船载式AMP电缆卷筒转矩控制方法
摘要：
为在船舶持续使用岸电的过程中对电缆张力进行有效的监测和控制，研究电缆重力变化和电缆卷筒转矩变化的数学模型。基于中远海运科技股份有限公司研制的船载式AMP电缆卷筒CSAMPJCH2，结合通用变频原理，设计一套卷筒转矩控制方案。该方案能实现对电缆张力的有效控制。
关键词：
AMP电缆卷筒； 电缆张力分析； 卷筒转矩控制
中图分类号： U664.44； TP273
文献标志码： A
Abstract：
In order to monitor and control cable tension effectively in the process of ships using shore power continuously， the mathematical models of cable gravity variation and cable reel torque variation are studied. For CSAMPJCH2 cable reels developed by COSCO Shipping Technology Co.， Ltd.， a reel torque control scheme is designed with the combination of the general frequency conversion principle. The effective control of cable tension can be realized by the scheme.
Key words：
AMP cable reel； cable tension analysis； reel torque control
0引言
船舶在靠港期间用船电会因副机运行对港口造成大量的气体排放污染。随着全球环境的恶化以及人们环保意识的提升，各领域逐步开始采取节能减排措施，研发节能减排技术。船舶岸电技术是航运领域新兴的关键技术，对船舶废气的减排、港口城市环境的改善和船员工作生活质量的提升起到了举足轻重作用。
船用电缆卷筒是船舶岸电系统的重要接口。如果在使用电缆的过程中无法对电缆张力进行有效监控，有可能发生电缆毁损事件，从而导致严重的安全问题，因此必须对岸电持续使用过程中电缆张力的变化和电机的转矩控制进行研究和设计。目前大部分有关电缆的研究是基于由磁滞离合器或转矩电机组成的电缆卷筒驱动系统进行的，如：祝鹏辉[1]分析了岸桥供电电缆扭曲变形，认为磁滞式电缆卷筒缠绕方式导致了电缆受力不均，造成电缆扭曲损毁；代弘君[2]为解决磁滞离合器力矩变小导致松缆的问题，将电机更换为带电磁制动器的电机用于转矩补偿；武世鹏[3]用粗略的数学模型近似计算电缆转矩，以确定转矩电机的技术参数。随着变频技术的广泛应用，针对变频驱动电缆卷筒的研究也已经展开，如：徐秀桃等[4]在分析磁滞离合器、转矩电机、液力耦合器等3种电缆驱动系统优劣的基础上提出了使用变频器驱动电缆卷筒，以保证更精确的转矩输出。本文研究以可编程逻辑控制器（programmable logic controller， PLC）和变频器为核心的电缆卷筒转矩控制系统，以达到快速响应、输出更精准的转矩的目标，有效解决电缆扭曲、破皮、扯断等问题。
1系统组成及控制模式
本文的研究基于中远海运科技股份有限公司研制的船载式AMP电缆卷筒CSAMPJCH2，该系统主要由电缆卷筒钢结构、集电环总成、高压插头及电缆、导缆架液压驱动系统、电缆卷筒驱动系统等5个部分组成。本文主要研究岸电持续使用过程中电缆张力及所需转矩的变化问题，并确定电缆卷筒电机的转矩控制方法。
电缆卷筒驱动系统由链轮传动系统、交直轴减速机、变频电机、变频器等组成。变频器采用转速控制模式和转矩控制模式对电机进行调速控制；交直轴减速机与链轮传动系统相互配合将电机输出转速降低、输出转矩放大[5]。整个传动系统由一套PLC控制，各种控制器与限位开关的配合能够有效地实现电缆卷筒手动收缆放缆、自动电缆控制、系统联锁和监测报警，见图1。
