推進(jìn)系統(tǒng)是船舶的核心組成部分，“原動(dòng)機(jī) 傳動(dòng)系統(tǒng) 螺旋槳”是軍船和商船應(yīng)用最廣泛的推進(jìn)模式，隨著船舶技術(shù)的發(fā)展，它也暴露出諸多弊端，如船體與推進(jìn)軸系存在復(fù)雜的耦合動(dòng)力學(xué)關(guān)系，船體變形引起推進(jìn)系統(tǒng)工作環(huán)境變化，導(dǎo)致軸系不對(duì)中、振動(dòng)劇烈，甚至軸系斷裂等惡性事故。在能源動(dòng)力高端裝備領(lǐng)域，采用電機(jī)直驅(qū)模式以完成電能到機(jī)械能的同軸轉(zhuǎn)化代表著現(xiàn)代運(yùn)載工具推進(jìn)技術(shù)的未來發(fā)展方向。

船舶輪緣推進(jìn)裝置（Rim-Driven Thruster, RDT）將電機(jī)定子嵌進(jìn)導(dǎo)管，電機(jī)轉(zhuǎn)子與槳葉合為一體，取消了傳動(dòng)軸系、機(jī)械密封和電機(jī)冷卻系統(tǒng)等環(huán)節(jié)，將電機(jī)直驅(qū)模式發(fā)揮到極致，可顯著提高推進(jìn)系統(tǒng)的功率密度和效率、緊湊結(jié)構(gòu)、降低噪聲以及實(shí)現(xiàn)全回轉(zhuǎn)，給現(xiàn)代船舶推進(jìn)技術(shù)帶來了顛覆性的革命。

1 輪緣推進(jìn)裝置驅(qū)動(dòng)電機(jī)研究現(xiàn)狀

輪緣推進(jìn)裝置的概念模型在1940年德國(guó)專利中就已被提出，但受限于電機(jī)、控制和軸承等技術(shù)而發(fā)展緩慢。隨著永磁電機(jī)、大功率變頻器、現(xiàn)代控制和軸承水潤(rùn)滑等技術(shù)的進(jìn)步，如今這種先進(jìn)推進(jìn)系統(tǒng)已成為船舶推進(jìn)技術(shù)的熱點(diǎn)之一。

國(guó)外如英國(guó)Rolls-Royce、挪威Brunvoll、德國(guó)Voith和Schottel等公司正在競(jìng)相研制大功率RDT。近年來，國(guó)內(nèi)包括702研究所、712研究所、海軍工程大學(xué)、武漢理工大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)和臺(tái)灣成功大學(xué)等單位針對(duì)RDT的電磁特性、水動(dòng)力學(xué)和摩擦學(xué)性能仿真等方面的問題開展了探索性研究。

1.1 輪緣推進(jìn)裝置驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作特點(diǎn)分析

RDT的推進(jìn)做功部分被懸吊在船體之外，RDT實(shí)物如圖1所示，控制部分安裝在船艙，利用電纜進(jìn)行連接。RDT電機(jī)剖面視圖如圖2所示。與陸上電機(jī)系統(tǒng)相比，RDT驅(qū)動(dòng)電機(jī)有著如下工作特點(diǎn)：

圖1 RDT實(shí)物（Brunvoll）

圖2 RDT電機(jī)剖面視圖

（1）RDT電機(jī)處于多物理場(chǎng)強(qiáng)耦合中。RDT電機(jī)定子嵌在導(dǎo)管中，轉(zhuǎn)子與槳葉直接相連，電機(jī)性能受電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)、流體場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)等多物理場(chǎng)強(qiáng)耦合作用。目前的電機(jī)系統(tǒng)常以電磁場(chǎng)為主進(jìn)行設(shè)計(jì)，這種單因素的設(shè)計(jì)方法難以實(shí)現(xiàn)RDT綜合性能最優(yōu)化。

（2）RDT電機(jī)氣隙更大。RDT電機(jī)浸泡在水中，借助槳葉做功產(chǎn)生壓力，電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子氣隙中海水循環(huán)流動(dòng)，可以冷卻電機(jī)并為電機(jī)兩側(cè)的軸承提供潤(rùn)滑。RDT通過在電機(jī)定轉(zhuǎn)子外設(shè)置護(hù)套來防水，護(hù)套會(huì)使電機(jī)氣隙增大到傳統(tǒng)電機(jī)氣隙的2～3倍，通常情況下，導(dǎo)電流體軸向流動(dòng)的速度方向與氣隙磁通方向正交，因此海水介質(zhì)的導(dǎo)電性能與流動(dòng)性也會(huì)進(jìn)一步降低RDT電機(jī)氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度。

