起重机旋转主从控制设计.doc

1、起重机旋转主从控制设计摘要:本文主要论述港口门座式起重机电气控制方面的设计，主要研究门座式起重机的旋转机构变频主/从控制的设计。主/从控制设计的方法就是：旋转电机 1 作为主机站，采用速度控制，并限制其最大输出转矩；旋转电机 2 作为从机站，采用转矩控制，限制其速度。设计方案中论述了 ABB 变频器作主从控制的设计方法，目前是一种最合适的控制方式之一。 关键词：主从控制;力矩控制;速度限制 中图分类号：TH21 文献标识码：A 文章编号： 1 门座式起重机的结构 门座式起重机根据其构造又可分为金属结构、机构与电气系统三大部分。金属结构主要指臂架系统、平衡重系统、回转平台、人字架（转柱或立柱）

2、、门架、均衡梁、机房、司机室等；四大机构有起升、变幅、旋转与运行机构；电气系统包括供电、电器与电气控制等。在这四大机构中分为起升、变幅和旋转工作机构，而运行机构属于非工作机构。 2 门座式起重机旋转机构特性 旋转机构作为门座式起重机三大工作机构之一，它的工作特性是360全回转，而旋转机构所承受的负载也相当复杂。它的负载由摩擦力、滚道坡度阻力、旋转惯性阻力与风阻力组成，其中风阻力占大部分，可达 60%-80%。除摩擦力与惯性阻力为阻力负载外，其余各项是阻力负载还是动力负载，与机构所处的位置和运动方向有关。随着回转角度的变化，承风面非线性改变，风载也随之改变，而且转向变化时，风载与坡道阻力的方向也

3、随之改变，所以回转机构的机构特性最复杂，随机性极大。旋转机构负载特性（阻力还是动力数值大小） ，由具体情况决定，故调速时应有既硬又软的机械特性。但是，电控方面实现这个调速的机械最佳特性非常不容易。因为旋转机构是由 2 个电动机通过旋转大齿圈与之啮合，2 者处于 180的位置，是属于刚性连接。2 个刚性连接的电机需要控制它们能够同时出力，而且输出力矩能够达到最总相等的目的，考虑到旋转机构特殊的负载性，想要控制 2 个电机的电流平衡是比较困难的。 3 旋转电机采用主从控制 3.1 设计理念 基于旋转机构运行的特殊性，旋转电控的发展不管刚开始采用了串电阻常规启动控制，还是目前常用的变频控制，后来又发

4、展到开环控制、闭环控制的方式。这些控制方式的发展和改变还是存在一个共性-摆脱不了对于旋转电机电流的有效控制，即在整个运行过程中转矩是可以控制的，此时可以分别控制二台旋转电机的电流。不过，虽然电机的电流是可以控制了，然而每台变频器只能控制各自相连电机的电流，却还是不能有效控制二台电机输出电流的平衡性，从而使之输出转矩平衡达到自动调节负载均衡的目的。主从控制是为多电机传动系统设计，每台电机分别由单独的变频器控制，因此，主从控制可以采用具有转矩控制能力的矢量控制和直接转矩控制方法。利用这个高性能的控制算法，可在同步运行的机构之间建立合理的负载分配关系，充分发挥各电动机的转矩输出能力。 主机和从机的电

5、机轴通过齿轮、链条等进行刚性连接。主机采用速度控制，从机采用转矩控制模式，这样使传动单元之间平均分配负载转矩，此时是由机械结构保证转速同步，由于每台电机分别由单独的变频器控制，电机输出轴安装有编码器，采用闭环控制，保证了各电动机承担的负载分配合理，防止出现分配转矩严重不平衡，甚至彼此顶牛现象的发生。 3.2 设计方案 1、主从控制的实现方法 主从控制的关键技术问题是如何把主传动的速度信号或转矩信号高速和精确地传送到从传动变频器。 2、ABB 变频器主从控制原理 ABB 变频器 ACS800 实现主从控制采用的是 DTC（直接转矩启动）作为其核心控制原理。DTC 技术的概念就是利用空间矢量、定子

6、磁场定向的分析方法，直接在定子坐标系下分析异步电动机的数学模型，计算与控制异步电动机的磁链和转矩，采用离散的两点式调节器，把转矩检测值与转矩给定值作比较，使转矩波动限制在一定的容差范围内，容差的大小由频率调节器来控制，并产生 PWM 脉宽调制信号，直接对逆变器的开关状态进行控制，从而获得高动态性能的转矩输出。 3、设计框架图 1）主/从机连接方式 ABB 主从功能应用于旋转机构二台电动机的设计，其中系统由二台ACS800 变频器驱动，同时电机轴是通过齿轮啮合相连。由于这种主从功能，负载可以均匀地分配在传动单元之间。外部控制信号只与主机连接。主机通过一个光纤串行通讯链路来控制从机。通过光纤的连接

7、方式，这是 ABB 变频器主从功能最大的特点。 2）硬件连接 将 RDCO 通讯电路板安装在所有用在主/从通讯中得传动单元中得RMIO 板上 将外部控制信号连接到主机。通过从机的故障指示继电器输出，连接至主机的运行信号。 在电机不与被驱动设备相连的情况下，进行电机测试。通过主机模拟/数字输入和主机控制盘发出控制命令。 （a）从机站采用的转矩控制，速度限制的模式 下图 3.1 为速度/转矩控制切换的时序图 图 3.1 速度/转矩控制切换 (b)主机站采用速度控制，转矩限制 转矩限制与检测：驱动转矩是根据变频器输出电压和电流值，经 CPU进行转矩计算，其可对加减速和恒速运行时的冲击负载恢复特性有显