船载式AMP电缆卷筒CSAMPJCH2的运行有手动和自动两种模式，分别应用于两种不同的工况。手动模式一般用于船舶到港和离港时的放缆和收缆工况。操作人员通过手持式操作盒上的按钮控制卷筒进行收缆和放缆动作，电缆卷筒能够根据确定的频率恒转速运行。此时变频器运行在转速控制模式，采用矢量控制方式对电机进行调速控制。矢量控制的基本原理是通过测量和控制异步电机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对电机的励磁电流和转矩电流两个分量的幅值和相位进行控制，显著改善交流传动系统的动态特性[6]。当电缆插头与岸电箱连接后，电缆卷筒运行模式可切换至自动模式。此时驱动系统能够持续输出转矩，使垂悬在船舷外的电缆能够保持合适的张力。电缆张力过大会增加电缆内损；电缆张力过小会导致电缆不规则形变，甚至造成掉缆的事故。船舶停靠港口过程中风浪、潮汐变化以及装卸货作业都会造成船舶吃水的变化，从而导致电缆的松紧变化，此時电缆张力控制器也会做出有效响应。船载式AMP电缆卷筒CSAMPJCH2创新性地以电机变频驱动技术取代了传统的液力耦合器来实现电缆张力的调节，解决了传统的液力耦合器存在的制造和维护成本高、张力调节难度大、动态响应缺失等问题；变频器运行在转矩控制模式，采用直接转矩控制方式，对电机转矩进行调节控制。
2电缆张力计算
2.1电缆卷筒受力分析
船舶靠泊后使用岸电，应严格按照岸电系统使用规范和船用电缆卷筒操作手册进行电缆连接作业和船舶并网作业。首先，将电缆卷筒的导缆架下放到位。导缆架的作用是将电缆引导出船舷并保证把电缆安全下放至泊位的岸电箱。导缆架上的辊轴能够使电缆在导缆架上平滑移动，避免摩擦造成的电缆护套层磨损。然后，将手持式操作盒上的旋转开关置于手动模式，按住“放缆”按钮，直至高压电缆被送至地面。此时，电缆和电缆卷筒受力示意图见图2。
由图2可知，导缆架最外侧辊轴对电缆起到支撑和导向作用。由于导缆架辊轴可以灵活转动，故可以将其类比为一个理想定滑轮。根据定滑轮系统理论可以得出，辊轴给予电缆一个支撑力N，方向沿着导缆架延长线方向。放至船舷外的电缆则可类比为理想绳模型，即电缆每一点受力都相同。电缆本身受重力G作用，方向竖直向下；电缆受到卷筒提供的拉力F作用，方向沿卷筒切线方向向上。根据牛顿第一定律可得
2.2自动模式下电缆所受重力的计算
电缆卷筒驱动系统的转矩控制以电缆内部张力的监测为基础，输出转矩能够实时随电缆张力的变化而变化，保证电缆受力均匀。实际情况下电缆内部的张力难以监测，本文采用的方法是通过对电缆卷筒的受力分析，将电缆张力的采集问题转化为对电缆所受重力的采集和计算问题。
对电缆所受重力的采集和计算是基于对垂悬于船舷外电缆长度的采集和计算进行的。根据卷筒结构和卷缆工况，可以采用阿基米德螺旋线数学模型对卷筒工作时的运动状态进行建模。阿基米德螺旋线也称等速螺线，是一个点匀速离开一个固定点的同时以固定的角速度绕该固定点转动而产生的轨迹。阿基米德螺旋线与电缆卷筒收缆和放缆时电缆的运动轨迹类似，因此用阿基米德螺旋线模型对电缆卷绕运动进行建模。
表1为电缆卷筒和高压船用电缆的技术参数。将各参数与螺旋线弧长计算公式中的参数一一对应并代入公式，其中电缆直径等效为电缆卷筒每旋转一圈极径增加的长度，则公式中的b=d/2π。电缆是沿卷筒内圈开始卷绕而并不是从极点开始的，因此可以认为卷缆是从第8圈开始的，经过计算可得船舷外电缆长度与卷筒旋转角度的关系，见图3。
由图3和表2可知：
（1）卷筒放出的电缆长度与卷筒旋转角度并不是严格的一次函数关系，其关系曲线类似于抛物线；
（2）曲线的斜率与变化的电缆卷筒旋转半径正相关，即放出的电缆越多，卷筒上缠绕的电缆越少，卷筒上的电缆旋转半径越小，曲线的斜率相应变小。
以实际产品为例，采用的电缆规格为CRCEF 6/10 kV，电缆密度为10 kg/m，则电缆所受重力大小可通过G（θ）=mgl（θ）计算，其中g取9.8 N/kg。电缆所受重力公式可进一步整理为
2.3自动模式下卷筒所需最小转矩的计算
