基于Viking35的电子调速器典型故障分析

2020-01-03厉行军高瀚林2林文友

船海工程 2020年6期

厉行军，高瀚林2，林文友

(1.92246部队，上海 201900；2.中国舰船研究设计中心，武汉 430064)

电子调速器动作灵敏，响应速度快，动静态精度高的特点[1]，在柴油机转速控制上得到广泛的应用。舰船自动化程度的不断提高，对舰船动力装置的控制也提出更高要求，关于电子调速器的应用，考虑以海茵茨曼旗下欧罗巴公司出品的 Viking35 控制器及执行器组成的电子调速器为例，介绍Viking35控制器的工作原理及典型的故障排除分析方法，为舰员级维修提供参考依据。

1 Viking 35控制器简介

Viking35机旁转速控制模块即调速器控制器，使用的是与主机调速器执行器相配套的控制板，以动作灵敏，响应速度快，动静态精度高的特点[1]在中速柴油机上使用广泛。Viking 35控制器主要实现对主机的转速的加减、转速指令信号的接受转换与输出、停车、报警等功能，实物外观和接线说明见图1、2。

图1 Viking 35控制器实物外观

图2 Viking 35控制板接线说明

内部接线功能如下。

36,38接线端：电子调速器的供电电源，电压为24 V；

23,22接线端：主机控制位置有效判断，通过采集有无24 V信号来判断是出于机旁还是遥控状态；

89,88接线端：第一路主机转速传感器反馈转速；

92,91接线端：第二路主机转速传感器反馈转速，两路主机转速均为脉冲量信号输入；

25,24接线端：在机旁操纵时实现半自动加转速功能，当25,24之间采到24 V电即可加实现转速；

27,26接线端：在机旁操纵时实现半自动减转速功能，当27,26之间采到24 V电即可实现减转速；

72,71接线端：遥控控制有效时，由程序发送过来的转速指令电流；

3,2接线端：经过电子调速器微分计算，放大处理，输出主控电流；

5,4接线端：电子调速器故障报警输出。

2 电子调速器工作原理

电液调速器正常使用前需要下载运行底程序，下载配置参数。每台电液调速器的参数并不完全相同，主要根据主机特性和调试过程配机得到[2]，基本工作原理：通过安装在主机自由端或输出端的转速传感器产生的脉冲信号(也叫反馈转速)，脉冲信号转换为频率信号，频率信号输入到电压转换模块，由此产生的模拟电压量，在此基础上接入到数字信号模块，通过比较偏差模块和PID运算模块，输出放大后的控制量，最后输出到执行器驱动机构已到达控制转速的目的[2-4]。最终目的是根据柴油机外界负荷变化自动调节输出主控电流信号量大小，使柴油机的转速快速趋于稳定，减少因复合变化带来的波动，从而保证柴油机具备良好的工作特性，其 PID调节原理见图3[2]。

图3 PID调节原理

Viking35控制器里面的PID调节功能会判断目前动力系统运行的状态，区分启停、加减速、并车等工况自动选择配置参数，以实现对柴油机转速的精准控制。一般情况下一个控制器里面有多组PID参数，如主机起车过程中的 PID调节参数，主机运行过程中的PID调节参数，转速采集备用一路启用时主机PID调节参数以及控制器的备用配置PID调节参数等。PID调节是经典控制理论中一种基本调节方法，具有比例、积分和微分作用的一种线性调节规律，与之对应的3个主要参数为比例系数Kp、积分系数Ti和微分系数Td。这一控制量的表达式为[3-6]

(1)

比例调节功能是指控制系统在控制量上如果出现了偏差，比例调节会根据设定的比例反应来进行随动的调节作用使其偏差减少。比例系数Kp值的大小，对应着调节速度的快慢，Kp值越大调节速度就越快，起到减少偏差作用；但过大的Kp值，会导致控制系统的稳定性有所下降，容易引起被控量发生振荡。而积分调节的主要功能是使系统提高无差度，消除稳态误差，只要系统有误差存在，无论大小积分调节功能就会一直有效。积分作用的强弱主要取决于积分系数Ti值得大小，Ti越小，积分就越强，动态反应就快，可以缩短消除静差的时间，但也会导致超调增大，减弱了系统的稳定性。微分作用主要反映的是系统偏差信号的变化率，具有预见性，可以预见偏差变化的趋势，因此微分调节功能可以产生超前的控制作用，合适的微分Td值起到改善系统动态性能的作用，可以减少超调量，缩短调节的时间，但微分作用会对系统的噪音干扰起到放大作用，对系统的抗干扰不利[5-6]。

平时重点关注几个阶段，如柴油机的启动停止、主机接脱排、主机加减速等典型使用场景，这些阶段，柴油机负荷突然变化，导致柴油机的转速也随之发生波动，转速变化主要通过调整比例参数(P)来控制。而柴油机负荷突然变化后，柴油机转速恢复稳定需要一定时间，该反应时间主要通过积分调节(I)来控制，这需要在试验中不断的优化PID参数的设置来达到设计要求[7]。