（3）RDT電機(jī)尺寸更小。RDT電機(jī)定子安裝在導(dǎo)管內(nèi)的特殊結(jié)構(gòu)，決定了其電機(jī)尺寸直接影響導(dǎo)管尺寸，進(jìn)一步影響推進(jìn)器水動(dòng)力性能和效率，定轉(zhuǎn)子防水護(hù)套也會(huì)進(jìn)一步增加電機(jī)徑向尺寸。為了提高推進(jìn)器效率，RDT電機(jī)徑向尺寸要薄，軸向尺寸要短，以此減小導(dǎo)管阻力。

（4）RDT電機(jī)轉(zhuǎn)子位置難以測(cè)量。傳統(tǒng)永磁電機(jī)一般采用矢量控制方法，控制系統(tǒng)需要獲得準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子位置信息，而RDT取消了傳動(dòng)軸且長(zhǎng)期暴露在海水環(huán)境下，難以安裝機(jī)械式位置傳感器，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性還受到水流對(duì)螺旋槳及轉(zhuǎn)子的非定常力和沖擊力等影響，因此如何發(fā)展高精密、高可靠、抗擾動(dòng)的無(wú)位置傳感器控制技術(shù)也是RDT發(fā)展的關(guān)鍵難點(diǎn)之一。

1.2 輪緣推進(jìn)裝置驅(qū)動(dòng)電機(jī)的應(yīng)用現(xiàn)狀

感應(yīng)電機(jī)（Induction Motor, IM）曾被用于RDT的早期方案。D. W. Brown等于1989年完成了一個(gè)采用轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)，功率為7.5kW，轉(zhuǎn)速為2906r/min的RDT樣機(jī)，由于軸承摩擦和定子護(hù)套渦流造成的功率損失，效率甚至低于50%。K. M. Richardson等于1995年完成了一個(gè)采用開關(guān)磁阻電機(jī)（Switched Reluctance Motor, SRM），功率為5kW，轉(zhuǎn)速為1200r/min的RDT，具有6個(gè)定子槽和20個(gè)轉(zhuǎn)子槽，基于開關(guān)磁阻電機(jī)的RDT如圖3所示，但損耗高達(dá)1.5kW。

圖3 基于開關(guān)磁阻電機(jī)的RDT

上述基于IM和SRM的RDT都有相對(duì)較厚的轉(zhuǎn)子、定子和導(dǎo)管，水阻力損失較大，極大地影響了水動(dòng)力效率；加涂防腐蝕涂層后，氣隙尺寸變大，電機(jī)效率較低。相比之下，永磁（Permanent Magnet, PM）電機(jī)能承受較大的氣隙，可以設(shè)計(jì)成多磁極結(jié)構(gòu)，在不犧牲電機(jī)效率的情況下使轉(zhuǎn)子和定子相對(duì)更薄，因此從效率和制造工藝的角度出發(fā)，PM是現(xiàn)階段RDT較為理想的驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇。

英國(guó)S. M. Sharkh教授團(tuán)隊(duì)較早將PM用于RDT，小型RDT如圖4所示，并采用有限元分析（Finite Element Analysis, FEA）和計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics, CFD）方法對(duì)RDT的性能進(jìn)行了分析。

為了進(jìn)一步降低功率損耗，A. Hassannia和A. Darabi于2013年設(shè)計(jì)了一種基于高溫超導(dǎo)電機(jī)（High Temperature Superconducting Motor, HTSM）的輪緣驅(qū)動(dòng)方案。仿真發(fā)現(xiàn)，HTSM的輸出轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)，顯示出了比PM更好的綜合性能，高溫超導(dǎo)電機(jī)結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)矩仿真如圖5所示，但如何實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)及其在推進(jìn)器中的具體實(shí)施方案尚未見報(bào)道。

圖4 小型RDT

圖5 高溫超導(dǎo)電機(jī)結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)矩仿真

國(guó)內(nèi)方面，712所制造了一臺(tái)不包含電機(jī)部分的RDT模型，其包含導(dǎo)管、螺旋槳、支撐筋和位置傳感器，如圖6a所示，并通過水池模型試驗(yàn)驗(yàn)證了導(dǎo)管和螺旋槳水動(dòng)力性能；西北工業(yè)大學(xué)使用解析方法對(duì)Halbach永磁體陣列進(jìn)行了優(yōu)化，進(jìn)一步減小電機(jī)定子徑向厚度，并在此基礎(chǔ)上組裝了一臺(tái)RDT原型機(jī)，如圖6b所示；臺(tái)灣成功大學(xué)于2007年設(shè)計(jì)并制造了一臺(tái)采用15個(gè)定子槽和16個(gè)轉(zhuǎn)子槽的永磁無(wú)刷直流電機(jī)RDT，如圖7所示，由于軸承的摩擦比預(yù)期高，電機(jī)沒有達(dá)到設(shè)計(jì)的額定轉(zhuǎn)速1500r/min。

