專利名稱：系泊絞車以及控制系泊絞車的系泊索的方法
技術領域：
本發明涉及控制系泊絞車的系泊索張力的方法。另外，本發明涉及系泊絞車以及
控制系泊絞車的系泊索張力的計算機程序。
背景技術：
當船舶沿著港口的碼頭或停泊處停泊時，錨固船舶的系泊索必須被適當張緊，以將船舶保持在合適的位置。如果沒有在保持系泊索處于正確的張緊狀態方面做出努力，將可能出現危險情況，這是因為船舶往往會相對碼頭移動，從而使系泊索承受較大的力。有多種因素會使船相對碼頭或停泊堤岸移動。這些因素可以是例如潮水周期性變化所引起的水位變化，貨物裝載和/或卸載所引起的船舶移動。這些因素將會引起船舶相對碼頭改變位置，因而將會改變在船舶和碼頭之間具有給定長度的系泊索的張力。另外，船舶在風浪作用下會搖擺或晃動，從而在系泊索中產生變化的張力。在運動幅度較大的情況下，系泊索可能失去作用，結果，對附近區域的人員造成危險以及有船舶受損的危險。 公開出版物EP0676365公開一種具有至少一個巻筒的系泊絞車，巻筒通過變速箱連接到電驅動裝置。電驅動裝置為異步交流電動機，其連接到速度控制器上并裝設有制動器。速度控制器具有用于檢測當前轉速的速度指示器。速度控制器可以通過控制單元進行調整，控制單元可以是例如以檢測到的轉速和轉速目標值作為輸入的編程控制器。上述系泊絞車的關鍵部件是速度指示器，速度指示器容易受到惡劣天氣情況的影響，尤其是在系泊絞車作為船舶的露天甲板機械的情況下。
發明內容
根據本發明的第一方面，提供一種新型系泊絞車。根據本發明的系泊絞車包括 _用于巻繞系泊索的巻筒；-用來驅動巻筒的交流電動機；-用來將電力供給交流電動機的變頻裝置；-設置用來依據系泊索的張力指示器控制該變頻裝置的控制單元； 其中，控制單元被布置用于計算磁通空間矢量，以便對交流電動機的磁通建模，用
于依據磁通空間矢量和交流電動機的定子電流的空間矢量來計算轉矩估算值，并用轉矩估
算值作為系泊索張力的指示。 由于轉矩估算值被用作系泊索張力的指示物，因此不必為系泊索設置力傳感器和/或為交流電動機設置速度傳感器或位置傳感器。 根據本發明的第二方面，提供一種用于控制系泊絞車的系泊索張力的新方法，系泊絞車包括巻繞系泊索的巻筒，用來驅動巻筒的交流電動機，和為交流電動機供應電力的變頻裝置。根據本發明的方法包括-計算磁通空間矢量，以便對交流電動機的定子磁通建模；-依據磁通空間矢量和交流電動機的定子電流的空間矢量，計算轉矩估算值；
_以轉矩估算值作為系泊索張力的指示物；禾口
-依據系泊索張力的指示，控制變頻裝置。 根據本發明的第三方面，提供一種新的計算機程序用于控制系泊絞車的系泊索張力，系泊絞車包括巻繞系泊索的巻筒，用來驅動巻筒的交流電動機，和為交流電動機供應電力的變頻裝置。根據本發明的計算機程序包括計算機可執行指令，用于使編程處理器
-計算磁通空間矢量，以便對交流電動機的定子磁通建模；-依據磁通空間矢量和交流電動機的定子電流的空間矢量來計算轉矩估算值；
-以轉矩估算值作為系泊索張力的指示；禾口
-依據系泊索張力的指示來控制變頻裝置。 根據本發明的第四方面，提供一種新的計算機可讀介質，其編碼有根據本發明的計算機程序。 在后附的多個從屬權利要求中描述了本發明的多個實施例。 在結合附圖閱讀以下對具體的示范實施例的描述時，將會更好地理解本發明的多
個既作針對構造又針對工作方法的示范實施例、以及本發明的其它目的和優點。 本文所用的動詞"包括"作為開放式限定，不排除存在沒有列舉出的特征。從屬權
利要求所述的特征可以相互自由組合，除非以其它方式做出明確說明。
以下，參照附圖來舉例詳細說明本發明的示范實施例及其優點，其中
圖1示出了根據本發明的實施例的系泊絞車； 圖2a和圖2b示出了在示例情況下的根據本發明實施例的系泊絞車的工作過程；