根据力矩公式（力矩为力与力臂的乘积）M=FL，即可以得出卷筒旋转至任意位置时所需要的最小转矩。力臂与阿基米德螺旋线的极径等效，则最小转矩计算公式为
由图5和表3可知：
（1）与船舷外电缆所受重力变化曲线类似，卷筒所需最小转矩与旋转角度之间不是一次函数关系，其关系曲线类似于抛物线；
（2）与船舷外电缆所受重力变化曲线一直呈现上升形态不同的是，随着电缆放出的长度越来越长，卷筒所需最小转矩会先变大后变小。
通过对船舷外电缆所受重力和卷筒所需最小转矩的研究，获得了它们与卷筒旋转角度的函数关系及变化情况，这为卷筒转矩控制方法的设计提供了指导。
3控制方法
3.1变频器直接转矩控制原理
随着现代电力电子技术的迅猛发展和变频控制理论的逐步完善，变频器的性能越来越强而成本越来越低，越来越多的交流传动系统采用变频驱动控制。变频器按照其主电路结构可分为交交变频器和交直交变频器，按照逆变器控制方式又可分为恒压频比控制（V/f控制）、转差频率控制、矢量控制和直接转矩控制等[7]。
V/f控制是最简单的异步电机（以下简称电机）变频调速方式，变频器只需对V/f特性、工作频率、频率升降时间等参数进行设置，就可以实现平滑的电机转速调节。V/f控制可以满足一般调速需要，但其动态、静态性能还很有限。
转速闭环控制的基本方法是在调速系统外环设置转速调节器，以转速调节器的输出作为转矩给定信号。如果保持气隙磁通不变，电机的转矩就近似与转差频率成正比，因而控制转差频率就能控制转矩[6]。转差频率控制能够在一定程度上控制电机转矩，但它依据的是稳态模型，并不能真正控制动态过程中的转矩，从而得不到很理想的动态控制性能。
矢量控制理论使交流电机控制理论获得第一次质的飞跃，其基本原理为：以转子磁链这一旋转空间矢量为参考坐标，将定子电流分解为两个分量（一个与磁链同方向，代表定子电流励磁分量；另一个与磁链方向正交，代表定子电流转矩分量），然后分别进行独立控制，获得像直流电机一样良好的动态特性[8]。理论上，矢量控制方法可以使电机传动系统的动态特性得到显著改善，但也存在坐标变换复杂、转子磁链难以准确观测等问题。
直接转矩控制是继矢量控制变频调速技术发展起来的一种新型的高性能交流变频调速技术。它相对于其他控制具有以下特点：
（1）直接转矩控制是在定子坐标系下分析交流电机的数学模型的，控制电机的磁链和转矩，因此省掉了矢量旋转变化等复杂的变换与计算，信号处理简单。
（2）直接转矩控制控制的是定子磁链，定子磁链的观测模型比转子磁链的观测模型简单得多，而且受电机参数变化的影响较小。
（3）直接转矩控制强调的是转矩的直接控制和效果，把转矩检测值与转矩给定值做滞环比较，把转矩波动限制在一定容差范围内。
大部分变频器采用交直交结构，主要由主电路和控制回路组成。主电路包含整流部分、直流母线部分和逆变部分。图6为交直交变频器主电路，其中：U1、V1和W1为变频器输入的3相电源；U2、V2和W2为变频器输出的3相電源；D表示电力二极管；C为滤波电容。整流电路由各种电力电子开关元件搭建而成，主要利用开关元件在不同条件下的导通和关断特性将输入的3相交流电整流成为直流电。直流电路主要由限流单元和滤波器组成，用于过滤整流电路输出的含有大量交流成分的脉动电流，从而输出平稳的直流电。直流电路还会加入直流监测电路、制动电路等。逆变电路主要由全控电力电子器件IGBT（Q1～Q6）与电力二极管（D11～D16）组合搭建而成，在IGBT的门极施加正向电压可形成沟道，使IGBT导通，而在IGBT门极施加反向电压可消除沟道，使IGBT关断。IGBT门极电位由控制回路控制，控制回路使用特定的算法能够分别控制各个IGBT导通角，使每桥上、下桥臂交替导通。控制回路主要由控制器、A/D和D/A转换电路、I/O接口电路、保护电路等组成，其主要作用有：采集主电路中必要的电流电压信号；给IGBT提供必要的驱动电压；为主电路提供必要的监测和保护功能。控制回路原理框图见图7。
3.2电缆卷筒转矩控制方法设计
本文提出的电缆卷筒转矩控制方法设计主要包含硬件和软件两个方面的设计，设计依据为第2节电缆卷筒所需最小转矩与旋转角度的函数关系，以及变频器直接转矩控制的工作原理。
