推進系統是船舶的核心組成部分，“原動機 傳動系統 螺旋槳”是軍船和商船應用最廣泛的推進模式，隨著船舶技術的發展，它也暴露出諸多弊端，如船體與推進軸系存在復雜的耦合動力學關系，船體變形引起推進系統工作環境變化，導致軸系不對中、振動劇烈，甚至軸系斷裂等惡性事故。在能源動力高端裝備領域，采用電機直驅模式以完成電能到機械能的同軸轉化代表著現代運載工具推進技術的未來發展方向。

船舶輪緣推進裝置（Rim-Driven Thruster, RDT）將電機定子嵌進導管，電機轉子與槳葉合為一體，取消了傳動軸系、機械密封和電機冷卻系統等環節，將電機直驅模式發揮到極致，可顯著提高推進系統的功率密度和效率、緊湊結構、降低噪聲以及實現全回轉，給現代船舶推進技術帶來了顛覆性的革命。

1 輪緣推進裝置驅動電機研究現狀

輪緣推進裝置的概念模型在1940年德國專利中就已被提出，但受限于電機、控制和軸承等技術而發展緩慢。隨著永磁電機、大功率變頻器、現代控制和軸承水潤滑等技術的進步，如今這種先進推進系統已成為船舶推進技術的熱點之一。

國外如英國Rolls-Royce、挪威Brunvoll、德國Voith和Schottel等公司正在競相研制大功率RDT。近年來，國內包括702研究所、712研究所、海軍工程大學、武漢理工大學、西北工業大學、哈爾濱工程大學和臺灣成功大學等單位針對RDT的電磁特性、水動力學和摩擦學性能仿真等方面的問題開展了探索性研究。

1.1 輪緣推進裝置驅動電機的工作特點分析

RDT的推進做功部分被懸吊在船體之外，RDT實物如圖1所示，控制部分安裝在船艙，利用電纜進行連接。RDT電機剖面視圖如圖2所示。與陸上電機系統相比，RDT驅動電機有著如下工作特點：

圖1 RDT實物（Brunvoll）

圖2 RDT電機剖面視圖

（1）RDT電機處于多物理場強耦合中。RDT電機定子嵌在導管中，轉子與槳葉直接相連，電機性能受電磁場、溫度場、流體場、應力場等多物理場強耦合作用。目前的電機系統常以電磁場為主進行設計，這種單因素的設計方法難以實現RDT綜合性能最優化。

（2）RDT電機氣隙更大。RDT電機浸泡在水中，借助槳葉做功產生壓力，電機定子和轉子氣隙中海水循環流動，可以冷卻電機并為電機兩側的軸承提供潤滑。RDT通過在電機定轉子外設置護套來防水，護套會使電機氣隙增大到傳統電機氣隙的2～3倍，通常情況下，導電流體軸向流動的速度方向與氣隙磁通方向正交，因此海水介質的導電性能與流動性也會進一步降低RDT電機氣隙磁感應強度。

（3）RDT電機尺寸更小。RDT電機定子安裝在導管內的特殊結構，決定了其電機尺寸直接影響導管尺寸，進一步影響推進器水動力性能和效率，定轉子防水護套也會進一步增加電機徑向尺寸。為了提高推進器效率，RDT電機徑向尺寸要薄，軸向尺寸要短，以此減小導管阻力。

（4）RDT電機轉子位置難以測量。傳統永磁電機一般采用矢量控制方法，控制系統需要獲得準確的轉子位置信息，而RDT取消了傳動軸且長期暴露在海水環境下，難以安裝機械式位置傳感器，電機運轉穩定性還受到水流對螺旋槳及轉子的非定常力和沖擊力等影響，因此如何發展高精密、高可靠、抗擾動的無位置傳感器控制技術也是RDT發展的關鍵難點之一。

1.2 輪緣推進裝置驅動電機的應用現狀

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

圖3 基于開關磁阻電機的RDT

上述基于IM和SRM的RDT都有相對較厚的轉子、定子和導管，水阻力損失較大，極大地影響了水動力效率；加涂防腐蝕涂層后，氣隙尺寸變大，電機效率較低。相比之下，永磁（Permanent Magnet, PM）電機能承受較大的氣隙，可以設計成多磁極結構，在不犧牲電機效率的情況下使轉子和定子相對更薄，因此從效率和制造工藝的角度出發，PM是現階段RDT較為理想的驅動電機選擇。