圖3是根據本發明實施例的、用于控制系泊絞車的系泊索張力的方法的流程圖。
具體實施例方式
圖1示出了根據本發明的一個實施例的系泊絞車。系泊絞車包括用于巻繞系泊索102的巻筒101、和用于驅動巻筒的交流電動機103。交流電動機可以是例如感應電動機或永磁同步電動機。圖1所示的系泊絞車1具有布置在交流電動機103和巻筒101之間的變速箱106。巻筒由變速箱和軸承座108支承。根據交流電動機的尺寸設定和巻筒的尺寸設定，也可以設有直接驅動型巻筒，而不需要變速箱。系泊絞車包括將電力供給交流電動機103的變頻裝置104。變頻裝置連接到電網107，其可以是例如船載電網。系泊絞車包括控制單元105，該控制單元布置成依據系泊索106張力[kN]的指示來控制變頻裝置。交流電動機103優選在速度控制模式下被如此驅動，即伴隨速度控制能產生的最大系泊索張力受到限制，以避免發生危險情況。控制單元105優選布置成構成速度控制器，以實現交流電動機的速度控制。也可以使用被布置用于構成速度控制器的獨立裝置。控制單元105布置成能計算磁通空間矢量W，以便對交流電動機的定子磁通建模，并依據磁通空間矢量和交流電動機的定子電流的空間矢量i來計算轉矩估算值M^。轉矩估算值可按下面的公式計算
Mest = WXi， (1) 其中"X"表示矢量積(即叉積)。控制單元105采用轉矩估算值作為系泊索張力的指示。因此，通過將轉矩估算值保持在容許范圍內，系泊索張力被保持在容許范圍內。交流電動機103采用無傳感器矢量控制進行控制，即采用在交流電動機的軸上不設速度和 /或位置指示器的控制。無傳感器矢量控制可以是例如開環直接轉矩控制(DTC)，其中供給 交流電動機的接線端的電壓的空間矢量v以這樣的方式來控制，即轉矩M^t和磁通空間矢 量的幅度1^1處于期望的范圍內。 變頻裝置104和控制單元105可以是獨立的裝置，或者作為替代方案，它們可以是 變頻器110的部件。 在根據本發明實施例的系泊絞車中，為啟動自動系泊操作，控制單元105設置成 能執行以下動作-將交流電動機的轉速基準值設為零；
-釋放系泊絞車的制動器109 ;-計算在轉速基準值已設為零且制動器已釋放情況下的轉矩估算第一值，禾口-依據轉矩估算第一值和轉矩預設值來確定要收緊還是松開系泊索。 轉矩預設值是交流電動機所產生的轉矩目標值的上限。如果轉矩估算第一值明顯
高于該預設值，則系泊索太緊，應該松開系泊索。相應地，如果轉矩估算第一值明顯小于預
設值，則系泊索太松，應該收緊系泊索。人們不期望系泊索太松，這是因為松弛的系泊索容
易導致有害的機械運動。 在根據本發明的一個實施例的系泊絞車中，控制單元105設置成能執行以下連續 的階段，以完成周期性的系泊操作-階段A:將交流電動機通電，將交流電動機的轉速基準值設為零；
-階段B :釋放系泊絞車的制動器109 ;-階段C :計算轉速基準值已設為零且制動器已被釋放情況下的轉矩估算第一值，
-有條件的階段D:作為對計算出的轉矩估算值低于第一極限值H-情形的響應，控 制交流電動機收緊系泊索；-有條件的階段￡:作為對算出的轉矩估算值高于第二極限值11+情形的響應，控制 交流電動機放松系泊索；禾口-階段F:接通制動器，將交流電動機斷電，等待預定的時間間隔，然后繼續進行階 段A。 上述第二極限值大于或等于上述第一極限值，即H+ > H-。 在根據本發明的另一個實施例的系泊絞車中，控制單元105布置成保持交流電動 機連續通電和受控，以提供連續的系泊操作。 和連續系泊操作相比，間歇系泊操作節省能量，因為在間歇系泊操作中，交流電動 機在較大部分時間中處于斷電狀態。 根據本發明的一個實施例的系泊絞車包括控制接口，用于實現在上述間歇系泊操 作和連續系泊操作之間做出選擇。 有多種方式可以實施系泊絞車的制動器。例如，制動器可以如圖1所示地布置，或 者制動器可被集成到電動機103，或者制動器可以被集成到變速箱106，或者可以設置與下 列一個以上的裝置聯合使用的制動器電動機、變速箱和軸承座108。制動器可以是例如盤 形制動器或鼓式制動器。 圖2a示出了根據本發明實施例的系泊絞車的示例性運行情況。曲線221代表轉
