油电双驱动船舶的驱动模式切换控制方法与流程

1.本发明涉及船舶技术领域，具体涉及一种油电双驱动船舶的驱动模式切换控制方法。


背景技术：

2.船舶混合动力系统是指配备两种或两种以上动力源作为推进动力的系统。目前，船舶混合动力系统主要是指通过主柴油机和电动机来驱动螺旋桨的动力系统，且电动机一般由发电机组、燃料电池或储能装置等驱动，而储能装置由蓄电池或超级电容器等组成。船舶混合动力系统的运行工作模式一般情况有3种：动力输出（power take-off，pto）、动力输入（power take-in，pti）和动力返回（power take home，pth）。
3.目前针对油电双驱动船舶的三种驱动模式互相切换控制方法的研究仍不成熟。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明实施例提供了一种油电双驱动船舶的驱动模式切换控制方法，以解决现有技术中油电双驱动船舶的动力系统驱动模式相互切换时涉及转速模式与转矩模式控制导致切换不够快速的问题。
5.本发明实施例提供了一种油电双驱动船舶的驱动模式切换控制方法，包括：获取控制系统的信号；信号包括主机离合器合/脱排状态信号、主机离合器合/脱排执行信号、轴带电机转速信号和遥控系统的命令转速信号；根据主机离合器合/脱排信号判断轴带电机所需模式；根据轴带电机所需模式判断当前应采用转速控制或转矩控制；当需要将pth模式切换为pti模式时，通过功率管理系统控制轴带电机提前转为转矩模式控制；当需要将pti模式切换为pth模式时，若功率管理系统采集到主机离合器状态从合排转为脱排，则控制轴带电机进入转速控制模式；当轴带电机处于pti模式时，功率管理系统根据外部系统命令将轴带电机转为pto模式。
6.可选地，根据轴带电机所需模式判断当前应采用转速控制或转矩控制，包括：当轴带电机处于pth模式时，对应转速模式控制；当轴带电机处于pti模式时，对应转矩模式控制。
7.可选地，pto模式为：轴带电机作为发电机；在主机推进船舶航行时，主机带动轴带电机运转，从而使主机富余功率通过轴带电机转化为电能发出；电能用于给锂电池充电，和/或，电能用于日用负载供电。
8.可选地，pth模式为：轴带电机作为纯电动机运行；主机停止工作；功率管理系统接收遥控系统指令，将
轴带电机转为负载控制模式中的转速控制模式，同时功率管理系统接收遥控系统的调速指令作为控制终端对轴带电机进行控制；船舶推进功率完全靠轴带电机提供；轴带电机由锂电池供电。
9.可选地，还包括：在pth模式下，轴带电机处于转速模式，控制参考信号为nr*；当轴带电机的负载一定时，通过功率管理系统调节轴带电机的转速至控制参考信号即可。
10.可选地，pti模式为：轴带电机用作电动机运行；主机和轴带电机同时工作，共同推进船舶航行；功率管理系统接收遥控系统指令将轴带电机转为负载控制中的转矩控制模式；根据主机带动轴带电机的转速，获取参考工作点的转矩。
11.可选地，还包括：在pti模式下，轴带电机处于转矩模式，轴带电机随动系统，轴带电机的转速处于不可控状态；根据轴带电机的转速以及控制器内部设定的功率曲线来确定转矩模式参考信号iq*，从而实现转矩的闭环控制。
12.可选地，转速控制模式包括：通过编码器采集轴带电机的输出转速nr；获取控制参考信号nr*与输出转速nr的差值；根据差值调整控制电机转矩的电流，从而改变轴带电机的转速。
13.可选地，转矩控制模式包括：采集轴带电机的输出转速；根据设定好的电机转矩模式下转矩电流与转速的对应关系映射得到参考控制转矩电流；通过逻辑处理器将参考控制转矩电流和目标转矩电流进行处理，直至参考控制转矩电流和目标转矩电流一致，从而使得轴带电机达到目标功率。
14.本发明实施例的有益效果：本发明实施例提供了一种油电双驱动船舶的驱动模式切换控制方法，先采集控制系统的信号，判断轴带电机当前处于pth还是pti模式，根据当前模式确定模式切换的方式，在将pth模式切换为pti模式之前，通过pms系统控制轴带电机切换为转矩控制模式，在将pti模式切换为pth模式之前，通过pms系统控制轴带电机切换为转速控制模式，而当轴带电机处于pti模式时，pms系统可以通过接收外部系统命令，将轴带电机转为pto模式。根据以上方法，实现油电双驱动船舶的三个驱动模式之间的互相切换。
附图说明
