文曉娟，岳麗敏

(鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 451460)

偏差耦合式同步控制策略在起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用

文曉娟，岳麗敏

(鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 451460)

針對起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)多吊鉤同步性精度差的問題，采用偏差耦合式同步控制策略，結(jié)合PLC(可編程邏輯控制)、光電編碼器和變頻器，對起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。通過PLC系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及模擬調(diào)試，結(jié)果顯示控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理正確，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

偏差耦合式；同步控制；起重機(jī)；PLC

應(yīng)用于高速鐵路建設(shè)中的起重機(jī)，如提梁機(jī)、架橋機(jī)等，由于工作現(xiàn)場條件復(fù)雜，負(fù)載較重，相比普通用途的起重機(jī)，在吊裝精度和工作可靠性方面有著更高的要求。多吊鉤的起重機(jī)械在進(jìn)行重型負(fù)載作業(yè)時(shí)，常常因?yàn)殡妱訖C(jī)不同步而引發(fā)安全隱患，造成載荷重心偏轉(zhuǎn)、失控散落，鋼絲繩斷裂等問題。因此，對于多吊鉤、重負(fù)荷的起重機(jī)，高精度的電動機(jī)同步控制尤為重要。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，多電機(jī)的同步控制技術(shù)已經(jīng)在各種機(jī)械傳動系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，大大改善了原有系統(tǒng)自動化程度低、同步精度差的問題，結(jié)合了控制理論、可編程邏輯控制技術(shù)、傳感檢測技術(shù)的控制方案已成為工業(yè)電機(jī)同步控制的主流。本設(shè)計(jì)結(jié)合偏差耦合式同步控制策略，采用PLC、變頻器及光電編碼器等自動控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)電動機(jī)的閉環(huán)自動控制，保證了多吊鉤聯(lián)動的同步性，提高了起重機(jī)的工作性能。

1 偏差耦合式同步性控制策略

同步控制技術(shù)是在多電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中，將控制理論、電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及其他相關(guān)技術(shù)有機(jī)結(jié)合在一起的控制技術(shù)。在同步控制系統(tǒng)中，控制目的是使系統(tǒng)中被控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速、位移等動態(tài)性能能夠按系統(tǒng)要求協(xié)調(diào)運(yùn)行。多電機(jī)的同步控制技術(shù)有4種經(jīng)典的控制方案：并行式同步控制方案，主從式同步控制方案，交叉耦合同步控制方案，偏差耦合式同步控制方案。其中，偏差耦合式同步控制方案是由Perez-Pinal[1]等人基于交叉耦合式同步控制方案提出的，控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。在圖1中，參考角速度信號為ω*，各運(yùn)動軸輸出角速度為ωn(n=1,2,3…)。運(yùn)行時(shí)，所控制的運(yùn)動軸與其他軸的轉(zhuǎn)速差由補(bǔ)償器求出，將轉(zhuǎn)速差經(jīng)過補(bǔ)償算法處理后相加可得到該運(yùn)動軸的轉(zhuǎn)速補(bǔ)償信號ωcn。在偏差耦合式同步控制系統(tǒng)中，所有運(yùn)動軸之間的偏差值均作為補(bǔ)償輸入量寫入輸入信號中，所以系統(tǒng)中每個(gè)軸都可以得到同步誤差的信息，最終使各個(gè)軸都能夠根據(jù)自身運(yùn)動情況以及其他軸的運(yùn)動情況進(jìn)行同步調(diào)節(jié)，控制系統(tǒng)因此具有較好的同步性能[2]。

圖1 偏差耦合式同步控制結(jié)構(gòu)

2 起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)多電機(jī)同步控制策略

假設(shè)起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)有4個(gè)吊鉤，控制系統(tǒng)采用4臺變頻器分別驅(qū)動4臺變頻電機(jī)。起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)工作時(shí)，PLC系統(tǒng)結(jié)合變頻器向交流電動機(jī)發(fā)出具體信號，使得電動機(jī)按照設(shè)定頻率運(yùn)轉(zhuǎn)，經(jīng)由傳動系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)提升機(jī)構(gòu)卷揚(yáng)機(jī)吊鉤的運(yùn)動。各臺變頻電機(jī)上采用帶光電編碼器反饋的閉環(huán)控制，控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。速度檢測裝置需檢測電動機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)動位移，經(jīng)由信號處理電路向驅(qū)動裝置反饋電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)，由PLC控制系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和處理，結(jié)合變頻器向電動機(jī)發(fā)出新的運(yùn)行信號，消除誤差，即可實(shí)現(xiàn)起升機(jī)構(gòu)多臺電機(jī)運(yùn)行的同步性和穩(wěn)定性。