转矩控制的硬件部分主要由PLC、变频器、卷筒电机、凸轮限位开关、角度编码器等组成（见图8），其中部分硬件功能具体描述如下：
PLC：采集角度编码器的电流模拟量信号，进行转矩控制逻辑运算，同时向变频器输出开关量信号和模拟量信号。
变频器：根据PLC传输的信号，经过定制宏程序的算法计算，向电机输出驱动信号。
凸轮限位开关：通过链轮传动系统与电缆卷筒连接，凸轮限位开关与卷筒始终保持不变的速比，即卷筒旋转12圈，凸轮旋转一圈（依据船载式AMP电缆卷筒CSAMPJCH2的技术参数），则凸轮旋转角度与第2节中的卷筒旋转角度存在1∶12的比例关系。
角度编码器：一种采集角度信号的传感器，以4～20 mA的电流模拟量信号来表示旋转角度的大小，经过改装可以将角度编码器中轴与凸轮开关联结，则角度编码器中轴的旋转角度与凸轮的旋转角度保持同步变化，数值为卷筒旋转角度的1/12。角度编码器能够将4～20 mA的电流模拟量信号传输至PLC模拟量输入口。通过PLC、变频器、角度编码器组成的闭环控制系统能够及时向驱动电机输出驱动电流，实现有效的转矩跟踪。转矩控制的软件执行流程见图9。首先，PLC通过模拟量输入口从角度编码器采集4～20 mA的电流模拟量信号，通过比例放样将其换算成卷筒的旋转角度，对比每放缆一圈的角度划分判断当前位置。然后，使用电缆卷筒转矩变化数学模型计算电缆卷筒的转矩参数，根据工况，综合考虑机械阻尼、电缆可承受最大拉力等因素对转矩参数进行修正，作为最终转矩输出。修正后的转矩输出量会以一定比例超出计算值，以防止掉缆情况发生，但不会超过电缆可承受的最大拉力。这样，如果电缆实际张力大于卷筒输出转矩，电缆会被缓慢拉出，从而避免了张力持续升高导致的电缆被扯断情况的发生。最后，将输出转矩比例放样成4～20 mA的电流模拟量信号输出至变频器。变频器中装载了由中远海运科技股份有限公司专门为电缆卷筒研發的控制宏程序，变频器配置了多个数字量和模拟量接口：当变频器接收到PLC传来的“运行”“自动”等信号时，变频器运行在自动模式（即直接转矩控制模式）；当变频器特定的模拟量输入口接收到PLC传来的模拟量信号后，立即通过宏程序计算出产生响应转矩需要输出的驱动电流，驱动电机运行。在自动模式下，PLC每个工作周期均进行信号输入、输出和运算工作，这就保证了电缆卷筒驱动系统能够实时监测和调控驱动电机的输出转矩，以达到转矩控制的最终目标。
4结束语
通过对船载式AMP电缆卷筒CSAMPJCH2的组成和结构的分析，建立了电缆卷筒在自动模式下所需转矩的计算模型，为变频驱动系统的控制方法及参数设置提供了参考和指导。通过对变频控制和直接转矩控制原理的研究，同时结合电缆卷筒独特的使用工况，对自动模式下电缆卷筒转矩控制的方法进行了设计，使驱动系统转矩输出能够随工况和电缆长度的变化而快速、准确地响应。
参考文献：
[1]祝鹏辉. 岸桥供电电缆扭曲变形分析及处理[J]. 机电信息， 2012（9）： 175， 177.
[2]代弘君. 磁滞式电缆卷盘驱动在岸桥中的应用与改进[J]. 港口科技， 2016（4）： 3134.
[3]武世鹏. 力矩电机式电缆卷筒的设计[J]. 中国新技术新产品， 2013（24）： 8990.
[4]徐秀桃， 陈刚， 徐彤， 等. 电缆卷筒的变频线性自动变转矩驱动技术[J]. 港口装卸， 2015（6）： 1113.
[5]刘善斌， 吴天裕. 船载式AMP电缆卷车控制管理系统研究[J]. 船电技术， 2016， 36（11）： 6266.
[6]张燕宾. 变频器的转矩控制功能及其应用[J]. 电气时代， 2005（2）： 8486， 90.
[7]张池， 杨琳. 基于PLC与变频器的造纸机张力控制系统[J]. 中国造纸， 2010， 29（9）： 5355.
[8]张海燕. 电线电缆张力测控系统的设计[J]. 价值工程， 2014（24）： 2930. DOI： 10.14018/j.cnki.cn131085/n.2014.24.375.
