、推进电机转动惯量和负载电机与 推进轴系总转动惯量。 比 较 ( 2 - 1 ) 和 ( 2 - 2 ) 式可知， 若要使仿真推进系统的转动部分与其母型船具 有相同的动态响应特性，除了仿真系统的推动电 机容量和推进系统转动惯量同仿真 母型船的 推动电 机容量和推进系统转动惯量符合一定比 例关系， 仿真系统的负载电 机阻转矩必须满足: t , = t五 ” j ， 十 j o ( 2 - 3 ) 也 就 是is ， 仿 真 系 统中 的 船桨 数 学 模 型 按 母 型 船 参 数 推 算 得到 螺 旋 桨 阻 转 矩t 后， 须 用 式 ( 2 - 3 ) 将 其 折 算 至负 载电 机的 阻 转 矩凡。 由 于 仿真系 统中 的 转 矩传感 器位于 推 进电 机 输出 端， 检测到的 转 矩几 c 7 应为 负 载 电 机 阻 转 矩 t m 与 负 载 电 机 及 推 进 轴 系 的 惯 性 转 矩 ， ， 2 ; r d o 之 和 。 所 以 ， 转 矩 调 节 6 0 d t 器的给定转矩除阻转矩外，应包含此惯性转矩补偿，即: ts 一 : d : 器 宁 ( 2 - 4 ) 在仿真船舶正常航行时， 负载电机是运行在制动状态， 转差率小于零， 转子中 的电势和电流与电动状态相比，在相位上翻转 1 8 0 ，定子回路的功率因数角在 9 0 0 - 1 8 0 0 之间，定子回路通过变频器向电网回馈有功功率，同时从电网吸收无功功率。 因此，负载电机施加在推进电机轴上的负载转矩应为通过气隙旋转磁场产生的电 磁 转矩与空载转矩之和，其中空载转矩是由机械损耗、附加损耗和转子铜耗产生。在 负载电机的 转矩控制时， 必须考虑这个空载转矩因素阎 。 在船舶加速 情况下，电 力推进控制系统控制推进电 机加速， 使 其输出 转 矩t 增 加 ， 致 使 输出 转 矩兀 大 于 螺 旋 桨 阻 转 矩几 ， 螺 旋 桨 转 速n 上 升 螺 旋 桨 转 速n 上 升 又 使 得 船 速 增 快 ， 这 又 使 得 螺 旋 桨 阻 转 矩t c 按 螺 旋 桨 特 性 增 大， 直 至 与 推 进 电 机 的 输出 转矩t 相平衡。 而在船舶急 速减速时， 电 力 推进控制系 统控制推进电 机的 输出 转 矩t 快 速 减小 ， 使 之 小 于 螺 旋 桨转 矩t r, , 螺 旋 桨 转 速n 随 之下降 。 但由 于 船 舶 的 惯性作用，船舶惯量动能使螺旋桨产生一个驱动转矩，反过来带动推进电机运转， 致使推进电机从电动机状态转换成发电 机状态，并通过推进变频器的能量反馈作用 返回到电网。由此可见，要使负载电机的转矩控制能再现螺旋桨的特性，其控制极 为复杂，而且实时性要求极高。这就要求船机桨特性仿真器具有高速运算和处理能 力，它一方面不断地检测仿真推进电机的转速，并通过复杂的船机桨特性数学模型 运算，推算出模拟船舶的航速和仿真螺旋桨的扭矩，另一方面不断地检测负载电机 的实际扭矩，然后通过负载电机扭矩闭环自 动控制，由负载变频器控制负载电 机的 输出扭矩，以便反过来影响仿真推进电 机的运转。仿真推进电机的运转工况变化又 再一次影响负载电机的输出扭矩，依次不断循环，直至进入一平衡状态。