CN107634694B - 一种旋转机构的转速控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转机构的转速控制方法，速度检测模块获取电机实时速度反馈信号；电机速度/转矩指令生成模块依据接收的手柄速度指令、第一速度指令、机械刹车指令和速度反馈信号，生成第二速度指令和转矩指令；第二速度指令经零速保持模块生成第三速度指令，第三速度指令与速度反馈信号差值输入速度控制PI调节器，生成第一转矩指令；转矩命令选择模块依据转矩指令将第一转矩指令、零转矩或电机最大转矩作为第二转矩指令输出；第二转矩指令经变频器输出至电机的控制信号输入端。本发明提能够保留变频调速的优点，使司机对旋转机构的控制灵活度更大、提高旋转机构的响应速度、提高操作效率。

Description

一种旋转机构的转速控制方法

技术领域

本发明属于变频器控制技术领域，具体涉及一种旋转机构的转速控制方法。

背景技术

目前，一些大惯量旋转机构，例如港口装卸用门座式起重机上的旋转机构采用的驱动形式一种是绕线式电动机，采用转子电阻切换的形式调速，一种是变频电动机，利用变频器改变电机的电压和频率进行调速。绕线式电动机调速方式的缺点是：调速范围窄，启动冲击大，采用的接触器触点容易损坏，绕线电机维护成本高；其优点是：低速就位时可频繁点动，低速转矩输出大、响应快，跟钩快,司机操控灵活性大，定点吊装效率高。变频调速方式的优点是：调速范围宽，可软启动，启动冲击小，采用的变频电机可靠性更高，维护成本低；但变频调速方式的缺点是：只能有加速和减速两种控制方式，低速就位必须提前估计好加减速时间，如果频繁点动，旋转机构会振动较大。如果司机通过机械刹车使门座式起重机减速时，变频器必须退出控制，即切断输出，当机械刹车停止作用后再次启动变频器，变频器必须执行转速追踪功能，通常会有1～2秒的追踪时间才能正常操作。因此，采用变频器驱动的门座式起重机旋转***操控灵活性差、响应速度慢、定点吊装效率低。

发明内容：

本发明要针对上述背景技术存在的问题，提供一种旋转机构的转速控制方法，控制灵活度大、响应速度高、操作效率高。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

一种旋转机构的转速控制方法，手柄档位指令模块依据手柄的档位生成手柄速度指令ω_REF，斜率幅值限制模块依据手柄速度指令ω_REF生成第一速度指令

速度检测模块获取电机实时速度反馈信号ω_FK；

电机速度/转矩指令生成模块依据接收的手柄速度指令ω_REF、第一速度指令

机械刹车指令Brk和速度反馈信号ω_FK，生成第二速度指令

和转矩指令T_SW；

第二速度指令

经零速保持模块生成第三速度指令

第三速度指令

与速度反馈信号ω_FK的差值输入速度控制PI调节器，生成第一转矩指令

转矩命令选择模块依据转矩指令T_SW将第一转矩指令

零转矩或电机最大转矩

作为第二转矩指令

输出；

第二转矩指令

经变频器输出至电机的控制信号输入端。

较佳地，电机速度/转矩指令生成模块依据接收的手柄速度指令ω_REF、第一速度指令

机械刹车指令Brk和速度反馈信号ω_FK，生成第二速度指令

和转矩指令T_SW的方法包括：

若Brk＝1，且

则转矩指令T_SW控制

若

且ω_FK＜V₁，则

加速时间＝AT1或

若

且ω_FK＞V₁，则

加速时间＝AT2；

若ω_REF＝0，

则

减速时间＝AT3或所述转矩指令T_SW控制所述

若

且ω_REF＝反向一档，

则

减速时间＝AT4；

若

且ω_REF＝反向二档，

则

减速时间＝AT5；

若

且ω_REF＝反向三档，

则

减速时间＝AT6；

AT1、AT2、AT3、AT4、AT5、AT6和V₁均为人工设定参数，且所述AT4＞AT5＞AT6。

较佳地，第三速度指令

与第二速度指令

的值相同。

较佳地，零速保持包括在第二速度指令

时，使第三速度指令

保持预设时长。

较佳地，预设时长为经验参数。

本发明的有益效果在于：本发明的一种旋转机构的转速控制方法可在旋转机构低速就位时提供大转矩输出，方便司机更快的跟钩。可在较高档位时提供更硬的机械特性，防止风力造成的速度控制不稳现象。

本发明相对于传统绕线式电机切电阻调速控制方式对电机的转矩控制更加准确。传统绕线式电机切电阻调速控制方式在转差较大时进行点动或者反方向操作都会造成较大的电流冲击和转矩冲击，继而会造成旋转机构的振动，而采用本发明的控制方法，在模式切换时刻对于电机电流和输出转矩的控制都十分精确，不会有过多的冲击产生。