（编辑贾裙平）
为在船舶持续使用岸电的过程中对电缆张力进行有效的监测和控制，研究电缆重力变化和电缆卷筒转矩变化的数学模型。基于中远海运科技股份有限公司研制的船载式AMP电缆卷筒CSAMPJCH2，结合通用变频原理，设计一套卷筒转矩控制方案。该方案能实现对电缆张力的有效控制。
关键词：
AMP电缆卷筒； 电缆张力分析； 卷筒转矩控制
中图分类号： U664.44； TP273
文献标志码： A
Abstract：
In order to monitor and control cable tension effectively in the process of ships using shore power continuously， the mathematical models of cable gravity variation and cable reel torque variation are studied. For CSAMPJCH2 cable reels developed by COSCO Shipping Technology Co.， Ltd.， a reel torque control scheme is designed with the combination of the general frequency conversion principle. The effective control of cable tension can be realized by the scheme.
Key words：
AMP cable reel； cable tension analysis； reel torque control
0引言
船舶在靠港期间用船电会因副机运行对港口造成大量的气体排放污染。随着全球环境的恶化以及人们环保意识的提升，各领域逐步开始采取节能减排措施，研发节能减排技术。船舶岸电技术是航运领域新兴的关键技术，对船舶废气的减排、港口城市环境的改善和船员工作生活质量的提升起到了举足轻重作用。
船用电缆卷筒是船舶岸电系统的重要接口。如果在使用电缆的过程中无法对电缆张力进行有效监控，有可能发生电缆毁损事件，从而导致严重的安全问题，因此必须对岸电持续使用过程中电缆张力的变化和电机的转矩控制进行研究和设计。目前大部分有关电缆的研究是基于由磁滞离合器或转矩电机组成的电缆卷筒驱动系统进行的，如：祝鹏辉[1]分析了岸桥供电电缆扭曲变形，认为磁滞式电缆卷筒缠绕方式导致了电缆受力不均，造成电缆扭曲损毁；代弘君[2]为解决磁滞离合器力矩变小导致松缆的问题，将电机更换为带电磁制动器的电机用于转矩补偿；武世鹏[3]用粗略的数学模型近似计算电缆转矩，以确定转矩电机的技术参数。随着变频技术的广泛应用，针对变频驱动电缆卷筒的研究也已经展开，如：徐秀桃等[4]在分析磁滞离合器、转矩电机、液力耦合器等3种电缆驱动系统优劣的基础上提出了使用变频器驱动电缆卷筒，以保证更精确的转矩输出。本文研究以可编程逻辑控制器（programmable logic controller， PLC）和变频器为核心的电缆卷筒转矩控制系统，以达到快速响应、输出更精准的转矩的目标，有效解决电缆扭曲、破皮、扯断等问题。
1系统组成及控制模式
本文的研究基于中远海运科技股份有限公司研制的船载式AMP电缆卷筒CSAMPJCH2，该系统主要由电缆卷筒钢结构、集电环总成、高压插头及电缆、导缆架液压驱动系统、电缆卷筒驱动系统等5个部分组成。本文主要研究岸电持续使用过程中电缆张力及所需转矩的变化问题，并确定电缆卷筒电机的转矩控制方法。
电缆卷筒驱动系统由链轮传动系统、交直轴减速机、变频电机、变频器等组成。变频器采用转速控制模式和转矩控制模式对电机进行调速控制；交直轴减速机与链轮传动系统相互配合将电机输出转速降低、输出转矩放大[5]。整个传动系统由一套PLC控制，各种控制器与限位开关的配合能够有效地实现电缆卷筒手动收缆放缆、自动电缆控制、系统联锁和监测报警，见图1。
