起重機(jī)旋轉(zhuǎn)主從控制設(shè)計(jì)

1、<p>　　起重機(jī)旋轉(zhuǎn)主從控制設(shè)計(jì)</p><p>　　摘要:本文主要論述港口門座式起重機(jī)電氣控制方面的設(shè)計(jì)，主要研究門座式起重機(jī)的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)變頻主/從控制的設(shè)計(jì)。主/從控制設(shè)計(jì)的方法就是：旋轉(zhuǎn)電機(jī)1作為主機(jī)站，采用速度控制，并限制其最大輸出轉(zhuǎn)矩；旋轉(zhuǎn)電機(jī)2作為從機(jī)站，采用轉(zhuǎn)矩控制，限制其速度。設(shè)計(jì)方案中論述了ABB變頻器作主從控制的設(shè)計(jì)方法，目前是一種最合適的控制方式之一。 </p>&l

2、t;p>　　關(guān)鍵詞：主從控制;力矩控制;速度限制 </p><p>　　中圖分類號(hào)：TH21 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)： </p><p>　　1 門座式起重機(jī)的結(jié)構(gòu) </p><p>　　門座式起重機(jī)根據(jù)其構(gòu)造又可分為金屬結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)與電氣系統(tǒng)三大部分。金屬結(jié)構(gòu)主要指臂架系統(tǒng)、平衡重系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)平臺(tái)、人字架（轉(zhuǎn)柱或立柱）、門架、均衡梁、機(jī)房、司機(jī)室等；四大機(jī)構(gòu)有

3、起升、變幅、旋轉(zhuǎn)與運(yùn)行機(jī)構(gòu)；電氣系統(tǒng)包括供電、電器與電氣控制等。在這四大機(jī)構(gòu)中分為起升、變幅和旋轉(zhuǎn)工作機(jī)構(gòu)，而運(yùn)行機(jī)構(gòu)屬于非工作機(jī)構(gòu)。 </p><p>　　2 門座式起重機(jī)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)特性 </p><p>　　旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)作為門座式起重機(jī)三大工作機(jī)構(gòu)之一，它的工作特性是360°全回轉(zhuǎn)，而旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)所承受的負(fù)載也相當(dāng)復(fù)雜。它的負(fù)載由摩擦力、滾道坡度阻力、旋轉(zhuǎn)慣性阻力與風(fēng)阻力組成，其中風(fēng)阻

4、力占大部分，可達(dá)60%---80%。除摩擦力與慣性阻力為阻力負(fù)載外，其余各項(xiàng)是阻力負(fù)載還是動(dòng)力負(fù)載，與機(jī)構(gòu)所處的位置和運(yùn)動(dòng)方向有關(guān)。隨著回轉(zhuǎn)角度的變化，承風(fēng)面非線性改變，風(fēng)載也隨之改變，而且轉(zhuǎn)向變化時(shí)，風(fēng)載與坡道阻力的方向也隨之改變，所以回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)特性最復(fù)雜，隨機(jī)性極大。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)負(fù)載特性（阻力還是動(dòng)力數(shù)值大?。删唧w情況決定，故調(diào)速時(shí)應(yīng)有既硬又軟的機(jī)械特性。但是，電控方面實(shí)現(xiàn)這個(gè)調(diào)速的機(jī)械最佳特性非常不容易。因?yàn)樾D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是由2個(gè)電

5、動(dòng)機(jī)通過旋轉(zhuǎn)大齒圈與之嚙合，2者處于180°的位置，是屬于剛性連接。2個(gè)剛性連接的電機(jī)需要控制它們能夠同時(shí)出力，而且輸出力矩能夠達(dá)到最總相等的目的，考慮到旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)特殊的負(fù)載性，想要控制2個(gè)電機(jī)的電流平衡是比較困難的。 </p><p>　　3旋轉(zhuǎn)電機(jī)采用主從控制 </p><p><b>　　3.1設(shè)計(jì)理念 </b></p><p>