7矩估算值，曲線222代表交流電動機的速度基準值。應當注意，速度基準值222在時間間隔 t0. . . tl和t2. . . t3期間與時間軸重合。術語"速度基準值"意思在本文中是指交流電動機 103(圖1)的轉速基準值。轉速基準值不必是恒定的，其可以隨著時間而變化。
在根據本發明的一個實施例的系泊絞車中，控制單元105(圖1)布置成能使交流 電動機103 (圖1)收緊系泊索102 (圖1)，作為對轉矩估算值221低于第一預定滯后極限值 H-情形的響應；并能使交流電動機放松系泊索，作為對轉矩估算值221高于第二預定滯后 極限值H+情形的響應。第二預定滯后極限值H+大于第一預定滯后極限值H-。在本文中， 以這樣的方式選擇交流電動機轉速的指令，即當交流電動機正向旋轉時，系泊索被收緊，即 系泊索張力增加。因此，通過使速度基準值222為正值，系泊索可被收緊；通過使速度基準 值222為負值，系泊索可被放松。在圖2a示出的示例性情況下，轉矩在時刻tl大于滯后極 限值H+，并且因此使速度基準值222為負，以減小系泊索張力。在時刻t3，轉矩估算值低于 滯后極限值H-，因此使速度基準值為正，以增大系泊索張力。 在根據本發明的一個實施例的系泊絞車中，控制單元105(圖1)被布置成將速度 基準值222設為零，作為對轉矩估算值221處于預定范圍R情形的響應。預定范圍R處于 轉矩預設值S左右。預設值S可以是轉矩目標值的上限。轉矩目標值是例如速度控制器的 輸出并且能夠隨時間而變化。在圖2a所示的示例性情況下，在時刻t2，轉矩估算值221處 于預定范圍R內，因此速度基準值在時刻t2被設為零。 圖2b示出了根據本發明實施例的系泊絞車的示例性運行情況。曲線221代 表轉矩，曲線222代表交流電動機的速度基準值。請注意，在時間間隔t0. . . tl+dl和 t2+d2. . . t3+d3期間，速度基準值222與時間軸重合。 在根據本發明的一個實施例的系泊絞車中，控制單元105(圖1)布置成使交流電 動機103 (圖1)收緊系泊索102 (圖1)，作為對在轉矩估算值221低于滯后極限值H-之后 已過去第一預定延遲時間d3情形的響應；使交流電動機放松系泊索，作為對在轉矩估算值 221超過滯后極限值H+之后已過去第二預定延遲時間dl情形的響應。在圖2b所示的示例 性情況中，在時刻tl，轉矩估算值超過滯后極限值H+，因此在延遲時間dl之后使速度基準 值222為負，以減小系泊索張力。在時刻t3，轉矩估算值低于滯后極限值H-，因而在延遲時 間d3之后使速度基準值為正，以增大系泊索張力。借助所述延遲時間，可以避免不必要的 和可能的振蕩控制動作，例如在轉矩估算值221在所述滯后極限值H+和H-左右振蕩的情 況下。 在根據本發明的一個實施例的系泊絞車中，控制單元105(圖1)布置成能將速度 基準值222設為零，作為對在轉矩估算處于預定范圍R之后已過去預定延遲時間d2情形的 響應。在圖2a所示的示例性情況下，在時刻t2，轉矩估算值221處于預定范圍R內，因此， 速度基準值222在時刻t2+d2被設為零。 在根據本發明的一個實施例的系泊絞車中，控制單元105(圖1)布置成能構成速 度控制器，用于控制交流電動機103(圖1)的轉速。速度控制器的輸出是轉矩目標值，其能 隨時間而變化。轉矩預設值S優選為轉矩目標值的上限。 圖3為根據本發明的一個實施例的、用于控制系泊絞車的系泊索張力的方法的流 程圖。該方法包括-在階段301，計算磁通空間矢量W，以便對交流電動機103 (圖1)的定子磁通建