15.通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：图1示出了本发明实施例中一种油电双驱动船舶的驱动模式切换控制方法的流程图；图2示出了本发明实施例中一种油电双驱动船舶的驱动模式切换控制方法的转速控制逻辑图；
图3示出了本发明实施例中一种油电双驱动船舶的驱动模式切换控制方法的转矩控制逻辑图；图4示出了本发明实施例中一种转速与转矩的任意对应关系示意图。
具体实施方式
16.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
17.本发明实施例提供了一种油电双驱动船舶的驱动模式切换控制方法，如图1所示，包括：步骤s10，获取控制系统的信号。信号包括主机离合器合/脱排状态信号、主机离合器合/脱排执行信号、轴带电机转速信号和遥控系统的命令转速信号。
18.步骤s20，根据主机离合器合/脱排信号判断轴带电机所需模式。
19.在本实施例中，若主机离合器处于脱排状态，则认为电机处于pth模式，应处于转速模式控制，此时通过采集遥控转速命令信号与轴带电机自身转速信号来进行闭环的转速控制。若主机处于合排状态，则认为电机处于pti模式，应处于转矩模式控制，此时仅采集自身转速信号来进行转矩控制。
20.步骤s30，根据轴带电机所需模式判断当前应采用转速控制或转矩控制。
21.在本实施例中，当轴带电机处于pth模式时，对应转速模式控制；当轴带电机处于pti模式时，对应转矩模式控制。转矩模式与转速模式的切换实际为两种逻辑运算型式，对应为两种电机操控模式，切换手段为主控器的命令，当在模式切换工程中，主控器会在适当的时间下达模式更改指令，此时电机会做对应的更改，如电机由pti模式转为pth模式时，主控器会下令电机由转矩模式更改为转速模式。
22.由于存在pth模式、pti模式、主机模式相互切换的情况，对于轴带电机的控制为可变更逻辑控制，即转速模式控制与转矩模式控制两种模式间的互相切换。
23.步骤s401，当需要将pth模式切换为pti模式时，通过功率管理系统控制轴带电机提前转为转矩模式控制。
24.在本实施例中，pth模式下轴带电机独立推进船舶航行，此时轴带电机需要处于转速控制模式，因为船舶遥控系统会通过对轴带电机发送目标转速指令，来达到控制船速的目的，轴带电机需要达到目标转速的同时，输出转速对应的输出转矩。
25.步骤s402，当需要将pti模式切换为pth模式时，若功率管理系统采集到主机离合器状态从合排转为脱排，则控制轴带电机进入转速控制模式。
26.在本实施例中，pti模式下轴带电机与主机并联使用，轴带电机起助推作用，主机为主动，轴带电机为从动，因此轴带电机不能控制转速，轴带电机的转速只能跟随主机，通过采集转速来控制输出采集转速对应的转矩，转速与转矩的对应关系设置在逻辑控制器里。因此轴带电机此时处于转矩控制模式。
27.步骤s403，当轴带电机处于pti模式时，功率管理系统根据外部系统命令将轴带电机转为pto模式。
28.在本实施例中，pto模式即轴带电机相当于锂电池电源，控制原理与锂电池电源控制基本一致。
29.本发明实施例提供了一种油电双驱动船舶的驱动模式切换控制方法，先采集控制系统的信号，判断轴带电机当前处于pth还是pti模式，根据当前模式确定模式切换的方式，在将pth模式切换为pti模式之前，通过pms系统控制轴带电机切换为转矩控制模式，在将pti模式切换为pth模式之前，通过pms系统控制轴带电机切换为转速控制模式，而当轴带电机处于pti模式时，pms系统可以通过接收外部系统命令，将轴带电机转为pto模式。根据以上方法，实现油电双驱动船舶的三个驱动模式之间的互相切换。
30.作为可选的实施方式，根据轴带电机所需模式判断当前应采用转速控制或转矩控制，包括：作为可选的实施方式，pto模式为：轴带电机作为发电机；在主机推进船舶航行时，主机带动轴带电机运转，从而使主机富余功率通过轴带电机转化为电能发出；电能用于给锂电池充电，和/或，电能用于日用负载供电。
31.作为可选的实施方式，pth模式为：轴带电机作为纯电动机运行；主机停止工作；功率管理系统接收遥控系统指令，将轴带电机转为负载控制模式中的转速控制模式，同时功率管理系统接收遥控系统的调速指令作为控制终端对轴带电机进行控制；船舶推进功率完全靠轴带电机提供；轴带电机由锂电池供电。