6、　　基于旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)行的特殊性，旋轉(zhuǎn)電控的發(fā)展不管剛開始采用了串電阻常規(guī)啟動(dòng)控制，還是目前常用的變頻控制，后來又發(fā)展到開環(huán)控制、閉環(huán)控制的方式。這些控制方式的發(fā)展和改變還是存在一個(gè)共性----擺脫不了對(duì)于旋轉(zhuǎn)電機(jī)電流的有效控制，即在整個(gè)運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)矩是可以控制的，此時(shí)可以分別控制二臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的電流。不過，雖然電機(jī)的電流是可以控制了，然而每臺(tái)變頻器只能控制各自相連電機(jī)的電流，卻還是不能有效控制二臺(tái)電機(jī)輸出電流的平衡性，從而使之輸出轉(zhuǎn)矩平衡達(dá)

7、到自動(dòng)調(diào)節(jié)負(fù)載均衡的目的。主從控制是為多電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，每臺(tái)電機(jī)分別由單獨(dú)的變頻器控制，因此，主從控制可以采用具有轉(zhuǎn)矩控制能力的矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制方法。利用這個(gè)高性能的控制算法，可在同步運(yùn)行的機(jī)構(gòu)之間建立合理的負(fù)載分配關(guān)系，充分發(fā)揮各電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出能力。 </p><p>　　主機(jī)和從機(jī)的電機(jī)軸通過齒輪、鏈條等進(jìn)行剛性連接。主機(jī)采用速度控制，從機(jī)采用轉(zhuǎn)矩控制模式，這樣使傳動(dòng)單元之間平均分配負(fù)載轉(zhuǎn)矩，此時(shí)是

8、由機(jī)械結(jié)構(gòu)保證轉(zhuǎn)速同步，由于每臺(tái)電機(jī)分別由單獨(dú)的變頻器控制，電機(jī)輸出軸安裝有編碼器，采用閉環(huán)控制，保證了各電動(dòng)機(jī)承擔(dān)的負(fù)載分配合理，防止出現(xiàn)分配轉(zhuǎn)矩嚴(yán)重不平衡，甚至彼此頂?，F(xiàn)象的發(fā)生。 </p><p><b>　　3.2設(shè)計(jì)方案 </b></p><p>　　1、主從控制的實(shí)現(xiàn)方法 主從控制的關(guān)鍵技術(shù)問題是如何把主傳動(dòng)的速度信號(hào)或轉(zhuǎn)矩信號(hào)高速和精確地傳送到從傳動(dòng)變

9、頻器。 </p><p>　　2、ABB變頻器主從控制原理 </p><p>　　ABB變頻器ACS800實(shí)現(xiàn)主從控制采用的是DTC（直接轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)）作為其核心控制原理。DTC技術(shù)的概念就是利用空間矢量、定子磁場(chǎng)定向的分析方法，直接在定子坐標(biāo)系下分析異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算與控制異步電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，采用離散的兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)器，把轉(zhuǎn)矩檢測(cè)值與轉(zhuǎn)矩給定值作比較，使轉(zhuǎn)矩波動(dòng)限制在一定的容差范圍內(nèi)

10、，容差的大小由頻率調(diào)節(jié)器來控制，并產(chǎn)生PWM脈寬調(diào)制信號(hào)，直接對(duì)逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制，從而獲得高動(dòng)態(tài)性能的轉(zhuǎn)矩輸出。 </p><p><b>　　3、設(shè)計(jì)框架圖 </b></p><p>　　1）主/從機(jī)連接方式 </p><p>　　ABB主從功能應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)二臺(tái)電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)，其中系統(tǒng)由二臺(tái)ACS800變頻器驅(qū)動(dòng)，同時(shí)電機(jī)軸是通過齒輪

11、嚙合相連。由于這種主從功能，負(fù)載可以均勻地分配在傳動(dòng)單元之間。外部控制信號(hào)只與主機(jī)連接。主機(jī)通過一個(gè)光纖串行通訊鏈路來控制從機(jī)。通過光纖的連接方式，這是ABB變頻器主從功能最大的特點(diǎn)。 </p><p><b>　　2）硬件連接 </b></p><p>　　·將RDCO通訊電路板安裝在所有用在主/從通訊中得傳動(dòng)單元中得RMIO板上 </p>

