CN111377358B - 一种平稳控制塔式起重机回转机构的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平稳控制塔式起重机回转机构的方法，变频器控制控制塔式起重机的变频电机，斜坡转换模块将阶跃式速度命令ω_ref生成按照预先设定的斜率变化的速度指令ω_cmd；力矩电机转矩函数发生模块利用力矩电机转矩函数生成第一转矩命令T_cmd1；涡流制动器转矩函数发生模块利用涡流制动器转矩函数生成第二转矩命令T_cmd2；转矩合成模块接收第一转矩命令T_cmd1、第二转矩命令T_cmd2和转速方向判断模块的输入的转速方向信号生成转矩合成命令T_cmd3；将转矩合成命令T_cmd3作为变频器的转矩控制环驱动塔式起重机变频电机。本发明能够使塔式起重机的回转机构启动、制动平稳且整体加减速时间短，工作效率高。

Description

一种平稳控制塔式起重机回转机构的方法

技术领域

本发明属于应用于起重机回转机构上的控制方法，具体涉及一种平稳控制塔式起重机回转机构的方法。

背景技术

塔式起重机回转机构整体系统的特点是臂架长，重量大，惯性也大，同时也存在臂架柔性较大的特点，这给回转机构的控制带来麻烦，另外，当塔身较高时，塔身的柔性也会给回转机构的控制带来附加的难度。

目前，塔式起重机回转机构的控制有几种主流方式，在其控制效果、可靠性和成本上都各有优缺点。第一种是电机采用力矩电机配涡流制动器，控制器采用交流调压类型的RCV控制方式，如CN201512374U和CN200910013251披露的那样，这种控制方式的优点是控制的效果较好，塔式起重机的回转机构启动、制动平稳且速度快。在这种方式中，力矩电机只产生驱动转矩，涡流制动器只产生制动转矩，各自通过调压装置控制在电机输出轴上产生合转矩，这个合转矩首先要能满足根据速度命令在加速时为驱动转矩、在减速时为制动转矩，即可驱动塔式起重机回转机构正常工作。其次，由于塔式起重机回转机构惯性大、柔性大的特点，力矩电机较软的机械特性可以很好在臂架发生扭曲产生应力时去吸收应力的作用，即当应力表现为塔臂有驱动电机加速的趋势时，力矩电机上的负载转矩变小，力矩电机的速度会增加来跟随塔臂；当应力表现为塔臂有阻碍电机速度的趋势时，力矩电机上的负载转矩增大，力矩电机的速度会减少，同样是跟随了塔臂的运动，这样就不会使应力继续增加，而是很快得以释放。

另外，涡流制动器的原理是不提供驱动转矩，只提供制动转矩，具有阻尼的作用，同样会缓解塔臂的应力状态。因此力矩电机与涡流制动器的结合所形成的机械特性非常适合塔式起重机回转机构的驱动。

但第一种方式的缺点是力矩电机低速时滑差大、转子发热大，导致散热性能不佳、而且防护等级较低，涡流制动器的发热也较大，需要经常维护，RCV控制器可靠性不高。

鉴于第一种方式中RCV控制器可靠性不高的特点，出现了用可靠性较高的变频器替代RCV控制器的第二种控制方式，那就是电机采用力矩电机配涡流制动器或变频电机配涡流制动器，控制器采用通用变频器普通加减速的控制方式，即加减速时间固定的方式(也可以称为加减速斜率固定的方式)，这种方式同样保留了涡流制动器发热严重、需要定期维护的缺点，采用力矩电机的更是保留了力矩电机散热性能不佳、防护等级较低的缺点。由于采用了变频控制，其控制的电机的机械特性较采用调压控制的力矩电机机械特性硬很多，因此控制塔式起重机的回转机构启动、制动效果比RCV的差，加减速时间较短时会出现塔臂在停止时回弹、塔身在塔臂停止时抖动的现象，解决方法只有简单延长加减速时间，这样虽然能够缓解塔臂回弹、塔身抖动的现象，但也直接导致了塔式起重机回转机构工作效率的下降。