8、著改善。转矩限制功能可实现自动加速和减速控制。驱动转矩功能提供了强大的起动转矩，在稳态运转时，转矩功能将控制电动机转差，而将电动机转矩限制在最大设定值内，当负载转矩突然增大时，甚至在加速时间设定过短时，也不会引起变频器跳闸。在加速时间设定过短时，电动机转矩也不会超过最大设定值。驱动转矩大对起动有利，但是也不能太大，这样驱动器得不到更好的保护，以设置为 80100%较妥。 5）主从控制 主机发送给从机的的控制字是一个 16 位字，其中仅 b3（run） 、b7（reset） 、b10（remotecmd）使用，当从机参数10.01（ext1start/stopdir）或 10.02（ext2st

9、art/stop/dir）设置为comm.cw 时，控制字命令有效。给定值是包括 1 个符号位和 15 个整数位的 16 位字，给定 1 为速度给定，给定 2 为转矩给定。当主机和从机为刚性连接时，从机跟随主机转矩给定的控制原理图。主机采用速度控制方式，即速度给定 speed ref3 与实际速度 actual speed 相比较，通过 pi调节器得到转矩给定值 torq ref3，该值经过频率限幅、直流电压限幅、功率限幅和转矩限幅后，得到最终的转矩给定值 torq ref used。该值和定子磁通给定值分别同相应的实际值在滞环比较器内进行比较，得到最优的 pwm 信号，最终通过驱动逆变器的开

10、关器件达到调节转速的目的。主机速度环输出的最终转矩给定值 torq ref used 同时作为从机的转矩给定值，实现主机和从机的负载转矩平衡分配。 3.3 主从机通讯和参数设置 1、从机控制 主机将一个从机控制字和两个给定值（Reference1 和 Reference2）传送到从机站。 从机控制字是一个预设的 16-bit 字。控制字的命令只有当从机参数 10.01 EXT1 STRT/STP/DIR 或 10.02EXT2 STRT/STP/DIR 设为 COMM.CW时有效。 给定 1 是一个 16-bit 字，包括一个符号位和 15 个整数位。它根据主机的速度给定并利用参数 20.01

11、MINIMUM SPEED 或 20.02MAXIMUM SPEED 运算得出：无论是 20.01MINIMUM SPEED 还是 20.02MAXIMUM SPEED，绝对值大的决定速度给定的正/负限幅值，该限幅值对应于+20000 和-20000。 给定 2 是一个 16-bit 字，包括一个符号位和 15 个整数位。它由主机的相对转矩给定值导出：主机的电机额定转矩对应于给定值 10000。在从机中，给定 2 换算关系如下：10000 对应于从机的最大给定值。 2、参数设置主机站 主机站如同一个独立的传动单元，对其设置和控制，主要设置为参数组 60。具体如下： 60.01 MASTER ；

12、60.02 TORQUE；60.03 NO；60.04&60.05 0.0rpm；60.06 0%； 60.07 202 （SPEED REF）：60.08 213 （TORQ REF） 。 3、参数设置从机站 从机站作为转矩控制模式下的参数设置，参见下面从机站参数设置：10.01&10.02 COMM.CW；11.02 EXT2；11.03&11.06 COMM.REF；16.01 COMM.CW(3)； 16.04 COMM.CW(7)；30.18 FAULT；30.19 1.00 s；60.01 ADD；60.03 YES； 60.04&60.05 30.0rpm；60.06 0%。 结

13、论 对于门坐式起重机旋转机构需要频繁启制动，而且对于码头装卸效率的特殊性，目前通用设计一般都是在电机容量选型上扩大二档，如果是变频控制的设计，变频器的容量也要放大二档，而且旋转机构的加减速时间都要在 8S 到 12S 之间，这样的设计就是为了防止机构电流过大烧坏变频器或者电动机，甚至损坏旋转机构机械方面的变速箱等等。这样的设计使得码头用户使用成本提高，对于门式起重机的使用效率方面也大大打了折扣，当然最后影响到港口物品的装卸效率、整个生产就会滞后。 门座式起重机旋转机构采用主/从控制的设计方法，根本上实现对于两台旋转电机在整个运行过程中电流平衡的控制，解决了由于旋转机构负载的不确定性而引起的启动

14、电流大，解决了两台电机对于负载的均衡分配。最终使得起重机的旋转控制设计更合理化，降低使用成本，提高用户最后用机的使用效率和延长整个起重机的使用寿命。 参 考 文 献 1 主任委员：孙枫.港口起重机设计规范中国交通建设.北京:人民交通出版社,2007. 2 主任委员：赵明生.电气工程师手册第二版.北京：机械工业出版社，2000.3. 3 李发海，王岩.电机与拖动基础第三版.北京：清华大学出版社，2005.8. 4陈伯时. 电力拖动自动控制系统M. 北京：机械工业出版社，1992. 5 北京 ABB 电气传动系统有限公司，ACS800 固件手册 6 北京 ABB 电气传动系统有限公司，ACS800 主/从机 应用指南