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

為了進一步降低功率損耗，A. Hassannia和A. Darabi于2013年設計了一種基于高溫超導電機（High Temperature Superconducting Motor, HTSM）的輪緣驅動方案。仿真發現，HTSM的輸出轉矩平穩，顯示出了比PM更好的綜合性能，高溫超導電機結構及轉矩仿真如圖5所示，但如何實現超導及其在推進器中的具體實施方案尚未見報道。

圖4 小型RDT

圖5 高溫超導電機結構及轉矩仿真

國內方面，712所制造了一臺不包含電機部分的RDT模型，其包含導管、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驗證了導管和螺旋槳水動力性能；西北工業大學使用解析方法對Halbach永磁體陣列進行了優化，進一步減小電機定子徑向厚度，并在此基礎上組裝了一臺RDT原型機，如圖6b所示；臺灣成功大學于2007年設計并制造了一臺采用15個定子槽和16個轉子槽的永磁無刷直流電機RDT，如圖7所示，由于軸承的摩擦比預期高，電機沒有達到設計的額定轉速1500r/min。

武漢理工大學與廣州海工船舶設備有限公司合作，成功研制出了多種規格RDT，如圖8所示，部分RDT創新地采用了雙永磁電機的對轉輪緣結構和磁液雙懸浮推力軸承；中國昊野推出了功率為350W、額定轉速為2 300r/min的小型RDT，其推力達5.5kg，可用于水深850m的環境，如圖9所示。

圖6 RDT模型和原型機

圖7 RDT裝配和完成

圖8 武漢理工與廣州海工聯合研制的RDT

圖9 昊野研制的小型RDT

國外方面，挪威科技大學為RDT原型機建造了一臺內徑為600mm、功率為100kW的永磁同步電機，將電機作為陸上發電機進行了測試，其平均效率達0.93，該工作同時也與挪威Brunvoll的RDT開發有關，在該原型機測試之后，Brunvoll開發了一臺內徑為1750mm、功率為810kW的RDT，并成為其產品線的一部分。

英國南安普頓大學設計制造了50mm直徑的小型RDT，能夠在63W的輸入功率下產生9.81N的輸出推力。另一臺250mm直徑的RDT經過測試，在輸入功率5.5kW時能夠產生981N的峰值推力。英國TSL Technology已獲得南安普敦大學的許可，可以商業化生產該大學設計的RDT，并以此形成了直徑為50mm，可以在100W功率下產生17N推力和直徑為300mm，可以在4kW功率下產生1000N推力的兩款產品，如圖10所示。

圖10 國外高校與企業聯合研制的RDT

除此之外，國外的商用RDT已有系列報道，如德國Enitech、丹麥Copenhagen Subsea、荷蘭Vetus等廠商生產出了功率不超過11kW的RDT；英國Ocean Yacht Systems和Rolls-Royce、挪威Brunvoll、德國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AZ-PM型500kWRDT安裝在驗證船“Gunnerus”上，驗證其具有低噪、高效、機動性能優越等特點；Brunvoll生產了從200～900kW的一系列RDT，并運用在包括補給船、漁業監測船、超級游艇和渡船等的十余條船上；Voith采用碳纖維增強塑料（Carbon Fibre Reinforced Polymer, CFRP）制作RDT的螺旋槳，于2014年將兩臺1MW船首推進器用于工程船“Wagenborg”上，如圖11所示。

部分可查詢到的商用RDT參數見表1。

表1 部分商用RDT參數

圖11 國外企業研制的RDT

2 輪緣推進裝置驅動電機的控制方法研究現狀

2.1 輪緣推進裝置驅動電機的控制特點

永磁電機一般采用矢量控制方法以實現對電機轉速的精確控制，由于RDT在水下工作并取消了傳動軸，其工作環境和結構決定了機械式位置傳感器難以安裝和使用。因此，無位置傳感器控制技術是RDT永磁驅動電機控制的首選。

無位置傳感器控制技術是通過在電機控制過程中測得的電壓、電流等參數與轉子位置、轉速的相互關系來估計轉子位置和轉速的。對于工作在水下的RDT，其存在的控制難題如下：

（1）RDT電機負載波動頻繁。RDT電機轉子與槳葉直接連接，水流對旋轉的槳葉作用產生的非定常力可直接導致電機轉矩的跳變和波動，從而對控制算法的魯棒性有著更高的要求。

（2）RDT電機存在起動和低速運轉情況下帶不動螺旋槳、高速運轉時跟丟轉子位置的情況。對于永磁電機來說，單一的無傳感器控制算法無法很好地適配全轉速范圍內的電機運行，電機的平穩起動和低速運行需要更有針對性的控制方法，復雜的水下運行環境也對電機全轉速域下的穩定工作提出了更高的要求。