鉴于第二种方式中变频器普通加减速控制方式不能很好满足对塔式起重机回转机构控制性能要求的情况，出现了普通加减速控制方式的几种改进方案，电机仍为力矩电机配涡流制动器或变频电机配涡流制动器。CN201210161223披露了一种方法，将固定加减速斜率的方式改为先快减速再慢减速的方式，虽然能够缓解塔臂回弹、塔身抖动的现象，但本质上仍是延长了整体加减速时间，工作效率比第二种方案稍高，但仍没有RCV控制方式高。CN201210576592披露了一种方法，需要在塔臂末端安装加速度传感器，来测得塔臂末端的加速度和速度，进而控制回转驱动侧的电机时刻跟随塔臂末端的状态，缓解塔臂柔性产生的应力，避免造成应力的集中而导致的塔臂回弹、塔身抖动的现象，该方法需要增加额外的传感器，也引入了不可靠的因素。

发明内容：

为了克服上述背景技术的缺陷，本发明提供一种平稳控制塔式起重机回转机构的方法，制动平稳，减速时间短，效率高。

为了解决上述技术问题本发明的所采用的技术方案为：

一种平稳控制塔式起重机回转机构的方法，变频器控制控制塔式起重机的变频电机，变频器包括：

档位信号发生器1，将从控制手柄接收到的档位信号按照预设的参数生成阶跃式速度命令ω_ref；

斜坡转换模块3，将阶跃式速度命令ω_ref生成按照预先设定的斜率变化的速度指令ω_cmd；

力矩电机转矩函数发生模块4，接收速度指令ω_cmd和电机实时转速ω_m，利用力矩电机转矩函数生成第一转矩命令T_cmd1；涡流制动器转矩函数发生模块5，接收速度指令ω_cmd和电机实时转速ω_m，利用涡流制动器转矩函数生成第二转矩命令T_cmd2；

转矩合成模块6，接收第一转矩命令T_cmd1、第二转矩命令T_cmd2和转速方向判断模块7的输入的转速方向信号，生成转矩合成命令T_cmd3；

将转矩合成命令T_cmd3作为变频器的转矩控制环驱动塔式起重机变频电机。

较佳地，斜坡转换模块3中的斜率变化范围为-100％～100％。

较佳地，力矩电机转矩函数发生模块4，接收速度指令ω_cmd和电机实时转速ω_m，利用力矩电机转矩函数按照如下的公式生成第一转矩命令

其中，V为回转机构驱动电机的额定电压，a₁、a₂、b₁、b₂、c₁、c₂、d₁、d₂为对回转机构驱动电机在不同电压输入情况下的转速-转矩机械特性曲线进行拟合得到的常数。

较佳地，对回转机构驱动电机在不同电压输入情况下的转速-转矩机械特性曲线进行拟合的方法为最小二乘法。

较佳地，涡流制动器转矩函数发生模块5，接收速度指令ω_cmd和电机实时转速ω_m，利用涡流制动器转矩函数按照如下的公式生成第二转矩命令

其中，V为回转机构驱动电机的额定电压，a₃、a₄、b₃、b₄、c₃、c₄、d₃、d₄为对电机在不同电压输入情况下的转速-转矩机械特性曲线进行最小二乘法拟合得到的常数。

较佳地，对电机在不同电压输入情况下的转速-转矩机械特性曲线进行拟合的方法为最小二乘法。

较佳地，转矩合成模块6按照如下公式生成转矩合成命令T_cmd3＝sgn(ω_m)·(T_cmd1-T_cmd2)。

本发明的有益效果在于：本发明能够在塔式起重机回转机构中采用普通变频电机，不需要涡流制动器，不需要额外的传感器，采用变频器驱动普通变频电机，系统可靠性高，维护工作量小。本发明能够使塔式起重机的回转机构启动、制动平稳且整体加减速时间短，工作效率高。