武漢理工大學(xué)與廣州海工船舶設(shè)備有限公司合作，成功研制出了多種規(guī)格RDT，如圖8所示，部分RDT創(chuàng)新地采用了雙永磁電機(jī)的對(duì)轉(zhuǎn)輪緣結(jié)構(gòu)和磁液雙懸浮推力軸承；中國(guó)昊野推出了功率為350W、額定轉(zhuǎn)速為2 300r/min的小型RDT，其推力達(dá)5.5kg，可用于水深850m的環(huán)境，如圖9所示。

圖6 RDT模型和原型機(jī)

圖7 RDT裝配和完成

圖8 武漢理工與廣州海工聯(lián)合研制的RDT

圖9 昊野研制的小型RDT

國(guó)外方面，挪威科技大學(xué)為RDT原型機(jī)建造了一臺(tái)內(nèi)徑為600mm、功率為100kW的永磁同步電機(jī)，將電機(jī)作為陸上發(fā)電機(jī)進(jìn)行了測(cè)試，其平均效率達(dá)0.93，該工作同時(shí)也與挪威Brunvoll的RDT開發(fā)有關(guān)，在該原型機(jī)測(cè)試之后，Brunvoll開發(fā)了一臺(tái)內(nèi)徑為1750mm、功率為810kW的RDT，并成為其產(chǎn)品線的一部分。

英國(guó)南安普頓大學(xué)設(shè)計(jì)制造了50mm直徑的小型RDT，能夠在63W的輸入功率下產(chǎn)生9.81N的輸出推力。另一臺(tái)250mm直徑的RDT經(jīng)過測(cè)試，在輸入功率5.5kW時(shí)能夠產(chǎn)生981N的峰值推力。英國(guó)TSL Technology已獲得南安普敦大學(xué)的許可，可以商業(yè)化生產(chǎn)該大學(xué)設(shè)計(jì)的RDT，并以此形成了直徑為50mm，可以在100W功率下產(chǎn)生17N推力和直徑為300mm，可以在4kW功率下產(chǎn)生1000N推力的兩款產(chǎn)品，如圖10所示。

圖10 國(guó)外高校與企業(yè)聯(lián)合研制的RDT

除此之外，國(guó)外的商用RDT已有系列報(bào)道，如德國(guó)Enitech、丹麥Copenhagen Subsea、荷蘭Vetus等廠商生產(chǎn)出了功率不超過11kW的RDT；英國(guó)Ocean Yacht Systems和Rolls-Royce、挪威Brunvoll、德國(guó)Silent Dynamics、Voith和Schottel等公司則制造出最大2600kW的大型RDT。

Rolls-Royce于2015年將兩臺(tái)AZ-PM型500kWRDT安裝在驗(yàn)證船“Gunnerus”上，驗(yàn)證其具有低噪、高效、機(jī)動(dòng)性能優(yōu)越等特點(diǎn)；Brunvoll生產(chǎn)了從200～900kW的一系列RDT，并運(yùn)用在包括補(bǔ)給船、漁業(yè)監(jiān)測(cè)船、超級(jí)游艇和渡船等的十余條船上；Voith采用碳纖維增強(qiáng)塑料（Carbon Fibre Reinforced Polymer, CFRP）制作RDT的螺旋槳，于2014年將兩臺(tái)1MW船首推進(jìn)器用于工程船“Wagenborg”上，如圖11所示。

部分可查詢到的商用RDT參數(shù)見表1。

表1 部分商用RDT參數(shù)

圖11 國(guó)外企業(yè)研制的RDT

2 輪緣推進(jìn)裝置驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制方法研究現(xiàn)狀

2.1 輪緣推進(jìn)裝置驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制特點(diǎn)

永磁電機(jī)一般采用矢量控制方法以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的精確控制，由于RDT在水下工作并取消了傳動(dòng)軸，其工作環(huán)境和結(jié)構(gòu)決定了機(jī)械式位置傳感器難以安裝和使用。因此，無(wú)位置傳感器控制技術(shù)是RDT永磁驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制的首選。