（3）RDT電機加減速頻繁，并存在反轉應用。對于RDT作側推的應用場景，電機需要頻繁起停、加減速和反轉，控制算法的動態性能是決定側推RDT性能的關鍵。

（4）RDT電機及控制模塊功率限制。RDT是一種純電力推進裝置，能耗是衡量其性能的一個重要指標，船舶能產生的功率數量是有限的，控制算法過于復雜會增加控制模塊的能源消耗，因此應考慮功率的約束限制。

這些控制難題使得RDT的精確控制技術發展難度增大，控制技術也是提高RDT性能的關鍵技術之一。

2.2 無位置傳感器控制方法及其策略

無位置傳感器控制方法大體有兩種技術路線：一種是基于電機反電動勢電磁關系的估計方法，包括直接計算法、反電動勢積分法、模型參考自適應法和各種觀測器法等，適合反電動勢比較容易檢測的中高速運行狀態，其中前兩種方法簡單直接，但對電機運行時的參數變化尤其敏感，應用時需與電機參數辨識相結合。

模型參考自適應法需精心設計自適應律才能保證在電機負載和轉速變化時的響應能力和收斂性。觀測器方法中的滑模觀測器由于響應速度快且對參數變化的魯棒性強而被廣泛研究，但實際物理系統的慣性會導致該方法產生抖振，需要在系統魯棒性和抑制抖振問題上進行平衡。

另一種是基于永磁電機凸極效應的估計方法，包括瞬態電流檢測法、PWM載波頻率成分法和高頻信號注入法等，在反電動勢值很小的零低速運行狀態下也能使用，其中的高頻信號注入法由于其實現簡單且不依賴電機參數而被廣泛應用，注入的高頻信號主要包括旋轉高頻信號、脈振高頻信號和高頻方波信號。

其中，旋轉高頻信號注入法僅適用于具有物理凸極特性的永磁電機，而脈振高頻信號注入法對于凸極率小的永磁電機也同樣適用，方波注入法相比前兩者能夠實現更高的注入頻率，具有更好的動態性能。另外，由于信號注入需要消耗直流母線電壓，亦會增加電機損耗，簡單可靠且成本較低的轉速開環運行控制也是一種重要的零低速區控制手段。

轉子的初始位置檢測對電機的平穩起動非常重要，除高頻脈振信號注入法以外，還有轉子初始預定位方法、電感參數矩陣計算法、響應電流二次諧波檢測法、電壓脈沖矢量法和基于轉子微動檢測法等。

針對RDT電機的控制特點，需兼顧魯棒性和動態性能，在考慮控制模塊功率消耗的基礎上，結合具體零低速算法與中高速算法的原理、轉速適用范圍確定最佳切換區間，使得轉子位置和轉速在過渡區間不會有較大的跳變和誤差，實現零低速運行控制算法與中高速運行控制算法的平滑過渡，達到對RDT全轉速范圍內的精確控制，最大限度地發揮電機性能，延長電機壽命。

常用的切換算法主要有加權切換和滯環切換，目前主流的復合控制算法是將高頻信號注入法與觀測器法相結合，構成復合觀測器，而對于大型RDT產品，尤其在重載起動和高低速切換過程中，無位置傳感器驅動系統的穩定性和動態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。

2.3 輪緣推進裝置驅動電機的控制方法應用現狀

T.D. Batzel等于2002年設計了一套RDT無位置傳感器控制系統，如圖12所示，硬件部分由Sharc 21061浮點數字信號處理器和ADMC 401定點數字信號處理器組成。浮點數字信號處理器分別以100ms和0.5ms間隔對轉子位置和速度進行估計。定點數字信號處理器則對定子電壓和電流進行采樣，為逆變器提供脈寬調制信號，系統采用I/F運行控制方式，實現了閉環電流控制功能。試驗證明了所提出的無傳感器控制方法對負載轉矩、慣性和摩擦等力學參數具有魯棒性。

謝旻甫等于2008年采用開環V/F控制方法，通過“電源-驅動器-推進器”的結構實現了60～120V下的RDT控制，如圖13所示，基于測量數據以外插方式得到操作電壓下的電機轉速對轉矩關系。結果顯示，工作轉速為1854r/min，與設計轉速2000r/min稍有誤差，這種控制方法算法比較簡單且不依賴轉子位置檢測。