8模；-在階段302，依據磁通空間矢量和交流電動機的定子電流的空間矢量i，按照Mest =W X i計算轉矩Mest ;-在階段303，采用轉矩估算值作為系泊索102(圖1)張力T的指示；
-在階段304，依據系泊索張力T的指示來控制變頻裝置104 (圖1)。
根據本發明的一個實施例的方法還包括下列用于啟動自動系泊操作的動作
-將交流電動機的轉速基準值設為零；
-釋放系泊絞車的制動器；-計算在轉速基準值已設為零且制動器已釋放情況下的轉矩估算第一值；-依據轉矩估算第一值和轉矩預設值來確定收緊還是放松系泊索。 根據本發明的一個實施例的方法包括以下連續階段，用于完成周期性系泊操作-階段A :給交流電動機通電，從而交流電動機的轉速基準值為零；-階段B :釋放系泊絞車的制動器；-階段C :計算在轉速基準值已為零且制動器已釋放情況下的轉矩估算第一值；
-有條件的階段D:作為對計算出的轉矩估算值低于第一極限值H-情形的響應，控 制交流電動機收緊系泊索；-有條件的階段￡:作為對計算出的轉矩估算值高于第二極限值11+情形的響應，控 制交流電動機放松系泊索；禾口-階段F:接通制動器，將交流電動機斷電，等待預定的時間間隔，然后繼續進行階 段A。 上述第二極限值大于或等于上述第一極限值，即H+ > H-。 在根據本發明的另一個實施例的方法中，交流電動機被連續通電和被控制，以提 供連續的系泊操作。 根據本發明的一個實施例的方法包括在上述的周期性系泊操作和連續系泊操作 之間作選擇。 在根據本發明的一個實施例的方法中，交流電動機被控制以收緊系泊索，作為對 轉矩估算值221 (圖2a)低于第一預定極限值H-情形的響應；交流電動機被控制以放松系 泊索，作為對轉矩估算值221(圖2a)超過第二預定極限值H+(圖2a)情形的響應，第二預 定極限值大于第一預定極限值。 在根據本發明的一個實施例的方法中，交流電動機的轉速基準值222(圖2a)被設 為零，作為對轉矩估算值221(圖2a)處于預定范圍R(圖2a)情形的響應，該預定范圍處于 轉矩預設值S(圖2a)的左右。 在根據本發明的一個實施例的方法中，交流電動機被控制以收緊系泊索，作為對 在轉矩估算值221(圖2b)低于第一預定極限值H-(圖2b)之后已過去第一預定延遲時間 d3情形的響應；交流電動機被控制以放松系泊索，作為對在轉矩估算值221超過第二預定 極限值H+(圖2b)之后已過去第二預定延遲時間dl(圖2b)情形的響應，第二預定極限值 大于第一預定極限值。 在根據本發明的一個實施例的方法中，交流電動機的轉速基準值222(圖2b)被設 為零，作為對轉矩估算值221(圖2b)處于預定范圍R內(圖2a)且已過去預定延遲時間d2(圖2b)情形的響應，該預定范圍在轉矩預設值S(圖2b)的左右。 在根據本發明的一個實施例的方法中，轉矩預設值S(圖2a和圖2b)為轉矩目標
值的上限，轉矩目標值為用來控制交流電動機轉速的速度控制器的輸出。 根據本發明實施例的計算機程序包括用于控制系泊絞車的系泊索的張力的計算
機可執行指令，系泊絞車包括用于巻繞系泊索的巻筒，用來驅動巻筒的交流電動機，及用來
為交流電動力供應電力的變頻裝置。上述計算機可執行指令能夠控制可編程處理器來-計算磁通空間矢量，以便對交流電動機的定子磁通建模； _依據磁通空間矢量和交流電動機的定子電流的空間矢量來計算轉矩估算值；
