起重機旋轉(zhuǎn)主從控制設計

1、<p>　　起重機旋轉(zhuǎn)主從控制設計</p><p>　　摘要:本文主要論述港口門座式起重機電氣控制方面的設計，主要研究門座式起重機的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)變頻主/從控制的設計。主/從控制設計的方法就是：旋轉(zhuǎn)電機1作為主機站，采用速度控制，并限制其最大輸出轉(zhuǎn)矩；旋轉(zhuǎn)電機2作為從機站，采用轉(zhuǎn)矩控制，限制其速度。設計方案中論述了ABB變頻器作主從控制的設計方法，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：TH21 文獻標識碼：A 文章編號： </p><p>　　1 門座式起重機的結(jié)構(gòu) </p><p>　　門座式起重機根據(jù)其構(gòu)造又可分為金屬結(jié)構(gòu)、機構(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、人字架（轉(zhuǎn)柱或立柱）、門架、均衡梁、機房、司機室等；四大機構(gòu)有

3、起升、變幅、旋轉(zhuǎn)與運行機構(gòu)；電氣系統(tǒng)包括供電、電器與電氣控制等。在這四大機構(gòu)中分為起升、變幅和旋轉(zhuǎn)工作機構(gòu)，而運行機構(gòu)屬于非工作機構(gòu)。 </p><p>　　2 門座式起重機旋轉(zhuǎn)機構(gòu)特性 </p><p>　　旋轉(zhuǎn)機構(gòu)作為門座式起重機三大工作機構(gòu)之一，它的工作特性是360°全回轉(zhuǎn)，而旋轉(zhuǎn)機構(gòu)所承受的負載也相當復雜。它的負載由摩擦力、滾道坡度阻力、旋轉(zhuǎn)慣性阻力與風阻力組成，其中風阻

4、力占大部分，可達60%---80%。除摩擦力與慣性阻力為阻力負載外，其余各項是阻力負載還是動力負載，與機構(gòu)所處的位置和運動方向有關(guān)。隨著回轉(zhuǎn)角度的變化，承風面非線性改變，風載也隨之改變，而且轉(zhuǎn)向變化時，風載與坡道阻力的方向也隨之改變，所以回轉(zhuǎn)機構(gòu)的機構(gòu)特性最復雜，隨機性極大。旋轉(zhuǎn)機構(gòu)負載特性（阻力還是動力數(shù)值大?。删唧w情況決定，故調(diào)速時應有既硬又軟的機械特性。但是，電控方面實現(xiàn)這個調(diào)速的機械最佳特性非常不容易。因為旋轉(zhuǎn)機構(gòu)是由2個電

5、動機通過旋轉(zhuǎn)大齒圈與之嚙合，2者處于180°的位置，是屬于剛性連接。2個剛性連接的電機需要控制它們能夠同時出力，而且輸出力矩能夠達到最總相等的目的，考慮到旋轉(zhuǎn)機構(gòu)特殊的負載性，想要控制2個電機的電流平衡是比較困難的。 </p><p>　　3旋轉(zhuǎn)電機采用主從控制 </p><p><b>　　3.1設計理念 </b></p><p>

6、　　基于旋轉(zhuǎn)機構(gòu)運行的特殊性，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共性----擺脫不了對于旋轉(zhuǎn)電機電流的有效控制，即在整個運行過程中轉(zhuǎn)矩是可以控制的，此時可以分別控制二臺旋轉(zhuǎn)電機的電流。不過，雖然電機的電流是可以控制了，然而每臺變頻器只能控制各自相連電機的電流，卻還是不能有效控制二臺電機輸出電流的平衡性，從而使之輸出轉(zhuǎn)矩平衡達

7、到自動調(diào)節(jié)負載均衡的目的。主從控制是為多電機傳動系統(tǒng)設計，每臺電機分別由單獨的變頻器控制，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。利用這個高性能的控制算法，可在同步運行的機構(gòu)之間建立合理的負載分配關(guān)系，充分發(fā)揮各電動機的轉(zhuǎn)矩輸出能力。 </p><p>　　主機和從機的電機軸通過齒輪、鏈條等進行剛性連接。主機采用速度控制，從機采用轉(zhuǎn)矩控制模式，這樣使傳動單元之間平均分配負載轉(zhuǎn)矩，此時是