無(wú)位置傳感器控制技術(shù)是通過在電機(jī)控制過程中測(cè)得的電壓、電流等參數(shù)與轉(zhuǎn)子位置、轉(zhuǎn)速的相互關(guān)系來估計(jì)轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速的。對(duì)于工作在水下的RDT，其存在的控制難題如下：

（1）RDT電機(jī)負(fù)載波動(dòng)頻繁。RDT電機(jī)轉(zhuǎn)子與槳葉直接連接，水流對(duì)旋轉(zhuǎn)的槳葉作用產(chǎn)生的非定常力可直接導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)矩的跳變和波動(dòng)，從而對(duì)控制算法的魯棒性有著更高的要求。

（2）RDT電機(jī)存在起動(dòng)和低速運(yùn)轉(zhuǎn)情況下帶不動(dòng)螺旋槳、高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)跟丟轉(zhuǎn)子位置的情況。對(duì)于永磁電機(jī)來說，單一的無(wú)傳感器控制算法無(wú)法很好地適配全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的電機(jī)運(yùn)行，電機(jī)的平穩(wěn)起動(dòng)和低速運(yùn)行需要更有針對(duì)性的控制方法，復(fù)雜的水下運(yùn)行環(huán)境也對(duì)電機(jī)全轉(zhuǎn)速域下的穩(wěn)定工作提出了更高的要求。

（3）RDT電機(jī)加減速頻繁，并存在反轉(zhuǎn)應(yīng)用。對(duì)于RDT作側(cè)推的應(yīng)用場(chǎng)景，電機(jī)需要頻繁起停、加減速和反轉(zhuǎn)，控制算法的動(dòng)態(tài)性能是決定側(cè)推RDT性能的關(guān)鍵。

（4）RDT電機(jī)及控制模塊功率限制。RDT是一種純電力推進(jìn)裝置，能耗是衡量其性能的一個(gè)重要指標(biāo)，船舶能產(chǎn)生的功率數(shù)量是有限的，控制算法過于復(fù)雜會(huì)增加控制模塊的能源消耗，因此應(yīng)考慮功率的約束限制。

這些控制難題使得RDT的精確控制技術(shù)發(fā)展難度增大，控制技術(shù)也是提高RDT性能的關(guān)鍵技術(shù)之一。

2.2 無(wú)位置傳感器控制方法及其策略

無(wú)位置傳感器控制方法大體有兩種技術(shù)路線：一種是基于電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)電磁關(guān)系的估計(jì)方法，包括直接計(jì)算法、反電動(dòng)勢(shì)積分法、模型參考自適應(yīng)法和各種觀測(cè)器法等，適合反電動(dòng)勢(shì)比較容易檢測(cè)的中高速運(yùn)行狀態(tài)，其中前兩種方法簡(jiǎn)單直接，但對(duì)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的參數(shù)變化尤其敏感，應(yīng)用時(shí)需與電機(jī)參數(shù)辨識(shí)相結(jié)合。

模型參考自適應(yīng)法需精心設(shè)計(jì)自適應(yīng)律才能保證在電機(jī)負(fù)載和轉(zhuǎn)速變化時(shí)的響應(yīng)能力和收斂性。觀測(cè)器方法中的滑模觀測(cè)器由于響應(yīng)速度快且對(duì)參數(shù)變化的魯棒性強(qiáng)而被廣泛研究，但實(shí)際物理系統(tǒng)的慣性會(huì)導(dǎo)致該方法產(chǎn)生抖振，需要在系統(tǒng)魯棒性和抑制抖振問題上進(jìn)行平衡。

另一種是基于永磁電機(jī)凸極效應(yīng)的估計(jì)方法，包括瞬態(tài)電流檢測(cè)法、PWM載波頻率成分法和高頻信號(hào)注入法等，在反電動(dòng)勢(shì)值很小的零低速運(yùn)行狀態(tài)下也能使用，其中的高頻信號(hào)注入法由于其實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單且不依賴電機(jī)參數(shù)而被廣泛應(yīng)用，注入的高頻信號(hào)主要包括旋轉(zhuǎn)高頻信號(hào)、脈振高頻信號(hào)和高頻方波信號(hào)。

其中，旋轉(zhuǎn)高頻信號(hào)注入法僅適用于具有物理凸極特性的永磁電機(jī)，而脈振高頻信號(hào)注入法對(duì)于凸極率小的永磁電機(jī)也同樣適用，方波注入法相比前兩者能夠?qū)崿F(xiàn)更高的注入頻率，具有更好的動(dòng)態(tài)性能。另外，由于信號(hào)注入需要消耗直流母線電壓，亦會(huì)增加電機(jī)損耗，簡(jiǎn)單可靠且成本較低的轉(zhuǎn)速開環(huán)運(yùn)行控制也是一種重要的零低速區(qū)控制手段。