32.作为可选的实施方式，还包括：在pth模式下，轴带电机处于转速模式，控制参考信号为nr*；当轴带电机的负载一定时，通过功率管理系统调节轴带电机的转速至控制参考信号即可。
33.在本实施例中，如图2所示，nr*为转速参考值，即系统的目标转速。通常来自与外部遥控系统，自遥控系统通讯至pms系统。
34.nr为输入转速，为系统的实时采集转速，对于推进电机来说为通过编码器实时采集反馈的输出转速。
35.pi控制器为逻辑控制器，主要作用是通过计算nr*与nr的差值来调整控制电机转矩t的电流iq，从而达到改变电机转速的目的。
36.电机的控制机构为电机执行机构的逆变模块，逆变模块主要控制电机的输出功率p，当p固定后，即电机的运行电流iq也就固定了，iq值调整是通过主控器发出指令后，逆变模块执行完成的。
37.电流iq与电机转速nr的关系如下：t = 1.5*lm*id*iq，其中lm是电机的电感，是一个固定值，id是励磁电流，也是固定值，所以实际上t的输出通过调节iq来完成。
38.t是维持电机转速nr所需的力矩，即不同负载在维持转速nr所需的功率，当螺旋桨固定后每一个转速nr都对应一个固定的t值，因此当所需的控制转速nr确定后，即所需的t值，也就是电机的功率p，即iq也就确定，只需令执行模块控制电机输出对应的iq即可实现电机的转速控制。
39.当nr与nr*相等时，输出转矩及不再变化，电机稳定运行在目标转速。
40.作为可选的实施方式，pti模式为：轴带电机用作电动机运行；主机和轴带电机同时工作，共同推进船舶航行；功率管理系统接收遥控系统指令将轴带电机转为负载控制中的转矩控制模式；根据主机带动轴带电机的转速，获取参考工作点的转矩。
41.作为可选的实施方式，还包括：在pti模式下，轴带电机处于转矩模式，轴带电机随动系统，轴带电机的转速处于不可控状态；根据轴带电机的转速以及控制器内部设定的功率曲线来确定转矩模式参考信号iq*，从而实现转矩的闭环控制。
42.作为可选的实施方式，转速控制模式包括：通过编码器采集轴带电机的输出转速nr；获取控制参考信号nr*与输出转速nr的差值；根据差值调整控制电机转矩的电流，从而改变轴带电机的转速。
43.在本实施例中，转矩控制模式即以控制转矩为目的，输出可以维持目标功率的转矩。
44.作为可选的实施方式，转矩控制模式包括：采集轴带电机的输出转速；根据设定好的电机转矩模式下转矩电流与转速的对应关系映射得到参考控制转矩电流；通过逻辑处理器将参考控制转矩电流和目标转矩电流进行处理，直至参考控制转矩电流和目标转矩电流一致，从而使得轴带电机达到目标功率。
45.如图3所示，iq*为参考控制转矩电流，此控制转矩电流对于推进电机一般为逻辑设定值，通过编码器采集电机转速nr，通过设定好的电机转矩模式下转矩电流与转速nr的对应关系映射而得。
46.与转速控制不同，转矩控制实际上是以电机功率为控制终端的，电机转矩模式下，转速nr不可控，此时电机是受到主机带动，因此nr值完全取决于主机转速。电机每一个转速nr对应一个电机的功率p，电机的功率p又是受到电机的运行电流iq'值决定的，因此电机转矩控制过程为利用执行模块调节电流iq'值的过程。
47.iq为系统的目标转矩电流，即系统的目标功率，t = 1.5*lm*id*iq，其中只有iq是控制值，只需要控制iq即可输出目标转矩。
48.在电机进行转矩模式控制时，目标为系统的目标功率稳定，当iq*和iq存在差值时，逻辑处理器pi通过差值输出对应转矩电流iq'，并将iq'作为新的iq值输入逻辑处理器pi，直至iq*与iq一致，系统达到目标功率p。
49.如图4所示，pti模式下，电机处于转矩模式，电机随动系统，转速nr*不可控，系统需根据读取转速nr*并根据控制器内部设定的功率曲线来确定转矩模式参考信号iq*，从而实现转矩的闭环控制。一个典型的功率曲线设定图见下图，每一个转速nr*都唯一对应一个功率所需的iq*，此时的电机转矩输出逻辑关系可以是任意逻辑，只要是一一对应即可，在主控器的逻辑做适应性更改。
50.虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所
限定的范围之内。

技术特征：