圖12 RDT無位置傳感器控制電路

圖13 RDT試驗架構及控制電路

目前，有關RDT的公開文獻主要集中于電機設計及性能測試部分，而較少詳細描述其控制手段，往往采用的是算法簡單且成本較低的開環控制方法進行試驗，并不追求其轉速和轉子位置的精確估計，而商用RDT的控制手段大多為公司針對特定產品開發，封裝于控制模塊之中，其操作原理和控制方法未知。

3 輪緣推進裝置回轉控制方法研究現狀

RDT采用360°全回轉裝置實現船舶在航行過程中需要做的航向的偏轉、正倒車動作控制。與傳統的舵槳相比，全回轉方式結構集成度更高，倒車時采用旋轉180°而不是螺旋槳反轉，有利于提高工作效率和船舶操縱靈活性。

3.1 輪緣推進裝置回轉控制方法

RDT的全回轉控制系統主要組成包括：編碼器、舵角反饋模塊、中心控制模塊、電源分配模塊、回轉驅動系統、變頻電機推進系統。

編碼器用于采集駕駛臺給定的舵角信號和推進器轉速信號，并將這兩個信號傳輸至中心控制模塊；舵角反饋模塊用于采集實際舵角信號，并將其反饋至中心控制模塊；回轉驅動系統包括回轉電機驅動器、回轉電機和減速機，用于驅動轉舵機構轉舵；變頻推進系統包括變頻器和永磁電機，用于驅動螺旋槳轉動。電源分配模塊用于給整套控制系統供電，全回轉控制系統框圖如圖14所示。

圖14 全回轉控制系統框圖

大部分國內船舶全回轉控制系統采用經典PI環節，某些廠商采用了開環傳遞方法，這也導致控制精度不高、響應速度不快。因此，需要通過更為先進有效的控制方法解決這些問題。

3.2 輪緣推進器裝置回轉控制與電機轉速控制的匹配問題

RDT全回轉控制與電機轉速控制的匹配問題難點在于如何從控制的角度實現在任意航速時安全、快速地完成規定的轉動角度。

對于RDT的全回轉裝置，其全回轉控制系統的基本控制邏輯在于中心控制模塊將實際舵角信號和給定舵角信號進行比較形成舵角差，根據舵角差進行轉舵最短路徑規劃和推進器轉速限制規劃。由于裝置可以360°全回轉，因此，當接收到一個大于180°的轉舵信號◆?時，應避免堅持朝該方向轉舵，為節省能源，減小轉舵完成時間，提高轉舵效率，考慮操縱全回轉裝置朝與轉舵命令的相反方向回轉，回轉角度為360°。

此外，船舶高速航行時外傾角比低速航行大得多，因此回轉過程中，應根據穩性規范估算定常回轉階段穩定橫傾角并據此計算安全回轉速度，當船速大于安全回轉速度時，應限制推進器電機轉速，降低船速，極端工況下，應同時限制推進器電機轉速、轉舵角度及時機，避免轉舵產生的橫傾力矩與外力疊加。

在此基礎上，中心控制模塊可以采用經典控制算法及智能算法判斷特殊工況，選擇最佳轉舵方案，實現在任意航速時安全、快速地完成規定的轉動角度。當單個回轉電機難以驅動全回轉裝置時，可考慮多回轉電機配合驅動以適配大型全回轉裝置，加快轉舵速度。

4 多輪緣推進裝置協同控制方法研究現狀

4.1 多推進器協同控制的功能需求

目前，公布的RDT產品的功率一般不超過1MW，單個RDT還不能滿足大型船舶的主推進需求。多臺具有全回轉功能的RDT協同工作是RDT應用的一個重要方向，并可借此提高船舶航行控制精度，實現如主動精確靠離泊、繁忙水域安全航行等。這種應用模式在增加推進總功率和提高船舶航行控制精度的同時也存在多臺RDT協同控制的難題。

多RDT協同控制系統的主要性能是：系統要能快速響應外界環境因素的變化，使船舶保持航速，沿預定航跡行駛或穩定在預期的位置、艏向范圍內，并盡量節約推進系統能耗。在此要求下，制定多臺RDT協同控制系統的控制策略時不僅要考慮控制系統的控制精度，還要綜合考慮功率限制、轉速約束、操作區約束和多推進器耦合等約束條件，提高響應速度、減小能耗。

圖15 多輪緣推進裝置示意圖

4.2 多推進器協同控制技術研究進展

多RDT協同控制的關鍵在于建立船舶動力學模型，該模型還需考慮風、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，并建立輸入和輸出反饋控制系統，多輪緣推進裝置控制系統框圖如圖16所示，基于該動力學模型構造多RDT協同控制系統。其中，推力分配主要涉及總推力大小計算及多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全回轉控制，快速達到目標航行方向。