轉(zhuǎn)子的初始位置檢測(cè)對(duì)電機(jī)的平穩(wěn)起動(dòng)非常重要，除高頻脈振信號(hào)注入法以外，還有轉(zhuǎn)子初始預(yù)定位方法、電感參數(shù)矩陣計(jì)算法、響應(yīng)電流二次諧波檢測(cè)法、電壓脈沖矢量法和基于轉(zhuǎn)子微動(dòng)檢測(cè)法等。

針對(duì)RDT電機(jī)的控制特點(diǎn)，需兼顧魯棒性和動(dòng)態(tài)性能，在考慮控制模塊功率消耗的基礎(chǔ)上，結(jié)合具體零低速算法與中高速算法的原理、轉(zhuǎn)速適用范圍確定最佳切換區(qū)間，使得轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速在過渡區(qū)間不會(huì)有較大的跳變和誤差，實(shí)現(xiàn)零低速運(yùn)行控制算法與中高速運(yùn)行控制算法的平滑過渡，達(dá)到對(duì)RDT全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的精確控制，最大限度地發(fā)揮電機(jī)性能，延長(zhǎng)電機(jī)壽命。

常用的切換算法主要有加權(quán)切換和滯環(huán)切換，目前主流的復(fù)合控制算法是將高頻信號(hào)注入法與觀測(cè)器法相結(jié)合，構(gòu)成復(fù)合觀測(cè)器，而對(duì)于大型RDT產(chǎn)品，尤其在重載起動(dòng)和高低速切換過程中，無(wú)位置傳感器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)跟蹤性能存在明顯缺陷的情況下，也可探索形成新型集成式位置傳感器技術(shù)。

2.3 輪緣推進(jìn)裝置驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制方法應(yīng)用現(xiàn)狀

T.D. Batzel等于2002年設(shè)計(jì)了一套R(shí)DT無(wú)位置傳感器控制系統(tǒng)，如圖12所示，硬件部分由Sharc 21061浮點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器和ADMC 401定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器組成。浮點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器分別以100ms和0.5ms間隔對(duì)轉(zhuǎn)子位置和速度進(jìn)行估計(jì)。定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器則對(duì)定子電壓和電流進(jìn)行采樣，為逆變器提供脈寬調(diào)制信號(hào)，系統(tǒng)采用I/F運(yùn)行控制方式，實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)電流控制功能。試驗(yàn)證明了所提出的無(wú)傳感器控制方法對(duì)負(fù)載轉(zhuǎn)矩、慣性和摩擦等力學(xué)參數(shù)具有魯棒性。

謝旻甫等于2008年采用開環(huán)V/F控制方法，通過“電源-驅(qū)動(dòng)器-推進(jìn)器”的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了60～120V下的RDT控制，如圖13所示，基于測(cè)量數(shù)據(jù)以外插方式得到操作電壓下的電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)轉(zhuǎn)矩關(guān)系。結(jié)果顯示，工作轉(zhuǎn)速為1854r/min，與設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速2000r/min稍有誤差，這種控制方法算法比較簡(jiǎn)單且不依賴轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)。

圖12 RDT無(wú)位置傳感器控制電路

圖13 RDT試驗(yàn)架構(gòu)及控制電路

目前，有關(guān)RDT的公開文獻(xiàn)主要集中于電機(jī)設(shè)計(jì)及性能測(cè)試部分，而較少詳細(xì)描述其控制手段，往往采用的是算法簡(jiǎn)單且成本較低的開環(huán)控制方法進(jìn)行試驗(yàn)，并不追求其轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置的精確估計(jì)，而商用RDT的控制手段大多為公司針對(duì)特定產(chǎn)品開發(fā)，封裝于控制模塊之中，其操作原理和控制方法未知。

3 輪緣推進(jìn)裝置回轉(zhuǎn)控制方法研究現(xiàn)狀

RDT采用360°全回轉(zhuǎn)裝置實(shí)現(xiàn)船舶在航行過程中需要做的航向的偏轉(zhuǎn)、正倒車動(dòng)作控制。與傳統(tǒng)的舵槳相比，全回轉(zhuǎn)方式結(jié)構(gòu)集成度更高，倒車時(shí)采用旋轉(zhuǎn)180°而不是螺旋槳反轉(zhuǎn)，有利于提高工作效率和船舶操縱靈活性。