附图说明

图1是本发明实施例整体结构示意图。

图2是本发明实施例力矩电机的机械特性曲线图。

图3是本发明实施例涡流制动器的机械特性曲线图。

图4是本发明实施例电机瞬态模型与本发明力矩电机转矩函数的仿真速度对比图。

图5是本发明实施例电机瞬态模型与本发明力矩电机转矩函数的仿真转矩对比图。

图1中：1-档位信号发生器，2-本发明实施例的系统构成模块，3-斜坡转换模块，4-力矩电机转矩函数发生模块，5-涡流制动器转矩函数发生模块，6-转矩合成模块，7-转速方向判断模块，8-电机机械特性模块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

普通变频电机在变频器驱动下，在采用矢量控制时，具有在从零转速到额定转速的范围内输出恒定转矩的能力，也就是能够在从零转速到额定转速的范围内输出小于最大转矩的任意的转矩，换句话说，此时的普通变频电机可被视作一个可控转矩发生器。当这个可控转矩发生器可以模拟出力矩电机加涡流制动器的机械特性时，普通变频电机就可以控制塔式起重机回转机构达到RCV的控制效果。

由图1所示,虚线框2表示的是本发明的具体内容，档位信号发生器1产生表示司机操作意图的档位命令ω_ref，档位信号本身就是离散的，也是阶跃变化的，档位具体对应的速度命令是预先设定的，如1档对应10Hz，2档对应25Hz，3档对应50Hz这样。

档位命令ω_ref经过斜坡转换模块3后生成按照预先设定的斜率变化的指令ω_cmd，其范围一般是在-100％～100％范围内变化，该指令与电机反馈速度ω_m一起输入到力矩电机转矩函数发生模块4和涡流制动器转矩函数发生模块5中，产生的转矩指令分别为T_cmd1和T_cmd2，一起输入到转矩合成模块6中，力矩电机和涡流制动器的机械特性都可以可以用T＝F(v，ω)来表示，即产生的转矩T是所加电压v和当前电机反馈转速ω_m的函数。更具体的，力矩电机和涡流制动器的力矩函数表达形式如下：

其中a₁，a₂，a₃，a₄，b₁，b₂，b₃，b₄，c₁，c₂，c₃，c₄，d₁，d₂，d₃，d₄表示的是对回转机构驱动电机在不同电压输入情况下的转速-转矩机械特性曲线进行最小二乘法拟合得到的常数采用最小二乘法拟合方法得到的常数，V表示电机的额定电压。

转矩合成模块6还接受转速方向判断模块7的输入，生成转矩合成命令T_cmd3。

T_cmd3＝sgn(ω_m)·(T_cmd1-T_cmd2) (3)

该命令控制变频器来驱动电机产生转矩，与外部实际负载转矩T_load相减后作用在表示电机机械特性的模块8上，产生实际的反馈转速ω_m，其中J_m表示电机轴上的转动惯量，S表示微分算子，是系统用传递函数表示时的公知用法。

下面以在塔式起重机上常用的一款加涡流制动器的力矩电机为例来进行说明T_cmd1和T_cmd2的函数推导方法。图2是力矩电机在所加电源频率为50Hz，电压分别为230v、300v和380v时的转速-转矩机械特性曲线图，图3是涡流制动器在电压分别为8v、16v和24v时的转速-转矩机械特性曲线图。以图2为例，从图中可以看出，在每个外加电压下，转矩是转速的函数，图中有三条曲线，可以通过曲线拟合得到三个函数，表示为：

其中T_v1，T_v2，T_v3表示在不同电压时的转矩，A_v1，B_v1，A_v2，B_v2，A_v3，B_v3是通过曲线拟合方法得到的常数。在得到这些常数后，视其为电压的函数，做二次曲线拟合，得到如下的公式：

其中，

A_v＝a₁(ω_cmd·V)³+b₁(ω_cmd·V)²+c₁(ω_cmd·V)+d₁ (8)