1.一种油电双驱动船舶的驱动模式切换控制方法，其特征在于，包括：获取控制系统的信号；所述信号包括主机离合器合/脱排状态信号、主机离合器合/脱排执行信号、轴带电机转速信号和遥控系统的命令转速信号；根据所述主机离合器合/脱排信号判断轴带电机所需模式；根据所述轴带电机所需模式判断当前应采用转速控制或转矩控制；当需要将pth模式切换为pti模式时，通过功率管理系统控制所述轴带电机提前转为转矩模式控制；当需要将pti模式切换为pth模式时，若所述功率管理系统采集到所述主机离合器状态从合排转为脱排，则控制所述轴带电机进入转速控制模式；当所述轴带电机处于pti模式时，所述功率管理系统根据外部系统命令将所述轴带电机转为pto模式。2.根据权利要求1所述的油电双驱动船舶的驱动模式切换控制方法，其特征在于，根据所述轴带电机所需模式判断当前应采用转速控制或转矩控制，包括：当所述轴带电机处于pth模式时，对应转速模式控制；当所述轴带电机处于pti模式时，对应转矩模式控制。3.根据权利要求1所述的油电双驱动船舶的驱动模式切换控制方法，其特征在于，pto模式为：所述轴带电机作为发电机；在主机推进船舶航行时，所述主机带动所述轴带电机运转，从而使所述主机富余功率通过所述轴带电机转化为电能发出；所述电能用于给锂电池充电，和/或，所述电能用于日用负载供电。4.根据权利要求3所述的油电双驱动船舶的驱动模式切换控制方法，其特征在于，pth模式为：所述轴带电机作为纯电动机运行；所述主机停止工作；所述功率管理系统接收遥控系统指令，将所述轴带电机转为负载控制模式中的转速控制模式，同时所述功率管理系统接收所述遥控系统的调速指令作为控制终端对所述轴带电机进行控制；船舶推进功率完全靠所述轴带电机提供；所述轴带电机由所述锂电池供电。5.根据权利要求4所述的油电双驱动船舶的驱动模式切换控制方法，其特征在于，还包括：在pth模式下，所述轴带电机处于转速模式，控制参考信号为nr*；当所述轴带电机的负载一定时，通过所述功率管理系统调节所述轴带电机的转速至所述控制参考信号即可。6.根据权利要求5所述的油电双驱动船舶的驱动模式切换控制方法，其特征在于，pti模式为：所述轴带电机用作电动机运行；所述主机和所述轴带电机同时工作，共同推进船舶航行；所述功率管理系统接收所述遥控系统指令将所述轴带电机转为负载控制中的转矩控制模式；根据所述主机带动所述轴带电机的转速，获取参考工作点的转矩。7.根据权利要求6所述的油电双驱动船舶的驱动模式切换控制方法，其特征在于，还包括：在pti模式下，所述轴带电机处于转矩模式，所述轴带电机随动系统，所述轴带电机的转速处于不可控状态；根据所述轴带电机的转速以及控制器内部设定的功率曲线来确定转
矩模式参考信号iq*，从而实现转矩的闭环控制。8.根据权利要求5所述的油电双驱动船舶的驱动模式切换控制方法，其特征在于，所述转速控制模式包括：通过编码器采集所述轴带电机的输出转速nr；获取所述控制参考信号nr*与所述输出转速nr的差值；根据所述差值调整控制电机转矩的电流，从而改变所述轴带电机的转速。9.根据权利要求7所述的油电双驱动船舶的驱动模式切换控制方法，其特征在于，所述转矩控制模式包括：采集所述轴带电机的输出转速；根据设定好的电机转矩模式下转矩电流与转速的对应关系映射得到参考控制转矩电流；通过逻辑处理器将所述参考控制转矩电流和目标转矩电流进行处理，直至所述参考控制转矩电流和所述目标转矩电流一致，从而使得所述轴带电机达到目标功率。

技术总结
本发明公开了一种油电双驱动船舶的驱动模式切换控制方法，包括：获取控制系统的信号；信号包括主机离合器合/脱排状态信号、主机离合器合/脱排执行信号、轴带电机转速信号和遥控系统的命令转速信号；根据主机离合器合/脱排信号判断轴带电机所需模式；根据轴带电机所需模式判断当前应采用转速控制或转矩控制；当需要将PTH模式切换为PTI模式时，通过功率管理系统控制轴带电机提前转为转矩模式控制；当需要将PTI模式切换为PTH模式时，若功率管理系统采集到主机离合器状态从合排转为脱排，则控制轴带电机进入转速控制模式；当轴带电机处于PTI模式时，功率管理系统根据外部系统命令将轴带电机转为PTO模式。轴带电机转为PTO模式。轴带电机转为PTO模式。


技术研发人员：邓伟 岳凡 马月清 孙健 史华恩 王亚荣 唐泉 金鑫
受保护的技术使用者：无锡赛思亿电气科技有限公司
技术研发日：2022.12.09
技术公布日：2023/4/17