3.1 輪緣推進(jìn)裝置回轉(zhuǎn)控制方法

RDT的全回轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)主要組成包括：編碼器、舵角反饋模塊、中心控制模塊、電源分配模塊、回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、變頻電機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)。

編碼器用于采集駕駛臺(tái)給定的舵角信號(hào)和推進(jìn)器轉(zhuǎn)速信號(hào)，并將這兩個(gè)信號(hào)傳輸至中心控制模塊；舵角反饋模塊用于采集實(shí)際舵角信號(hào)，并將其反饋至中心控制模塊；回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括回轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、回轉(zhuǎn)電機(jī)和減速機(jī)，用于驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)舵；變頻推進(jìn)系統(tǒng)包括變頻器和永磁電機(jī)，用于驅(qū)動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)。電源分配模塊用于給整套控制系統(tǒng)供電，全回轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)框圖如圖14所示。

圖14 全回轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)框圖

大部分國(guó)內(nèi)船舶全回轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)采用經(jīng)典PI環(huán)節(jié)，某些廠商采用了開環(huán)傳遞方法，這也導(dǎo)致控制精度不高、響應(yīng)速度不快。因此，需要通過更為先進(jìn)有效的控制方法解決這些問題。

3.2 輪緣推進(jìn)器裝置回轉(zhuǎn)控制與電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的匹配問題

RDT全回轉(zhuǎn)控制與電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的匹配問題難點(diǎn)在于如何從控制的角度實(shí)現(xiàn)在任意航速時(shí)安全、快速地完成規(guī)定的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。

對(duì)于RDT的全回轉(zhuǎn)裝置，其全回轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)的基本控制邏輯在于中心控制模塊將實(shí)際舵角信號(hào)和給定舵角信號(hào)進(jìn)行比較形成舵角差，根據(jù)舵角差進(jìn)行轉(zhuǎn)舵最短路徑規(guī)劃和推進(jìn)器轉(zhuǎn)速限制規(guī)劃。由于裝置可以360°全回轉(zhuǎn)，因此，當(dāng)接收到一個(gè)大于180°的轉(zhuǎn)舵信號(hào)◆?時(shí)，應(yīng)避免堅(jiān)持朝該方向轉(zhuǎn)舵，為節(jié)省能源，減小轉(zhuǎn)舵完成時(shí)間，提高轉(zhuǎn)舵效率，考慮操縱全回轉(zhuǎn)裝置朝與轉(zhuǎn)舵命令的相反方向回轉(zhuǎn)，回轉(zhuǎn)角度為360°。

此外，船舶高速航行時(shí)外傾角比低速航行大得多，因此回轉(zhuǎn)過程中，應(yīng)根據(jù)穩(wěn)性規(guī)范估算定常回轉(zhuǎn)階段穩(wěn)定橫傾角并據(jù)此計(jì)算安全回轉(zhuǎn)速度，當(dāng)船速大于安全回轉(zhuǎn)速度時(shí)，應(yīng)限制推進(jìn)器電機(jī)轉(zhuǎn)速，降低船速，極端工況下，應(yīng)同時(shí)限制推進(jìn)器電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)舵角度及時(shí)機(jī)，避免轉(zhuǎn)舵產(chǎn)生的橫傾力矩與外力疊加。

在此基礎(chǔ)上，中心控制模塊可以采用經(jīng)典控制算法及智能算法判斷特殊工況，選擇最佳轉(zhuǎn)舵方案，實(shí)現(xiàn)在任意航速時(shí)安全、快速地完成規(guī)定的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。當(dāng)單個(gè)回轉(zhuǎn)電機(jī)難以驅(qū)動(dòng)全回轉(zhuǎn)裝置時(shí)，可考慮多回轉(zhuǎn)電機(jī)配合驅(qū)動(dòng)以適配大型全回轉(zhuǎn)裝置，加快轉(zhuǎn)舵速度。

4 多輪緣推進(jìn)裝置協(xié)同控制方法研究現(xiàn)狀

4.1 多推進(jìn)器協(xié)同控制的功能需求

目前，公布的RDT產(chǎn)品的功率一般不超過1MW，單個(gè)RDT還不能滿足大型船舶的主推進(jìn)需求。多臺(tái)具有全回轉(zhuǎn)功能的RDT協(xié)同工作是RDT應(yīng)用的一個(gè)重要方向，并可借此提高船舶航行控制精度，實(shí)現(xiàn)如主動(dòng)精確靠離泊、繁忙水域安全航行等。這種應(yīng)用模式在增加推進(jìn)總功率和提高船舶航行控制精度的同時(shí)也存在多臺(tái)RDT協(xié)同控制的難題。