本发明可在司机踩下机械刹车时使变频器无转矩输出，在机械刹车解除后迅速恢复控制；可在旋转机构就位后提供零速控制，抵抗风力的影响，使司机在吊装时无需再次调整旋转机构，精力更加集中。

本发明的技术方案提供了一种针对大惯量旋转机构负载采用变频调速电动机的转速控制方法，能够保留变频调速的优点，在操控性方面吸取了绕线式电动机调速方式的优点，使司机对旋转机构的控制灵活度更大、提高旋转机构的响应速度、提高操作效率。

附图说明

图1是本发明实施例的***控制原理图，

图2是本发明实施例的控制过程示意图。

图中：1-手柄档位指令模块，2-机械刹车信号模块，3-斜率幅值限制模块，4-电机速度/转矩指令生成逻辑模块，5-零速保持模块，6-速度控制PI调节器，7-转矩命令选择模块，8-变频器，9-电机，10-速度检测模块。

具体实施方式

本发明的一种旋转机构的转速控制方法，在从零速启动时，如果手柄参考指令大于当前速度且速度小于某个数值(例如10Hz)，就按照电机9能够输出的最大转矩(如200％转矩输出)进行输出，这即可采用转矩控制模式输出的形式，也可采用较短加速时间(如1s加速时间)的速度控制模式的形式；如果手柄参考指令大于当前速度且速度大于某个数值(例如10Hz)，就按照正常的加速时间(4～6s加速时间)进行加速；如果手柄参考指令为0，且速度大于0时，可以采用零转矩输出的模式，或者采用较长减速时间(如300s)的速度控制模式；在司机踩下机械刹车进行制动时，变频***获得机械刹车开关信号后立即进入零转矩输出模式，在司机机械刹车松开时刻，则从当前速度向手柄参考指令对应的速度按照加速时间来运行；当手柄参考指令方向与当前速度方向相反时，按照手柄参考指令的大小不同让电机9按照不同的减速时间进行制动，如手柄参考指令越大，减速时间越短；当手柄参考指令为0且当前速度为0时，电机9可按照设定好的零速保持时间进行零速控制。只有以上所有方法组合起来应用在门座式起重机上的旋转机构上，才构成本方面的完整技术方案，只具备其中部分项功能就无法达到本发明的控制效果。

本发明的具体方案包括：

一种旋转机构的转速控制方法，手柄档位指令模块1依据手柄的档位生成手柄速度指令ω_REF，斜率幅值限制模块3依据手柄速度指令ω_REF生成第一速度指令

速度检测模块10获取电机9实时速度反馈信号ω_FK，机械刹车信号模块2获取机械刹车指令Brk；

电机9速度/转矩指令生成模块依据接收的手柄速度指令ω_REF、第一速度指令

机械刹车指令Brk和速度反馈信号ω_FK，生成第二速度指令

和转矩指令T_SW；

第二速度指令

经零速保持模块5生成第三速度指令

第三速度指令

与速度反馈信号ω_FK的差值输入速度控制PI调节器6，生成第一转矩指令

转矩命令选择模块7依据转矩指令T_SW将第一转矩指令

零转矩或电机9最大转矩

作为第二转矩指令

输出；

第二转矩指令

经变频器8输出至电机9的控制信号输入端。

电机9速度/转矩指令生成模块依据接收的手柄速度指令ω_REF、第一速度指令

机械刹车指令Brk和速度反馈信号ω_FK，生成第二速度指令

和转矩指令T_SW的方法包括：

若Brk＝1，且

则转矩指令T_SW控制

若

且ω_FK＜V₁，则

加速时间＝AT1或

若

且ω_FK＞V₁，则

加速时间＝AT2；

若ω_REF＝0，

则

减速时间＝AT3或所述转矩指令T_SW控制所述

若

且ω_REF＝反向一档，

则

减速时间＝AT4；

若

且ω_REF＝反向二档，

则

减速时间＝AT5；

若

且ω_REF＝反向三档，

则

减速时间＝AT6；

AT1、AT2、AT3、AT4、AT5、AT6和V₁均为人工设定参数，且所述AT4＞AT5＞AT6。

第三速度指令

与第二速度指令

的值相同。

零速保持包括在第二速度指令

时，使第三速度指令

在零速度下保持预设时长，预设时长为经验参数，通常按照吊装所需要的时间人工确定。

而在第二速度指令

不等于0时，第三速度指令

为瞬时的速度指令。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，包括手柄档位指令模块1，该模块根据手柄所处档位不同生成离散、方波类的速度指令ω_REF，例如:手柄处于零位档，ω_REF＝0Hz,手柄处于正向一档，ω_REF＝10Hz,手柄处于正向二档，ω_REF＝25Hz,手柄处于正向三档，ω_REF＝50Hz,手柄处于反向一档，ω_REF＝-10Hz,手柄处于反向二档，ω_REF＝-25Hz,手柄处于反向三档，ω_REF＝-50Hz,以上各档位对应的速度指令可根据要求改变。机械刹车指令Brk，当机械刹车被司机踩下时该指令为有效，当司机未踩下机械刹车时该指令无效。斜率幅值限制模块3，该模块接受方波类的速度指令ω_REF并根据加速时间的设置生成斜坡类型的速度指令