12、<p>　　·將外部控制信號(hào)連接到主機(jī)。通過從機(jī)的故障指示繼電器輸出，連接至主機(jī)的運(yùn)行信號(hào)。 </p><p>　　·在電機(jī)不與被驅(qū)動(dòng)設(shè)備相連的情況下，進(jìn)行電機(jī)測(cè)試。通過主機(jī)模擬/數(shù)字輸入和主機(jī)控制盤發(fā)出控制命令。 </p><p>　?。╝）從機(jī)站采用的轉(zhuǎn)矩控制，速度限制的模式 </p><p>　　下圖3.1為速度/轉(zhuǎn)矩控制切換的時(shí)

13、序圖 </p><p>　　圖3.1速度/轉(zhuǎn)矩控制切換 </p><p>　　(b)主機(jī)站采用速度控制，轉(zhuǎn)矩限制 </p><p>　　轉(zhuǎn)矩限制與檢測(cè)：驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩是根據(jù)變頻器輸出電壓和電流值，經(jīng)CPU進(jìn)行轉(zhuǎn)矩計(jì)算，其可對(duì)加減速和恒速運(yùn)行時(shí)的沖擊負(fù)載恢復(fù)特性有顯著改善。轉(zhuǎn)矩限制功能可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加速和減速控制。驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩功能提供了強(qiáng)大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，在穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)矩功能將控制電

14、動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差，而將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩限制在最大設(shè)定值內(nèi)，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩突然增大時(shí)，甚至在加速時(shí)間設(shè)定過短時(shí)，也不會(huì)引起變頻器跳閘。在加速時(shí)間設(shè)定過短時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩也不會(huì)超過最大設(shè)定值。驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩大對(duì)起動(dòng)有利，但是也不能太大，這樣驅(qū)動(dòng)器得不到更好的保護(hù)，以設(shè)置為80～100%較妥。 </p><p><b>　　5）主從控制 </b></p><p>　　主機(jī)發(fā)送給從機(jī)的的控制字是一個(gè)1

15、6位字，其中僅b3（run）、b7（reset）、b10（remote－cmd）使用，當(dāng)從機(jī)參數(shù)10.01（ext1start/stop／dir）或10.02（ext2start/stop/dir）設(shè)置為comm.cw時(shí)，控制字命令有效。給定值是包括1個(gè)符號(hào)位和15個(gè)整數(shù)位的16位字，給定1為速度給定，給定2為轉(zhuǎn)矩給定。當(dāng)主機(jī)和從機(jī)為剛性連接時(shí)，從機(jī)跟隨主機(jī)轉(zhuǎn)矩給定的控制原理圖。主機(jī)采用速度控制方式，即速度給定speed ref3與實(shí)際

16、速度actual speed相比較，通過pi調(diào)節(jié)器得到轉(zhuǎn)矩給定值torq ref3，該值經(jīng)過頻率限幅、直流電壓限幅、功率限幅和轉(zhuǎn)矩限幅后，得到最終的轉(zhuǎn)矩給定值torq ref used。該值和定子磁通給定值分別同相應(yīng)的實(shí)際值在滯環(huán)比較器內(nèi)進(jìn)行比較，得到最優(yōu)的pwm信號(hào)，最終通過驅(qū)動(dòng)逆變器的開關(guān)器件達(dá)到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的。主機(jī)速度環(huán)輸出的最終轉(zhuǎn)矩給定值torq ref used同時(shí)作為從機(jī)的轉(zhuǎn)矩給定值，實(shí)現(xiàn)主機(jī)和從機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡分配。 &l

17、t;/p><p>　　3.3主從機(jī)通訊和參數(shù)設(shè)置 </p><p><b>　　1、從機(jī)控制 </b></p><p>　　主機(jī)將一個(gè)從機(jī)控制字和兩個(gè)給定值（Reference1和Reference2）傳送到從機(jī)站。 </p><p>　?、購臋C(jī)控制字是一個(gè)預(yù)設(shè)的16-bit字?？刂谱值拿钪挥挟?dāng)從機(jī)參數(shù)10.01 EXT1