多RDT協(xié)同控制系統(tǒng)的主要性能是：系統(tǒng)要能快速響應(yīng)外界環(huán)境因素的變化，使船舶保持航速，沿預(yù)定航跡行駛或穩(wěn)定在預(yù)期的位置、艏向范圍內(nèi)，并盡量節(jié)約推進(jìn)系統(tǒng)能耗。在此要求下，制定多臺(tái)RDT協(xié)同控制系統(tǒng)的控制策略時(shí)不僅要考慮控制系統(tǒng)的控制精度，還要綜合考慮功率限制、轉(zhuǎn)速約束、操作區(qū)約束和多推進(jìn)器耦合等約束條件，提高響應(yīng)速度、減小能耗。

圖15 多輪緣推進(jìn)裝置示意圖

4.2 多推進(jìn)器協(xié)同控制技術(shù)研究進(jìn)展

多RDT協(xié)同控制的關(guān)鍵在于建立船舶動(dòng)力學(xué)模型，該模型還需考慮風(fēng)、浪、流等外部因素的影響。船舶位置信息作為輸入條件，船舶推力大小和方向作為輸出參數(shù)，并建立輸入和輸出反饋控制系統(tǒng)，多輪緣推進(jìn)裝置控制系統(tǒng)框圖如圖16所示，基于該動(dòng)力學(xué)模型構(gòu)造多RDT協(xié)同控制系統(tǒng)。其中，推力分配主要涉及總推力大小計(jì)算及多RDT推力大小分配，決定了船舶航行速度；方向控制主要涉及各RDT全回轉(zhuǎn)控制，快速達(dá)到目標(biāo)航行方向。

圖16 多輪緣推進(jìn)裝置控制系統(tǒng)框圖

多RDT協(xié)同控制系統(tǒng)可分為高、低兩級(jí)控制器。高級(jí)控制器的主要功能是計(jì)算總體所需推力，低級(jí)控制器的功能則是接收指令并對(duì)推力系統(tǒng)中的各個(gè)RDT轉(zhuǎn)速及全回轉(zhuǎn)角進(jìn)行控制。推力分配系統(tǒng)作為高、低兩級(jí)控制器的紐帶，需滿足控制力要求并符合多RDT推進(jìn)系統(tǒng)的動(dòng)力性能和操作要求，其策略的優(yōu)良與否對(duì)整個(gè)協(xié)同控制系統(tǒng)的控制效果有著至關(guān)重要的影響。

使用多RDT推進(jìn)系統(tǒng)的船舶一般裝有2～5個(gè)推進(jìn)器，分別用作主推和側(cè)推，這也使整個(gè)多RDT協(xié)同控制系統(tǒng)形成了一個(gè)冗余系統(tǒng)。通常需要綜合考慮系統(tǒng)響應(yīng)速度、控制精度、主機(jī)功率等約束，將多RDT推進(jìn)系統(tǒng)總功率的最小消耗作為優(yōu)化問題的目標(biāo)。

參考多電機(jī)協(xié)同控制策略和動(dòng)力定位系統(tǒng)，多推進(jìn)器協(xié)同控制方法主要包括：

（1）并行控制。每臺(tái)RDT驅(qū)動(dòng)電機(jī)的連接是并行的，都可以保持穩(wěn)定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩輸出，但互相之間沒有影響，不能對(duì)擾動(dòng)及時(shí)調(diào)整。

（2）主從控制?？蛇x取一臺(tái)RDT驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為主電機(jī)，其他RDT驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為從電機(jī)，當(dāng)主電機(jī)出現(xiàn)擾動(dòng)，其他從電機(jī)能夠及時(shí)調(diào)整，但當(dāng)從電機(jī)出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，主電機(jī)和其他從電機(jī)并不能及時(shí)調(diào)整，協(xié)同性能較差。

（3）交叉耦合控制。與上述非耦合控制方法相比，電機(jī)之間的同步誤差更小，受到干擾時(shí)可以及時(shí)調(diào)整，但其只適用于雙電機(jī)系統(tǒng)。

（4）相鄰交叉耦合控制。相比于交叉耦合控制，其可適用于兩個(gè)以上電機(jī)系統(tǒng)，且無(wú)論是運(yùn)行初期還是受到擾動(dòng)，協(xié)調(diào)性能都很好，但電機(jī)較多時(shí)，其響應(yīng)時(shí)間會(huì)增加。