-用轉矩估算值作為系泊索張力的指示；禾口
-依據系泊索張力的指示來控制變頻裝置。 根據本發明的一個實施例的計算機可讀介質編碼有根據本發明實施例的計算機 程序。該計算機可讀介質可以是例如只讀光盤(CD-ROM)。 根據本發明的一個實施例的指令適于承載用于規定根據本發明實施例的計算機 程序的信息。 在上面的說明書中給出的一些具體實施例不應被解釋為是對本發明的限制。因 此，本發明并不僅局限于上述的實施例，多種變型方案也是可行的。
10
權利要求
一種系泊絞車，包括-用于卷繞系泊索(102)的卷筒(101)；-用于驅動該卷筒的交流電動機(103)；-用于給該交流電動機供電的變頻裝置(104)；和-設置成依據系泊索張力的指示來控制該變頻裝置的控制單元(105)；其特征是，該控制單元布置成計算磁通空間矢量，以便將該交流電動機的定子磁通建模，依據該磁通空間矢量和該交流電動機的定子電流的空間矢量來計算轉矩估算值，并以該轉矩估算值作為該系泊索張力的指示。
2. 根據權利要求1所述的系泊絞車，其特征是，該控制單元設置成 -將該交流電動機的轉速基準值設為零； -釋放該系泊絞車的制動器(109);_計算在轉速基準值已設為零且制動器已釋放情況下的轉矩估算第一值； _依據該轉矩估算第一值和轉矩預設值確定要收緊還是放松系泊索。
3. 根據權利要求1所述的系泊絞車，其特征是，該控制單元設置成使交流電動機收緊 系泊索，作為對該轉矩估算值(221)低于第一預定極限值(H-)情形的響應；使交流電動機 放松系泊索，作為對該轉矩估算值高于第二預定極限值(H+)情形的響應，第二預定極限值大于第一預定極限值。
4. 根據權利要求3所述的系泊絞車，其特征是，該控制單元設置成將該交流電動機的 轉速基準值(222)設為零，作為對該轉矩估算值(221)處于預定范圍(R)情形的響應，該預 定范圍R處于轉矩預設值(S)左右。
5. 根據權利要求1所述的系泊絞車，其特征是，該控制單元設置成使該交流電動機收 緊系泊索，作為對在轉矩估算值(221)低于第一預定極限值(H-)之后已過去第一預定延遲 時間(d3)情形的響應；使該交流電動機放松系泊索，作為對在轉矩估算值(221)超過第二 預定極限值(H+)之后已過去第二預定延遲時間(dl)情形的響應，第二預定極限值大于第 一預定極限值。
6. 根據權利要求5所述的系泊絞車，其特征是，該控制單元設置成將該交流電動機的 轉速基準值(222)設為零，作為對在該轉矩估算值(221)已處于預定范圍限)之后已過去 預定延遲時間(d2)情形的響應，該預定范圍處于轉矩預設值(S)左右。
7. 根據權利要求2或4或6所述的系泊絞車，其特征是，該控制單元設置成構成速度控 制器，用于控制該交流電動機的轉速，該速度控制器的輸出為轉矩目標值，并且該轉矩預設 值(S)為該轉矩目標值的上限。
8. 根據權利要求1所述的系泊絞車，其特征是，該控制單元設置成執行以下連續的階 段，以完成周期性系泊操作_階段A :給該交流電動機通電，從而交流電動機的轉速基準值為零；-階段B:釋放該系泊絞車的制動器(109);-階段C :計算在該轉速基準值已為零且該制動器已釋放情況下的轉矩估算第一值；和 _有條件的階段D :作為對計算出的轉矩估算值低于第一極限值情形的響應，控制該交 流電動機收緊系泊索；_有條件的階段E :作為對計算出的轉矩估算值高于第二極限值情形的響應，控制該交流電動機放松系泊索；_階段F :接通該制動器，將該交流電動機斷電，等待預定的時間間隔，然后繼續進行所 述階段A。