船载式AMP电缆卷筒CSAMPJCH2的运行有手动和自动两种模式，分别应用于两种不同的工况。手动模式一般用于船舶到港和离港时的放缆和收缆工况。操作人员通过手持式操作盒上的按钮控制卷筒进行收缆和放缆动作，电缆卷筒能够根据确定的频率恒转速运行。此时变频器运行在转速控制模式，采用矢量控制方式对电机进行调速控制。矢量控制的基本原理是通过测量和控制异步电机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对电机的励磁电流和转矩电流两个分量的幅值和相位进行控制，显著改善交流传动系统的动态特性[6]。当电缆插头与岸电箱连接后，电缆卷筒运行模式可切换至自动模式。此时驱动系统能够持续输出转矩，使垂悬在船舷外的电缆能够保持合适的张力。电缆张力过大会增加电缆内损；电缆张力过小会导致电缆不规则形变，甚至造成掉缆的事故。船舶停靠港口过程中风浪、潮汐变化以及装卸货作业都会造成船舶吃水的变化，从而导致电缆的松紧变化，此時电缆张力控制器也会做出有效响应。船载式AMP电缆卷筒CSAMPJCH2创新性地以电机变频驱动技术取代了传统的液力耦合器来实现电缆张力的调节，解决了传统的液力耦合器存在的制造和维护成本高、张力调节难度大、动态响应缺失等问题；变频器运行在转矩控制模式，采用直接转矩控制方式，对电机转矩进行调节控制。
2电缆张力计算
2.1电缆卷筒受力分析
船舶靠泊后使用岸电，应严格按照岸电系统使用规范和船用电缆卷筒操作手册进行电缆连接作业和船舶并网作业。首先，将电缆卷筒的导缆架下放到位。导缆架的作用是将电缆引导出船舷并保证把电缆安全下放至泊位的岸电箱。导缆架上的辊轴能够使电缆在导缆架上平滑移动，避免摩擦造成的电缆护套层磨损。然后，将手持式操作盒上的旋转开关置于手动模式，按住“放缆”按钮，直至高压电缆被送至地面。此时，电缆和电缆卷筒受力示意图见图2。
由图2可知，导缆架最外侧辊轴对电缆起到支撑和导向作用。由于导缆架辊轴可以灵活转动，故可以将其类比为一个理想定滑轮。根据定滑轮系统理论可以得出，辊轴给予电缆一个支撑力N，方向沿着导缆架延长线方向。放至船舷外的电缆则可类比为理想绳模型，即电缆每一点受力都相同。电缆本身受重力G作用，方向竖直向下；电缆受到卷筒提供的拉力F作用，方向沿卷筒切线方向向上。根据牛顿第一定律可得
2.2自动模式下电缆所受重力的计算
电缆卷筒驱动系统的转矩控制以电缆内部张力的监测为基础，输出转矩能够实时随电缆张力的变化而变化，保证电缆受力均匀。实际情况下电缆内部的张力难以监测，本文采用的方法是通过对电缆卷筒的受力分析，将电缆张力的采集问题转化为对电缆所受重力的采集和计算问题。
对电缆所受重力的采集和计算是基于对垂悬于船舷外电缆长度的采集和计算进行的。根据卷筒结构和卷缆工况，可以采用阿基米德螺旋线数学模型对卷筒工作时的运动状态进行建模。阿基米德螺旋线也称等速螺线，是一个点匀速离开一个固定点的同时以固定的角速度绕该固定点转动而产生的轨迹。阿基米德螺旋线与电缆卷筒收缆和放缆时电缆的运动轨迹类似，因此用阿基米德螺旋线模型对电缆卷绕运动进行建模。
表1为电缆卷筒和高压船用电缆的技术参数。将各参数与螺旋线弧长计算公式中的参数一一对应并代入公式，其中电缆直径等效为电缆卷筒每旋转一圈极径增加的长度，则公式中的b=d/2π。电缆是沿卷筒内圈开始卷绕而并不是从极点开始的，因此可以认为卷缆是从第8圈开始的，经过计算可得船舷外电缆长度与卷筒旋转角度的关系，见图3。
由图3和表2可知：
（1）卷筒放出的电缆长度与卷筒旋转角度并不是严格的一次函数关系，其关系曲线类似于抛物线；
（2）曲线的斜率与变化的电缆卷筒旋转半径正相关，即放出的电缆越多，卷筒上缠绕的电缆越少，卷筒上的电缆旋转半径越小，曲线的斜率相应变小。
以实际产品为例，采用的电缆规格为CRCEF 6/10 kV，电缆密度为10 kg/m，则电缆所受重力大小可通过G（θ）=mgl（θ）计算，其中g取9.8 N/kg。电缆所受重力公式可进一步整理为
2.3自动模式下卷筒所需最小转矩的计算