圖16 多輪緣推進裝置控制系統框圖

多RDT協同控制系統可分為高、低兩級控制器。高級控制器的主要功能是計算總體所需推力，低級控制器的功能則是接收指令并對推力系統中的各個RDT轉速及全回轉角進行控制。推力分配系統作為高、低兩級控制器的紐帶，需滿足控制力要求并符合多RDT推進系統的動力性能和操作要求，其策略的優良與否對整個協同控制系統的控制效果有著至關重要的影響。

使用多RDT推進系統的船舶一般裝有2～5個推進器，分別用作主推和側推，這也使整個多RDT協同控制系統形成了一個冗余系統。通常需要綜合考慮系統響應速度、控制精度、主機功率等約束，將多RDT推進系統總功率的最小消耗作為優化問題的目標。

參考多電機協同控制策略和動力定位系統，多推進器協同控制方法主要包括：

（1）并行控制。每臺RDT驅動電機的連接是并行的，都可以保持穩定轉速轉矩輸出，但互相之間沒有影響，不能對擾動及時調整。

（2）主從控制。可選取一臺RDT驅動電機作為主電機，其他RDT驅動電機作為從電機，當主電機出現擾動，其他從電機能夠及時調整，但當從電機出現擾動時，主電機和其他從電機并不能及時調整，協同性能較差。

（3）交叉耦合控制。與上述非耦合控制方法相比，電機之間的同步誤差更小，受到干擾時可以及時調整，但其只適用于雙電機系統。

（4）相鄰交叉耦合控制。相比于交叉耦合控制，其可適用于兩個以上電機系統，且無論是運行初期還是受到擾動，協調性能都很好，但電機較多時，其響應時間會增加。

以上控制方法針對的是多RDT協同控制系統中的低級控制器，對于高級控制器，有如下控制方法：

（1）PID控制。它具有技術成熟、操作簡單、價格便宜、應用廣泛等優點，但當船體或環境發生較大變化時，PID控制器的所有參數都需要重新選擇，這也促進了其他控制方法的應用。

（2）LQG控制。它由Kalman濾波和最優控制相結合形成，其控制系統只響應會對位置變化起到較大影響的低頻運動，而不響應高頻運動，在節能、安全、魯棒性能上有一定進步。

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

多推進器的協同控制更加聚焦于對船舶航行的精確穩定控制。目前，國內對于船舶多推進器協同控制系統的研究主要集中在船舶運動模型、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器的不斷發展，大型船舶的多推進器協同控制系統必將得到更多的重視和發展。

5 結論

輪緣推進裝置作為船舶電力推進技術的一項革命性的創新，具有結構緊湊、高功率密度、高機動性能、減振降噪和節能環保等顯著優點，可以有效避免傳統推進系統中軸系結構復雜、運行振動噪聲明顯、密封失效等難題。

對于RDT的電機和控制，主要存在以下方面的工作：

1）關于RDT驅動電機的選型。綜合效率、成本和制造工藝等因素，目前永磁電機是RDT驅動電機的理想選擇，RDT電機氣隙大且處于多物理場強耦合中，電磁性能受到影響；電機安裝于導管內，其尺寸直接影響推進器水動力性能；電機轉子與螺旋槳直接連接，電磁激振力和水動力直接耦合。如何通過電機設計有效降低電磁激振力，平衡RDT水動力性能與電磁性能，是RDT驅動電機研究的關鍵。

2）關于RDT驅動電機的控制。由于RDT工作在水下并取消了傳動軸，難以安裝位置傳感器，并存在如電機負載波動頻繁、單一控制方法難以滿足全轉速范圍、功率限制等控制難題。因此，綜合能效因素開發適合RDT的抗擾動復合控制算法研究以實現全轉速范圍內的無位置傳感器控制是實現其高性能控制的發展方向。

3）關于RDT全回轉裝置的控制。應考慮RDT全回轉控制與電機轉速控制的匹配問題，從控制的角度實現在任意航速時安全、快速地完成規定的轉動角度。

4）關于多RDT的協同控制。綜合考慮系統響應速度、控制精度、功率限制、冗余度等約束條件，保證多RDT協同控制的準確性和快速性，使多RDT協同控制用于大型化船舶上是未來的發展方向。

本文編自2022年第12期《電工技術學報》，論文標題為“船舶輪緣推進裝置驅動電機及控制方法研究進展”。本課題得到了國家重點研發計劃資助項目的支持。