9. 一種用于控制系泊絞車的系泊索的張力的方法，該系泊絞車包括用于巻繞系泊索的 巻筒、用于驅動該巻筒的交流電動機和用于給該交流電動機供電的變頻裝置，其中所述方 法包括依據系泊索張力的指示來控制該變頻裝置的步驟(304)，其特征是，所述方法還包括 以下步驟-計算磁通空間矢量，以便對該交流電動機的定子磁通建模(301); -依據該磁通空間矢量和該交流電動機的定子電流的空間矢量，計算轉矩估算值 (302);-用該轉矩估算值作為系泊索張力的指示(303)。
10. 根據權利要求9所述的方法，其特征是，所述方法包括以下步驟 -將該交流電動機的轉速基準值設為零； -釋放該系泊絞車的制動器；_計算在轉速基準值已設為零且制動器已釋放情況下的轉矩估算第一值； _依據該轉矩估算第一值和轉矩預設值確定要收緊還是放松系泊索。
11. 根據權利要求9所述的方法，其特征是，該交流電動機被控制以收緊系泊索，作為 對該轉矩估算值(221)低于第一預定極限值(H-)情形的響應；該交流電動機被控制以放松 該系泊索，作為對轉矩估算值(221)高于第二預定極限值(H+)情形的響應，第二預定極限 值大于第一預定極限值。
12. 根據權利要求ll所述的方法，其特征是，該交流電動機的轉速基準值(222)被設 為零，作為對轉矩估算值(221)處于預定范圍(R)情形的響應，該預定范圍處于轉矩預設值 (S)左右。
13. 根據權利要求9所述的方法，其特征是，該交流電動機被控制以收緊系泊索，作為 對在該轉矩估算值(221)低于第一預定極限值(H-)之后已經過去第一預定延遲時間(d3) 情形的響應；該交流電動機被控制以放松系泊索，作為對在轉矩估算值(221)超過第二預 定極限值(H+)之后已經過去第二預定延遲時間(dl)情形的響應，第二預定極限值大于第 一預定極限值。
14. 根據權利要求9所述的方法，其特征是，所述方法包括下列連續的階段，以完成周 期性的系泊操作-階段A:給交流電動機通電，從而該交流電動機的轉速基準值為零；-階段B:釋放該系泊絞車的制動器(109);-階段C :計算在轉速基準值已為零且制動器已釋放情況下的轉矩估算第一值；_有條件的階段D :作為對計算出的轉矩估算值低于第一極限值情形的響應，控制該交 流電動機收緊系泊索；_有條件的階段E :作為對計算出的轉矩估算值高于第二極限值情形的響應，控制該交 流電動機放松系泊索；禾口_階段F :接通該制動器，將該交流電動機斷電，等待預定的時間間隔，然后繼續進行所 述階段A。
15. —種用于控制系泊絞車的系泊索的張力的計算機程序，該系泊絞車包括用于巻繞 系泊索的巻筒、用于驅動巻筒的交流電動機和用于給交流電動機供電的變頻裝置，其中該 計算機程序包括計算機可執行指令，用于使可編程處理器依據該系泊索張力的指示來控制 該變頻裝置，其特征是，所述計算機程序還包括計算機可執行指令，用于使可編程處理器來 _計算磁通空間矢量，以便對該交流電動機的定子磁通建模；_依據該磁通空間矢量和該交流電動機的定子電流的空間矢量，計算轉矩估算值； _用該轉矩估算值作為系泊索張力的指示。
全文摘要
本發明公開一種電動系泊絞車。系泊絞車包括卷筒(101)、用來驅動卷筒的交流電動機(103)和連接到交流電動機的變頻裝置(104)、以及用來依據系泊索張力的指示來控制變頻裝置的控制單元(105)。控制單元設置成計算磁通空間矢量以便對交流電動機的定子磁通建模，依據磁通空間矢量和定子電流的空間矢量來計算轉矩估算值，并且采用轉矩估算值作為系泊索張力的指示。因此，不需要在系泊索上設置力傳感器，在電動機軸上不需要設置速度/位置傳感器。
文檔編號B66D1/28GK101734569SQ20091020746
公開日2010年6月16日 申請日期2009年11月5日 優先權日2008年11月10日
發明者M·霍姆伯格, V·鄭 申請人:Abb有限公司