18、 STRT/STP/DIR或10.02EXT2 STRT/STP/DIR設(shè)為COMM.CW時(shí)有效。 </p><p>　?、诮o定1是一個(gè)16-bit字，包括一個(gè)符號(hào)位和15個(gè)整數(shù)位。它根據(jù)主機(jī)的速度給定并利用參數(shù)20.01MINIMUM SPEED或20.02MAXIMUM SPEED運(yùn)算得出：無論是20.01MINIMUM SPEED還是20.02MAXIMUM SPEED，絕對(duì)值大的決定速度給定的正/負(fù)限幅值

19、，該限幅值對(duì)應(yīng)于+20000和-20000。 </p><p>　?、劢o定2 是一個(gè)16-bit字，包括一個(gè)符號(hào)位和15個(gè)整數(shù)位。它由主機(jī)的相對(duì)轉(zhuǎn)矩給定值導(dǎo)出：主機(jī)的電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)于給定值10000。在從機(jī)中，給定2換算關(guān)系如下：10000對(duì)應(yīng)于從機(jī)的最大給定值。 </p><p>　　2、參數(shù)設(shè)置—主機(jī)站 </p><p>　　主機(jī)站如同一個(gè)獨(dú)立的傳動(dòng)單元，對(duì)其

20、設(shè)置和控制，主要設(shè)置為參數(shù)組60。具體如下： </p><p>　　60.01 MASTER ；60.02 TORQUE；60.03 NO；60.04&60.05 0.0rpm；60.06 0%； </p><p>　　60.07 202 （SPEED REF）：60.08 213 （TORQ REF）。 </p><p>　　3、參數(shù)設(shè)置—從機(jī)站 <

21、/p><p>　　從機(jī)站作為轉(zhuǎn)矩控制模式下的參數(shù)設(shè)置，參見下面從機(jī)站參數(shù)設(shè)置： </p><p>　　10.01&10.02 COMM.CW；11.02 EXT2；11.03&11.06 COMM.REF；16.01 COMM.CW(3)； </p><p>　　16.04 COMM.CW(7)；30.18 FAULT；30.19 1.00 s；60.0

22、1 ADD；60.03 YES； </p><p>　　60.04&60.05 30.0rpm；60.06 0%。 </p><p><b>　　結(jié)論 </b></p><p>　　對(duì)于門坐式起重機(jī)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)需要頻繁啟制動(dòng)，而且對(duì)于碼頭裝卸效率的特殊性，目前通用設(shè)計(jì)一般都是在電機(jī)容量選型上擴(kuò)大二檔，如果是變頻控制的設(shè)計(jì)，變頻器的容量也要放

23、大二檔，而且旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的加減速時(shí)間都要在8S到12S之間，這樣的設(shè)計(jì)就是為了防止機(jī)構(gòu)電流過大燒壞變頻器或者電動(dòng)機(jī)，甚至損壞旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)機(jī)械方面的變速箱等等。這樣的設(shè)計(jì)使得碼頭用戶使用成本提高，對(duì)于門式起重機(jī)的使用效率方面也大大打了折扣，當(dāng)然最后影響到港口物品的裝卸效率、整個(gè)生產(chǎn)就會(huì)滯后。 </p><p>　　門座式起重機(jī)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用主/從控制的設(shè)計(jì)方法，根本上實(shí)現(xiàn)對(duì)于兩臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)在整個(gè)運(yùn)行過程中電流平衡的控制，解決了

24、由于旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)負(fù)載的不確定性而引起的啟動(dòng)電流大，解決了兩臺(tái)電機(jī)對(duì)于負(fù)載的均衡分配。最終使得起重機(jī)的旋轉(zhuǎn)控制設(shè)計(jì)更合理化，降低使用成本，提高用戶最后用機(jī)的使用效率和延長整個(gè)起重機(jī)的使用壽命。 </p><p><b>　　參 考 文 獻(xiàn) </b></p><p>　　[1] 主任委員：孫楓.《港口起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》中國交通建設(shè).北京:人民交通出版社,2007. </p

25、><p>　　[2] 主任委員：趙明生.《電氣工程師手冊(cè)》第二版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.3. </p><p>　　[3] 李發(fā)海，王巖.《電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)》第三版.北京：清華大學(xué)出版社，2005.8. </p><p>　　[4]陳伯時(shí). 《電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)》[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992. </p><p>　　[5]