电机速度/转矩指令生成模块4，该模块接收1的速度指令ω_REF、2的机械刹车指令Brk、3的速度指令

与10的反馈速度信号ω_FK,经过逻辑处理后生成速度指令

与控制转矩命令选择模块7的指令T_SW,4的指令生成逻辑如下式所示：

上式中，加速时间和减速时间表示从0加速到最高档位速度所用时间和从最高档位速度减速到0所用时间，sgn(x)表示符号函数，当x大于0时sgn(x)＝1，当x小于0时sgn(x)＝-1。AT4>AT5>AT6，在常见的门座式起重机旋转***中，上式的一些参数值推荐如下：AT1＝1s，AT2＝6s，AT3＝300s，AT4>AT5>AT6，AT4＝4s，AT5＝3s，AT6＝2s，V₁＝15Hz。

零速保持模块5，当速度指令

时，经过5后会根据零速保持时间生成速度指令

使变频器8继续处于速度控制模式，零速保持时间通常按照吊装所需时间来确定。速度指令

与电机9转速反馈速度信号ω_FK的差值经过速度控制PI调节器6调节后生成速度控制转矩指令

该转矩指令输入到转矩命令选择模块7，该模块受T_SW控制输出转矩指令

该转矩指令经过变频器8后生成频率和幅值变化的电压来控制驱动电机9，速度检测模块10检测驱动电机9的实际转速并生成反馈速度信号ω_FK。

图2是解释与本发明相关的各种工作状态的示意图，但并不表示司机的每次操作都会完全按照图2所示的过程来进行。

在0～t1区间，此时司机的手柄指令ω_REF与斜坡速度指令

方向是相同的，

还未达到ω_REF，而且电机9的实际速度ω_FK是小于V₁的，通常司机在此速度区间需要电机9响应速度快，方便低速跟钩(跟钩所指的工况是由于门机旋转***的悬臂下面会通过钢丝绳悬挂货物，货物在运行过程中会产生摇摆，司机会通过跟钩操作来抑制重物摇摆)。因此此区间的加速时间(AT1)需要设置的较短或者采取转矩控制模式，直接让电机9输出允许的最大转矩

两种方法中，如果采用较短的加速时间，当存在逆风且风阻力很大时，容易让速度控制器饱和并无法让实际转速ω_FK较好跟踪给定转速的情况，有可能会报速度偏差故障，但正常情况下司机的速度可控性感觉稍好；如果采用直接让电机9输出允许的最大转矩方式，当存在顺风情况时，容易让司机感觉加速过快，但不存在报速度偏差的问题，因此可根据司机的感受来选择，无论是那种方法，都能提供给司机类似绕线电机9低速响应迅速的特性。

在t1～t2区间，此时司机的手柄指令ω_REF与斜坡速度指令

方向是相同的，

还未达到ω_REF，而且电机9的实际速度ω_FK是大于V₁的，此时处于正常的加速过程，

的加速时间为AT2。

在t2～t3区间，此时司机的手柄指令ω_REF与斜坡速度指令

方向是相同的，

已达到ω_REF，此时电机9达到给定速度并以给定速度运行。

在t3～t4区间，此时司机的手柄指令ω_REF为0，这表明司机的意图是准备停车观察吊装情况。如果按照传统的变频器8控制方式，此时就应该按照某个减速时间(如6s)来停车，这样的操作方式是不符合司机的意图的。此时本发明的一种控制方式是

的减速时间按照一个较长的时间来进行，司机会感觉旋转机构减速不明显，是在滑行；另一种控制方式是让

等于0，门机旋转机构由于惯性较大，也是处于滑行状态。第一种控制方式的优点是在滑行阶段由于仍处于速度控制模式，旋转机构的转速特性仍是硬的，也就是不受风力的影响，第二种控制方式的优点是更接近绕线电机9切电阻的方式中当司机手柄回零后电机9实际上是没有驱动力的特性。以上两种控制方式可根据司机的感受来选择，无论是那种方法，都能提供给司机类似绕线电机9手柄回零后旋转机构滑行的特性，即司机在下一步操作之前旋转机构速度不发生较大的变化。需要说明的是，如果司机的手柄指令不是为0，而是降档，如从三档降到二档或一档，这表明司机的意图是减速，此时