根据力矩公式（力矩为力与力臂的乘积）M=FL，即可以得出卷筒旋转至任意位置时所需要的最小转矩。力臂与阿基米德螺旋线的极径等效，则最小转矩计算公式为
由图5和表3可知：
（1）与船舷外电缆所受重力变化曲线类似，卷筒所需最小转矩与旋转角度之间不是一次函数关系，其关系曲线类似于抛物线；
（2）与船舷外电缆所受重力变化曲线一直呈现上升形态不同的是，随着电缆放出的长度越来越长，卷筒所需最小转矩会先变大后变小。
通过对船舷外电缆所受重力和卷筒所需最小转矩的研究，获得了它们与卷筒旋转角度的函数关系及变化情况，这为卷筒转矩控制方法的设计提供了指导。
3控制方法
3.1变频器直接转矩控制原理
随着现代电力电子技术的迅猛发展和变频控制理论的逐步完善，变频器的性能越来越强而成本越来越低，越来越多的交流传动系统采用变频驱动控制。变频器按照其主电路结构可分为交交变频器和交直交变频器，按照逆变器控制方式又可分为恒压频比控制（V/f控制）、转差频率控制、矢量控制和直接转矩控制等[7]。
V/f控制是最简单的异步电机（以下简称电机）变频调速方式，变频器只需对V/f特性、工作频率、频率升降时间等参数进行设置，就可以实现平滑的电机转速调节。V/f控制可以满足一般调速需要，但其动态、静态性能还很有限。
转速闭环控制的基本方法是在调速系统外环设置转速调节器，以转速调节器的输出作为转矩给定信号。如果保持气隙磁通不变，电机的转矩就近似与转差频率成正比，因而控制转差频率就能控制转矩[6]。转差频率控制能够在一定程度上控制电机转矩，但它依据的是稳态模型，并不能真正控制动态过程中的转矩，从而得不到很理想的动态控制性能。
矢量控制理论使交流电机控制理论获得第一次质的飞跃，其基本原理为：以转子磁链这一旋转空间矢量为参考坐标，将定子电流分解为两个分量（一个与磁链同方向，代表定子电流励磁分量；另一个与磁链方向正交，代表定子电流转矩分量），然后分别进行独立控制，获得像直流电机一样良好的动态特性[8]。理论上，矢量控制方法可以使电机传动系统的动态特性得到显著改善，但也存在坐标变换复杂、转子磁链难以准确观测等问题。
直接转矩控制是继矢量控制变频调速技术发展起来的一种新型的高性能交流变频调速技术。它相对于其他控制具有以下特点：
（1）直接转矩控制是在定子坐标系下分析交流电机的数学模型的，控制电机的磁链和转矩，因此省掉了矢量旋转变化等复杂的变换与计算，信号处理简单。
（2）直接转矩控制控制的是定子磁链，定子磁链的观测模型比转子磁链的观测模型简单得多，而且受电机参数变化的影响较小。
（3）直接转矩控制强调的是转矩的直接控制和效果，把转矩检测值与转矩给定值做滞环比较，把转矩波动限制在一定容差范围内。
大部分变频器采用交直交结构，主要由主电路和控制回路组成。主电路包含整流部分、直流母线部分和逆变部分。图6为交直交变频器主电路，其中：U1、V1和W1为变频器输入的3相电源；U2、V2和W2为变频器输出的3相電源；D表示电力二极管；C为滤波电容。整流电路由各种电力电子开关元件搭建而成，主要利用开关元件在不同条件下的导通和关断特性将输入的3相交流电整流成为直流电。直流电路主要由限流单元和滤波器组成，用于过滤整流电路输出的含有大量交流成分的脉动电流，从而输出平稳的直流电。直流电路还会加入直流监测电路、制动电路等。逆变电路主要由全控电力电子器件IGBT（Q1～Q6）与电力二极管（D11～D16）组合搭建而成，在IGBT的门极施加正向电压可形成沟道，使IGBT导通，而在IGBT门极施加反向电压可消除沟道，使IGBT关断。IGBT门极电位由控制回路控制，控制回路使用特定的算法能够分别控制各个IGBT导通角，使每桥上、下桥臂交替导通。控制回路主要由控制器、A/D和D/A转换电路、I/O接口电路、保护电路等组成，其主要作用有：采集主电路中必要的电流电压信号；给IGBT提供必要的驱动电压；为主电路提供必要的监测和保护功能。控制回路原理框图见图7。
3.2电缆卷筒转矩控制方法设计
本文提出的电缆卷筒转矩控制方法设计主要包含硬件和软件两个方面的设计，设计依据为第2节电缆卷筒所需最小转矩与旋转角度的函数关系，以及变频器直接转矩控制的工作原理。