8、由機械結(jié)構(gòu)保證轉(zhuǎn)速同步，由于每臺電機分別由單獨的變頻器控制，電機輸出軸安裝有編碼器，采用閉環(huán)控制，保證了各電動機承擔的負載分配合理，防止出現(xiàn)分配轉(zhuǎn)矩嚴重不平衡，甚至彼此頂牛現(xiàn)象的發(fā)生。 </p><p><b>　　3.2設計方案 </b></p><p>　　1、主從控制的實現(xiàn)方法 主從控制的關(guān)鍵技術(shù)問題是如何把主傳動的速度信號或轉(zhuǎn)矩信號高速和精確地傳送到從傳動變

9、頻器。 </p><p>　　2、ABB變頻器主從控制原理 </p><p>　　ABB變頻器ACS800實現(xiàn)主從控制采用的是DTC（直接轉(zhuǎn)矩啟動）作為其核心控制原理。DTC技術(shù)的概念就是利用空間矢量、定子磁場定向的分析方法，直接在定子坐標系下分析異步電動機的數(shù)學模型，計算與控制異步電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，采用離散的兩點式調(diào)節(jié)器，把轉(zhuǎn)矩檢測值與轉(zhuǎn)矩給定值作比較，使轉(zhuǎn)矩波動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，直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進行控制，從而獲得高動態(tài)性能的轉(zhuǎn)矩輸出。 </p><p><b>　　3、設計框架圖 </b></p><p>　　1）主/從機連接方式 </p><p>　　ABB主從功能應用于旋轉(zhuǎn)機構(gòu)二臺電動機的設計，其中系統(tǒng)由二臺ACS800變頻器驅(qū)動，同時電機軸是通過齒輪

11、嚙合相連。由于這種主從功能，負載可以均勻地分配在傳動單元之間。外部控制信號只與主機連接。主機通過一個光纖串行通訊鏈路來控制從機。通過光纖的連接方式，這是ABB變頻器主從功能最大的特點。 </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/從通訊中得傳動單元中得RMIO板上 </p>

12、<p>　　·將外部控制信號連接到主機。通過從機的故障指示繼電器輸出，連接至主機的運行信號。 </p><p>　　·在電機不與被驅(qū)動設備相連的情況下，進行電機測試。通過主機模擬/數(shù)字輸入和主機控制盤發(fā)出控制命令。 </p><p>　?。╝）從機站采用的轉(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

13、序圖 </p><p>　　圖3.1速度/轉(zhuǎn)矩控制切換 </p><p>　　(b)主機站采用速度控制，轉(zhuǎn)矩限制 </p><p>　　轉(zhuǎn)矩限制與檢測：驅(qū)動轉(zhuǎn)矩是根據(jù)變頻器輸出電壓和電流值，經(jīng)CPU進行轉(zhuǎn)矩計算，其可對加減速和恒速運行時的沖擊負載恢復特性有顯著改善。轉(zhuǎn)矩限制功能可實現(xiàn)自動加速和減速控制。驅(qū)動轉(zhuǎn)矩功能提供了強大的起動轉(zhuǎn)矩，在穩(wěn)態(tài)運轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)矩功能將控制電

14、動機轉(zhuǎn)差，而將電動機轉(zhuǎn)矩限制在最大設定值內(nèi)，當負載轉(zhuǎn)矩突然增大時，甚至在加速時間設定過短時，也不會引起變頻器跳閘。在加速時間設定過短時，電動機轉(zhuǎn)矩也不會超過最大設定值。驅(qū)動轉(zhuǎn)矩大對起動有利，但是也不能太大，這樣驅(qū)動器得不到更好的保護，以設置為80～100%較妥。 </p><p><b>　　5）主從控制 </b></p><p>　　主機發(fā)送給從機的的控制字是一個1