的减速时间就应该是常规的减速时间(如6s)，因为这属于常规变频器8的常规功能，因此在图2中没有对这种操作进行说明。

t4～t5区间表示的是司机踩下了机械刹车，此时无论手柄的信号在几档，变频器8都应控制转矩输出

等于0，否则处于速度控制模式下的变频器8会将机械刹车认为是外部负载增大，从而增大输出转矩。这样既不利于刹车的效果，也会严重磨损刹车片。在转矩输出

等于0的同时时刻进行

的操作，这样就在机械刹车消除的瞬间让

从当前转速开始向给定速度指令ω_REF运行，如t5～t6区间表示的那样。

t6～t7、t7～t8、t8～t9区间表示的是司机的手柄指令ω_REF与斜坡速度指令

方向是相反的，即常说的“打反档”操作，此时变频器8会按照反向档位的不同来按照不同的减速时间减速，这些减速时间比正常减档的减速时间要短。这是模拟传统绕线电机9切电阻调速时司机为了更快制动会打反车的工况，传统绕线电机9切电阻调速时在司机打反档时电机9进入倒拉反转状态，其定子的相序反向，虽然由于转子串入电阻有一定的限流效果，但仍有较大电流和转矩冲击，而采用变频器8在打反档时提供更短的减速时间同样可以达到快速停车的效果，其限流和限制转矩冲击的效果则要好很多。需要说明的是，此功能需要匹配更大的制动单元来消耗快速制动产生的能量，另外，在配备了整流回馈***的起重机上则无需担心制动能量的问题。

在t9～t10区间，当手柄指令ω_REF与斜坡速度指令

都为0时，进入零速保持阶段，此时电机9是处于给定速度为0的速度控制模式下，即使存在风力的影响，旋转机构也不会转动，这非常有利于司机将精力完全集中于吊装上。而在传统绕线电机9切电阻的控制方式下，此时电机9是不工作的，也就是说如果存在风力导致旋转机构旋转，司机需要不停调整旋转机构来保持定位。

门座式起重机在低速就位操作时，司机需要不断重复点动手柄、手柄回零、踩刹车、打反档等一系列动作，就位后需要旋转机构保持静止，因此，只有本发明的各种功能有效组合才能满足低速就位的工况。

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 (4)

1.一种旋转机构的转速控制方法，其特征在于：手柄档位指令模块(1)依据手柄的档位生成手柄速度指令ω_REF，斜率幅值限制模块(3)依据所述手柄速度指令ω_REF生成第一速度指令

速度检测模块(10)获取电机(9)实时速度反馈信号ω_FK，机械刹车信号模块(2)获取机械刹车指令Brk；

所述电机(9)速度/转矩指令生成模块(4)依据接收的所述手柄速度指令ω_REF、所述第一速度指令

所述机械刹车指令Brk和所述速度反馈信号ω_FK，生成第二速度指令

和转矩指令T_SW；

所述第二速度指令

经零速保持模块(5)生成第三速度指令

所述第三速度指令

与所述速度反馈信号ω_FK的差值输入速度控制PI调节器(6)，生成第一转矩指令

转矩命令选择模块(7)依据所述转矩指令T_SW将所述第一转矩指令

零转矩或电机(9)最大转矩

作为第二转矩指令

输出；

所述第二转矩指令

经变频器(8)输出至所述电机(9)的控制信号输入端；

所述电机(9)速度/转矩指令生成模块(4)依据接收的所述手柄速度指令ω_REF、所述第一速度指令

所述机械刹车指令Brk和所述速度反馈信号ω_FK，生成第二速度指令

和转矩指令T_SW的方法包括：

若Brk＝1，且

则所述转矩指令T_SW控制所述

若

且ω_FK＜V₁，则

加速时间＝AT1或

若

且ω_FK＞V₁，则

加速时间＝AT2；

若ω_REF＝0，

则

减速时间＝AT3或所述转矩指令T_SW控制所述

若

且ω_REF＝反向一档，

则

减速时间＝AT4；

若

且ω_REF＝反向二档，

则

减速时间＝AT5；

若

且ω_REF＝反向三档，

则

减速时间＝AT6；

所述AT1、AT2、AT3、AT4、AT5、AT6和所述V₁均为人工设定参数，且所述AT4＞AT5＞AT6。

2.根据权利要求1所述的一种旋转机构的转速控制方法，其特征在于：所述第三速度指令

与所述第二速度指令

的值相同。

3.根据权利要求1或2所述的一种旋转机构的转速控制方法，其特征在于：所述零速保持包括在所述第二速度指令

时，使所述第三速度指令

保持预设时长。

4.根据权利要求3所述的一种旋转机构的转速控制方法，其特征在于：所述预设时长为经验参数。

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