转矩控制的硬件部分主要由PLC、变频器、卷筒电机、凸轮限位开关、角度编码器等组成（见图8），其中部分硬件功能具体描述如下：
PLC：采集角度编码器的电流模拟量信号，进行转矩控制逻辑运算，同时向变频器输出开关量信号和模拟量信号。
变频器：根据PLC传输的信号，经过定制宏程序的算法计算，向电机输出驱动信号。
凸轮限位开关：通过链轮传动系统与电缆卷筒连接，凸轮限位开关与卷筒始终保持不变的速比，即卷筒旋转12圈，凸轮旋转一圈（依据船载式AMP电缆卷筒CSAMPJCH2的技术参数），则凸轮旋转角度与第2节中的卷筒旋转角度存在1∶12的比例关系。
角度编码器：一种采集角度信号的传感器，以4～20 mA的电流模拟量信号来表示旋转角度的大小，经过改装可以将角度编码器中轴与凸轮开关联结，则角度编码器中轴的旋转角度与凸轮的旋转角度保持同步变化，数值为卷筒旋转角度的1/12。角度编码器能够将4～20 mA的电流模拟量信号传输至PLC模拟量输入口。通过PLC、变频器、角度编码器组成的闭环控制系统能够及时向驱动电机输出驱动电流，实现有效的转矩跟踪。转矩控制的软件执行流程见图9。首先，PLC通过模拟量输入口从角度编码器采集4～20 mA的电流模拟量信号，通过比例放样将其换算成卷筒的旋转角度，对比每放缆一圈的角度划分判断当前位置。然后，使用电缆卷筒转矩变化数学模型计算电缆卷筒的转矩参数，根据工况，综合考虑机械阻尼、电缆可承受最大拉力等因素对转矩参数进行修正，作为最终转矩输出。修正后的转矩输出量会以一定比例超出计算值，以防止掉缆情况发生，但不会超过电缆可承受的最大拉力。这样，如果电缆实际张力大于卷筒输出转矩，电缆会被缓慢拉出，从而避免了张力持续升高导致的电缆被扯断情况的发生。最后，将输出转矩比例放样成4～20 mA的电流模拟量信号输出至变频器。变频器中装载了由中远海运科技股份有限公司专门为电缆卷筒研發的控制宏程序，变频器配置了多个数字量和模拟量接口：当变频器接收到PLC传来的“运行”“自动”等信号时，变频器运行在自动模式（即直接转矩控制模式）；当变频器特定的模拟量输入口接收到PLC传来的模拟量信号后，立即通过宏程序计算出产生响应转矩需要输出的驱动电流，驱动电机运行。在自动模式下，PLC每个工作周期均进行信号输入、输出和运算工作，这就保证了电缆卷筒驱动系统能够实时监测和调控驱动电机的输出转矩，以达到转矩控制的最终目标。
4结束语
通过对船载式AMP电缆卷筒CSAMPJCH2的组成和结构的分析，建立了电缆卷筒在自动模式下所需转矩的计算模型，为变频驱动系统的控制方法及参数设置提供了参考和指导。通过对变频控制和直接转矩控制原理的研究，同时结合电缆卷筒独特的使用工况，对自动模式下电缆卷筒转矩控制的方法进行了设计，使驱动系统转矩输出能够随工况和电缆长度的变化而快速、准确地响应。
参考文献：
[1]祝鹏辉. 岸桥供电电缆扭曲变形分析及处理[J]. 机电信息， 2012（9）： 175， 177.
[2]代弘君. 磁滞式电缆卷盘驱动在岸桥中的应用与改进[J]. 港口科技， 2016（4）： 3134.
[3]武世鹏. 力矩电机式电缆卷筒的设计[J]. 中国新技术新产品， 2013（24）： 8990.
[4]徐秀桃， 陈刚， 徐彤， 等. 电缆卷筒的变频线性自动变转矩驱动技术[J]. 港口装卸， 2015（6）： 1113.
[5]刘善斌， 吴天裕. 船载式AMP电缆卷车控制管理系统研究[J]. 船电技术， 2016， 36（11）： 6266.
[6]张燕宾. 变频器的转矩控制功能及其应用[J]. 电气时代， 2005（2）： 8486， 90.
[7]张池， 杨琳. 基于PLC与变频器的造纸机张力控制系统[J]. 中国造纸， 2010， 29（9）： 5355.
[8]张海燕. 电线电缆张力测控系统的设计[J]. 价值工程， 2014（24）： 2930. DOI： 10.14018/j.cnki.cn131085/n.2014.24.375.
（编辑贾裙平）