15、6位字，其中僅b3（run）、b7（reset）、b10（remote－cmd）使用，當從機參數(shù)10.01（ext1start/stop／dir）或10.02（ext2start/stop/dir）設置為comm.cw時，控制字命令有效。給定值是包括1個符號位和15個整數(shù)位的16位字，給定1為速度給定，給定2為轉(zhuǎn)矩給定。當主機和從機為剛性連接時，從機跟隨主機轉(zhuǎn)矩給定的控制原理圖。主機采用速度控制方式，即速度給定speed ref3與實際

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的實際值在滯環(huán)比較器內(nèi)進行比較，得到最優(yōu)的pwm信號，最終通過驅(qū)動逆變器的開關(guān)器件達到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的。主機速度環(huán)輸出的最終轉(zhuǎn)矩給定值torq ref used同時作為從機的轉(zhuǎn)矩給定值，實現(xiàn)主機和從機的負載轉(zhuǎn)矩平衡分配。 &l

17、t;/p><p>　　3.3主從機通訊和參數(shù)設置 </p><p><b>　　1、從機控制 </b></p><p>　　主機將一個從機控制字和兩個給定值（Reference1和Reference2）傳送到從機站。 </p><p>　?、購臋C控制字是一個預設的16-bit字?？刂谱值拿钪挥挟攺臋C參數(shù)10.01 EXT1

18、 STRT/STP/DIR或10.02EXT2 STRT/STP/DIR設為COMM.CW時有效。 </p><p>　　②給定1是一個16-bit字，包括一個符號位和15個整數(shù)位。它根據(jù)主機的速度給定并利用參數(shù)20.01MINIMUM SPEED或20.02MAXIMUM SPEED運算得出：無論是20.01MINIMUM SPEED還是20.02MAXIMUM SPEED，絕對值大的決定速度給定的正/負限幅值

19、，該限幅值對應于+20000和-20000。 </p><p>　　③給定2 是一個16-bit字，包括一個符號位和15個整數(shù)位。它由主機的相對轉(zhuǎn)矩給定值導出：主機的電機額定轉(zhuǎn)矩對應于給定值10000。在從機中，給定2換算關(guān)系如下：10000對應于從機的最大給定值。 </p><p>　　2、參數(shù)設置—主機站 </p><p>　　主機站如同一個獨立的傳動單元，對其

20、設置和控制，主要設置為參數(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)設置—從機站 <

21、/p><p>　　從機站作為轉(zhuǎn)矩控制模式下的參數(shù)設置，參見下面從機站參數(shù)設置： </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>　　對于門坐式起重機旋轉(zhuǎn)機構(gòu)需要頻繁啟制動，而且對于碼頭裝卸效率的特殊性，目前通用設計一般都是在電機容量選型上擴大二檔，如果是變頻控制的設計，變頻器的容量也要放

23、大二檔，而且旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的加減速時間都要在8S到12S之間，這樣的設計就是為了防止機構(gòu)電流過大燒壞變頻器或者電動機，甚至損壞旋轉(zhuǎn)機構(gòu)機械方面的變速箱等等。這樣的設計使得碼頭用戶使用成本提高，對于門式起重機的使用效率方面也大大打了折扣，當然最后影響到港口物品的裝卸效率、整個生產(chǎn)就會滯后。 </p><p>　　門座式起重機旋轉(zhuǎn)機構(gòu)采用主/從控制的設計方法，根本上實現(xiàn)對于兩臺旋轉(zhuǎn)電機在整個運行過程中電流平衡的控制，解決了

24、由于旋轉(zhuǎn)機構(gòu)負載的不確定性而引起的啟動電流大，解決了兩臺電機對于負載的均衡分配。最終使得起重機的旋轉(zhuǎn)控制設計更合理化，降低使用成本，提高用戶最后用機的使用效率和延長整個起重機的使用壽命。 </p><p><b>　　參 考 文 獻 </b></p><p>　　[1] 主任委員：孫楓.《港口起重機設計規(guī)范》中國交通建設.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》第二版.北京：機械工業(yè)出版社，2000.3. </p><p>　　[3] 李發(fā)海，王巖.《電機與拖動基礎(chǔ)》第三版.北京：清華大學出版社，2005.8. </p><p>　　[4]陳伯時. 《電力拖動自動控制系統(tǒng)》[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1992. </p><p>　　[5]