以上控制方法針對(duì)的是多RDT協(xié)同控制系統(tǒng)中的低級(jí)控制器，對(duì)于高級(jí)控制器，有如下控制方法：

（1）PID控制。它具有技術(shù)成熟、操作簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、應(yīng)用廣泛等優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)船體或環(huán)境發(fā)生較大變化時(shí)，PID控制器的所有參數(shù)都需要重新選擇，這也促進(jìn)了其他控制方法的應(yīng)用。

（2）LQG控制。它由Kalman濾波和最優(yōu)控制相結(jié)合形成，其控制系統(tǒng)只響應(yīng)會(huì)對(duì)位置變化起到較大影響的低頻運(yùn)動(dòng)，而不響應(yīng)高頻運(yùn)動(dòng)，在節(jié)能、安全、魯棒性能上有一定進(jìn)步。

（3）智能控制。利用智能控制理論設(shè)計(jì)控制律是一種處理非線性問題的控制方法。它不依賴對(duì)象的精確控制模型，因此非常適合處理多RDT推進(jìn)系統(tǒng)這種包含了環(huán)境不定性的復(fù)雜非線性控制系統(tǒng)，能夠提高控制系統(tǒng)的抗干擾能力、響應(yīng)速度和魯棒性。

多推進(jìn)器的協(xié)同控制更加聚焦于對(duì)船舶航行的精確穩(wěn)定控制。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于船舶多推進(jìn)器協(xié)同控制系統(tǒng)的研究主要集中在船舶運(yùn)動(dòng)模型、控制模型和控制算法等方面。隨著諸如RDT這種集成式電力推進(jìn)器的不斷發(fā)展，大型船舶的多推進(jìn)器協(xié)同控制系統(tǒng)必將得到更多的重視和發(fā)展。

5 結(jié)論

輪緣推進(jìn)裝置作為船舶電力推進(jìn)技術(shù)的一項(xiàng)革命性的創(chuàng)新，具有結(jié)構(gòu)緊湊、高功率密度、高機(jī)動(dòng)性能、減振降噪和節(jié)能環(huán)保等顯著優(yōu)點(diǎn)，可以有效避免傳統(tǒng)推進(jìn)系統(tǒng)中軸系結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)行振動(dòng)噪聲明顯、密封失效等難題。

對(duì)于RDT的電機(jī)和控制，主要存在以下方面的工作：

1）關(guān)于RDT驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型。綜合效率、成本和制造工藝等因素，目前永磁電機(jī)是RDT驅(qū)動(dòng)電機(jī)的理想選擇，RDT電機(jī)氣隙大且處于多物理場(chǎng)強(qiáng)耦合中，電磁性能受到影響；電機(jī)安裝于導(dǎo)管內(nèi)，其尺寸直接影響推進(jìn)器水動(dòng)力性能；電機(jī)轉(zhuǎn)子與螺旋槳直接連接，電磁激振力和水動(dòng)力直接耦合。如何通過電機(jī)設(shè)計(jì)有效降低電磁激振力，平衡RDT水動(dòng)力性能與電磁性能，是RDT驅(qū)動(dòng)電機(jī)研究的關(guān)鍵。

2）關(guān)于RDT驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制。由于RDT工作在水下并取消了傳動(dòng)軸，難以安裝位置傳感器，并存在如電機(jī)負(fù)載波動(dòng)頻繁、單一控制方法難以滿足全轉(zhuǎn)速范圍、功率限制等控制難題。因此，綜合能效因素開發(fā)適合RDT的抗擾動(dòng)復(fù)合控制算法研究以實(shí)現(xiàn)全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的無(wú)位置傳感器控制是實(shí)現(xiàn)其高性能控制的發(fā)展方向。

3）關(guān)于RDT全回轉(zhuǎn)裝置的控制。應(yīng)考慮RDT全回轉(zhuǎn)控制與電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的匹配問題，從控制的角度實(shí)現(xiàn)在任意航速時(shí)安全、快速地完成規(guī)定的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。

4）關(guān)于多RDT的協(xié)同控制。綜合考慮系統(tǒng)響應(yīng)速度、控制精度、功率限制、冗余度等約束條件，保證多RDT協(xié)同控制的準(zhǔn)確性和快速性，使多RDT協(xié)同控制用于大型化船舶上是未來的發(fā)展方向。

本文編自2022年第12期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“船舶輪緣推進(jìn)裝置驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制方法研究進(jìn)展”。本課題得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目的支持。