3 典型故障排除

对于电子调速器类的故障，在排故之前，首先应查看原理图、接线图，了解系统器件的结构原理，理清控制流程[8]，不可盲目拆检，要从整体出发，从故障现象处入手，通过观察对比、逐一检测，最后实现精准点位。

3.1 基本控制流程

主机的启动方式主要有两种：①机旁启动，在机舱启动主机时，只需按下机旁操纵台上的起动按钮直到主机发火成功；②遥控启动，在集控室或是驾驶室的自动操作面板上按下“启动”按钮放开即可。二者区别在于遥控启动是由程序发出的启动命令，指令和反馈是一个闭环。在主机启动时，Viking 35控制器设定的转速初始化为怠速，当主机转速大于发火转速后，主机本身会先拉转速，拉上去之后电子调速器开始接管，通过主控电流稳定到空车目标转速400 r/min。

当操作部位在机旁时，只有半自动加减转速功能，通过机旁台上“转速加”、“转速减”按键分别输入到电子调速器的25、24,27、26接线端实现加减速。当操作部位在遥控时，在驾驶室和集控室分别布置有主车钟、遥控操纵板(功能定义键)、应急操控模块等指令输入设备，当在集控室或驾驶室发出这些遥控指令后，指令通过CAN总线送至机舱内的通用监控单元(控制用)，监控单元内现场控制模块负责控制逻辑的处理，并将控制指令通过I/O输出，以模拟量形式送至电子调速器72、71接线端进行调速。

电子调速器在进行调速时，调速器根据两路反馈转速(一路主用、一路备用)与给定转速的差值比较，调整主控电流的输出以达到目标转速，同时两路主机反馈转速互补使用，当一路转速失效时，另一路即可投入使用。电子调速器因外部因素导致报警时可通过集控室功能定义键上的复位按钮复位报警，当按下复位按钮时，21,20接线端采到24 V电实现对电子调速器的报警复位。

3.2 典型故障

1)现象一：主机起机后转速到不了400 r/min，运行在主机后备转速区间。

排除方法如下。

第一步：确定主机的后备转速，看是否与当前的转速一致。拔掉主机调速器上主控电流航空插头，起动主机观察主机后备转速为多少转。一般主机后备转速设置在350 r/min左右，建议不要高于380 r/min。如果后备转速设置400 r/min以上，则主机起动后转速即为400 r/min以上，不会拉到400 r/min，此时主控电流是不起作用的。后备转速如果设置在390 r/min左右，主机起动后，转速可能会保持在后备转速390 r/min左右，因为设置的后备转速太接近主控怠速，可能会出现短时间拉不到400 r/min的情况。

第二步：转遥控停机，复位继续观察。如果主机起机后为后备转速低于400 r/min，停下主机，将操作部位切换到集控，在推进台功能定义键按“停车”、“复位”按钮，再次起机观察。集控室功能定义键的“复位”键不仅可以复位监控系统的报警，还能复位电子调速器的报警。比如因起机时燃油压力低或者起动空气压力低导致的起机失败，主机发生故障导致的故障降速，故障停车等也需要复位。吹车后或者在机旁停车后建议按下停车，保证燃油齿条降到5%以下，因为在机旁时，电子调速器需要满足转速为0，燃油齿条5%以内这两个条件后确认为主机正常停车，以保证主机下次能正常起动。

第三步：判断是否为主机转速失效。复位后，如果起机后还是主机后备转速，可在起机后使用万用表测量电子调速器上89、88,92、91接线端上的转速脉冲信号，如果两个转速没信号，电子调速器转速失效报警，主控不起作用。

第四步：判断是否为调速器执行器主控断线。复位后，如果起机后还是主机后备转速，检查从电子调速器主控输出到执行器航插头之间线路是否断线，是否接反。正常情况下电子调速器主控输出的3接线端对应航空插头C脚,2接线端对应航空插头的A脚,C脚为正A脚为负，接反会导致主控不起作用，正常情况下，拔掉主控航插头，C脚与A脚之间可以测量到直流电24 V。

2)现象二：主机起动后或者拉高转速后波动比较大。

排出方法如下。

第一步：判断原因是否为转速反馈故障。使用万用表测量电子调速器上89、88,92、91接线端上的转速脉冲信号，观察转速频率信号，如果频率不一致，差值稍大，则可能是两路主机转速不一致导致主机油车，可更换波动较大或误差较大的转速传感器。更换方法为将新传感器拧到底再回转一圈半固定，也可协调需服务人员调整。

第二步：判断是否为转速传感器测量故障。查看主机飞轮端两个转速传感器探头表面是否有脏污附在上面，测速大齿轮凹槽处是否有杂物，以及传感器的连接插头是否有油污，以上原因都会导致脉冲信号采集不准。有杂物的话需要用干抹布擦拭干净，清理的时候注意不可随意拆动改变传感器的位置。

第三步：判断主机特性是否发生改变。主机特性发生改变一般很少出现，一般出现在喷油泵大量的调整更换，喷油器供油量大批量的调整或是调速器与油门拉杆固定螺丝发生松动移位等情况，如果主机特性发生变化，则需要重新进行配机试验。