圖2 閉環(huán)交流電動機(jī)控制系統(tǒng)框圖

在起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)中，通過與電動機(jī)同軸相連的光電編碼器將電機(jī)角位移轉(zhuǎn)換成脈沖值，利用PLC的高速計(jì)數(shù)器功能來統(tǒng)計(jì)編碼器發(fā)出的脈沖個(gè)數(shù)，比較4臺電動機(jī)的光電編碼器發(fā)出的脈沖個(gè)數(shù)，取最大值，將其他3個(gè)的脈沖個(gè)數(shù)與之相比，將得出的偏差值作為反饋驅(qū)動信號，由PLC發(fā)出新的信號驅(qū)動變頻器使3臺不同步電動機(jī)按照高一級頻率運(yùn)行，直至4臺電動機(jī)編碼器脈沖個(gè)數(shù)相同，從而實(shí)現(xiàn)4吊鉤聯(lián)動時(shí)吊鉤上升或下降運(yùn)動距離的一致性，保證了提升過程平穩(wěn)可靠。其控制流程見圖3。

圖3 4吊鉤聯(lián)動電動機(jī)工作同步控制流程

3 PLC程序及模擬調(diào)試

目前很多超小型PLC都具備高數(shù)計(jì)數(shù)器的功能，以松下電工FP0-C32型PLC為例，它具有CH0、CH1、CH2、CH3等4個(gè)輸入通道，可作為起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)4臺電動機(jī)運(yùn)行反饋信號的采集端口，DT9044—DT9109為4個(gè)輸入通道的經(jīng)過值寄存器，里面的數(shù)值反映出當(dāng)前4通道采集的電動機(jī)運(yùn)行的位置信號?？刂撇糠值木植刻菪螆D見圖4。

圖4 控制系統(tǒng)局部梯形圖

利用實(shí)驗(yàn)室FP0-C32型PLC設(shè)備對控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行模擬調(diào)試。硬件接線正確后，通過RS232數(shù)據(jù)接口將程序下載給PLC。 程序運(yùn)行時(shí)，將寄存器DT9044寫入K60數(shù)值，其他數(shù)據(jù)寄存器寫入K30數(shù)值,表示1#吊鉤電動機(jī)超前運(yùn)行，將程序下載給PLC后執(zhí)行，此時(shí)代表1#、2#、3#、4#吊鉤電動機(jī)主電路接通的輸出Y0、 Y1、Y2、Y3指示燈亮；利用開關(guān)模擬速度選擇擋位操作后，此時(shí)1#、2#、3#、4#變頻器接通的Y4、Y5、Y6、Y7指示燈亮，4個(gè)變頻器按設(shè)定值輸出10 Hz頻率，驅(qū)動4個(gè)電動機(jī)以固定速度速運(yùn)行；由于程序里對數(shù)據(jù)寄存器DT9044、DT9048、DT9104、DT9108初始值的寫入不同，Y5、Y6、Y7指示燈很快滅掉，代表2#、3#、4#電動機(jī)變頻器端口6接通的Y8、Y9、YA指示燈亮，表示此時(shí)變頻器按照設(shè)定值輸出20 Hz頻率驅(qū)動2#、3#、4#吊鉤電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)4個(gè)數(shù)據(jù)寄存器初始值中寫入相同時(shí)，表示4個(gè)吊鉤電動機(jī)運(yùn)行同步，代表變頻器輸出頻率保持初始值不變的Y4、Y5、Y6、Y7指示燈持續(xù)亮。模擬結(jié)果顯示，PLC控制程序的執(zhí)行符合前述對4個(gè)電動機(jī)聯(lián)動運(yùn)行的控制要求。

4 結(jié)語

本著簡單易行的原則，提出一種基于偏差耦合式的多電機(jī)同步控制方案，用來實(shí)現(xiàn)對起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)多電機(jī)的同步控制。采用閉環(huán)的速度檢測機(jī)構(gòu)配置，利用光電編碼器與PLC高速計(jì)數(shù)器的配合實(shí)現(xiàn)多吊鉤聯(lián)動時(shí)電動機(jī)同步性的控制，改善了起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)的工作性能，提高了工作的可靠性和穩(wěn)定性。PLC軟件模擬調(diào)試表明控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)正確，能夠滿足起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)現(xiàn)場工作需求，可應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場。

[1] Perez-Pinal J，Calderon C，Araujo I. Relative coupling strategy [C]. Proceeding of IEEE International Electric Machines and Drives Conference. Madison：IEEE，2003：1162-1166.

[2]姚武軍.多電機(jī)同步控制策略研究[D].湘潭：湘潭大學(xué)，2013.

[3]張君霞.電氣控制及PLC[M] .北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2013.

[責(zé)任編輯：趙 偉]

Application of Relative Coupling Synchronous Control Strategy to Crane Lifting Mechanism

WEN Xiaojuan, YUE Limin

(Zhengzhou Railway Vocational and Technical College, Zhengzhou 451460,China)

As to the problem of the synchronization performance of crane lifting mechanism being at a low level，a synchronization strategy based on relative coupling strategy is proposed. The control system of crane lifting mechanism combines PLC、photoelectric encoder and frequency converter. The result of PLC system design and simulation debugging shows that the control system design is appropriate，with attaining the expected object.

relative coupling; synchronous control; crane; PLC

2015-12-18

文曉娟(1982—)，女，河南西平人，鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系講師，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化技術(shù)。 岳麗敏(1980—)，女，河南新鄉(xiāng)人，鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系講師，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化技術(shù)。

TH21

A

1008-6811(2017)01-0010-03