B_v＝a₂(ω_cmd·V)³+b₂(ω_cmd·V)²+c₂(ω_cmd·V)+d₂ (9)

T_cmd2可以用同样的方式进行推导出来。

下面通过仿真的方法来对上述的转矩函数推导方法进行证明，仿真采用的力矩电机模型为公知的瞬态模型(可采用Matlab中的电机模型)，功率为5.5kW，加大其转子电阻的取值，得到类似力矩电机的机械特性。电机的参数如下：

定子电阻：0.7384Ω；定子电感：0.003045H；转子电阻：6.4101Ω；转子电感：0.003045H；

互感：0.1241H；转动惯量：0.0343kg.m²。

在不同电压等级下做出其转速-转矩特性曲线，再按照上述的转矩函数推导方法得到转矩函数的所有常数系数。得到的函数为：

给瞬态电机模型和转矩函数输入同样的从0到电机额定电压按固定斜率变化的电压和反馈转速，在1秒、2秒、3秒时分别施加40Nm、100Nm、5Nm的负载转矩，得到的转速曲线和转矩曲线分别如图4和图5所示。从图中可以看出，本实施例所采用的转矩函数可以很好的与瞬态电机模型在不同电压输入时，在转速和转矩上达到较高程度的一致，即完全模拟出了力矩电机在调压控制方式下的机械特性。涡流制动器在调压控制方式下的机械特性模拟基本与力矩电机一致。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种平稳控制塔式起重机回转机构的方法，其特征在于：变频器控制塔式起重机的变频电机，所述变频器包括：

档位信号发生器(1)，将从控制手柄接收到的档位信号按照预设的参数生成阶跃式速度命令ω_ref；

斜坡转换模块(3)，将所述阶跃式速度命令ω_ref生成按照预先设定的斜率变化的速度指令ω_cmd；

力矩电机转矩函数发生模块(4)，接收所述速度指令ω_cmd和电机实时转速ω_m，利用力矩电机转矩函数生成第一转矩命令T_cmd1，

T_cmd1=[a₁(ω_cmd•V)³+b₁(ω_cmd•V)²+c₁(ω_cmd•V)+d₁]ω_m ²+[a₂(ω_cmd•V)³+b₂(ω_cmd•V)²+c₂(ω_cmd•V)+d₂]•ω_m

其中，V为回转机构驱动电机的额定电压，a₁、a₂、b₁、b₂、c₁、c₂、d₁、d₂为对回转机构驱动电机在不同电压输入情况下的转速-转矩机械特性曲线进行最小二乘法拟合得到的常数；

涡流制动器转矩函数发生模块(5)，接收所述速度指令ω_cmd和电机实时转速ω_m，利用涡流制动器转矩函数生成第二转矩命令T_cmd2，

T_cmd2=[a₃(ω_cmd•V)³+b₃(ω_cmd•V)²+c₃(ω_cmd•V)+d₃]•ω_m ²+[a₄(ω_cmd•V)³+b₄(ω_cmd•V)²+c₄(ω_cmd•V)+d₄]•ω_m

其中， a₃、a₄、b₃、b₄、c₃、c₄、d₃、d₄为对回转机构驱动电机在不同电压输入情况下的转速-转矩机械特性曲线进行最小二乘法拟合得到的常数；

转矩合成模块(6)，接收所述第一转矩命令T_cmd1、所述第二转矩命令T_cmd2和转速方向判断模块(7)的输入的转速方向信号，生成转矩合成命令T_cmd3；所述转矩合成模块(6)按照如下公式生成转矩合成命令T_cmd3=sgn(ω_m)•(T_cmd1-T_cmd2)；将所述转矩合成命令T_cmd3作为变频器的转矩控制环驱动塔式起重机变频电机。

2.根据权利要求1所述的一种平稳控制塔式起重机回转机构的方法，其特征在于：所述斜坡转换模块(3)中的斜率变化范围为-100％～100％。

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