CN109019346B - 一种嵌入式智能化起重机变幅调速方法及操纵手柄 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种嵌入式智能化起重机变幅调速方法及操纵手柄，将用变幅操纵手柄控制变频变幅电机转速的过程与变幅机构的实时变幅幅度相关联，同时将根据实时状态对手柄输入信号进行补偿的计算单元从起重机的控制***中独立出来，封装到一个嵌入式模块之中并在结构上把该模块与操纵手柄做成一体。嵌入式模块获取操纵手柄的初始输入信号和接收变频变幅电机转角信息后计算得出具体的补偿后的控制变频变幅电机转速信号，并将该控制信号传输给PLC，PLC控制变频变幅电机的转速。克服了起重机变幅***“所得非所设”的缺陷，能够保证起重机在变幅过程中直接按照司机所设定的变幅速度运行，并降低了对司机操纵技术的要求和极大地减轻了司机的劳动强度。

Description

一种嵌入式智能化起重机变幅调速方法及操纵手柄
技术领域
本发明属于起重机控制技术领域，具体地指一种嵌入式智能化起重机变幅调速方法及操纵手柄。
技术背景
普通的起重机变幅调速控制***是一种全开环的控制***。其操纵手柄，无论是有级的还是无级的，输出的控制信号直接控制的是变频变幅电机的转速。但是由于在变幅过程中，电机转速与变幅速度并非是一个恒定的线性的比例关系，变幅机构相当于是一个变传动比的变速器，传动比会随着幅度的改变而改变。因此，司机通过这样的操纵手柄操纵这样的变幅***时，若想保证变幅过程平稳安全高效，就必须随时观察当前的幅度，并根据变幅机构的非线性传动比随幅度的变化规律，适当地调节操纵手柄，改变电机转速，以获得理想的变幅速度。这对司机的操纵技术要求极高，劳动强度很大，一般司机宁可选择忍受较差的变幅性能。
现有起重机变幅机构的调速控制为一个完全开环的***，如图2所示。该模式下，由于变幅机构等同于一个非线性变速器，司机虽然可以控制变幅电机转速不变，但是变幅速度却在随着变幅幅度的变化而改变，不能满足匀速变幅的要求。
图3所示的采用常规手柄的智能化半闭环调速控制***，其基于实时变幅状态的最优化变幅速度控制模型是一个近似的动态逆模型，该模型是根据特定机型给定参数进行数值计算，在θ的许可范围内均匀分点取样，取样数尽可能多，然后按表格形式存入PLC存储器中。司机操纵手柄设定变幅速度之后，PLC控制器根据旋转编码器反馈的θ值结合司机所设定的变幅速度Vh0查PLC中存储的表格计算出这一时刻应当发出的期望的变幅电机的转速n0，PLC接受该信号控制变幅电机增大或者减小转速。该调速模式下只能实现近似的匀速变幅。
发明内容
本发明提供了一种嵌入式智能化起重机变幅调速方法及操纵手柄，解决了上述起重机变幅***“所得非所设”的缺陷，能够保证起重机在变幅过程中直接按照司机所设定的变幅速度运行，并降低了对司机操纵技术的要求和极大地减轻了司机的劳动强度。
为了实现上述目的，本发明所设计的嵌入式智能化起重机变幅调速方法，其特征在于：将用变幅操纵手柄控制变频变幅电机转速的过程与变幅机构的实时变幅幅度相关联，同时将根据实时状态对手柄输入信号进行补偿的计算单元从起重机的控制***中独立出来，封装到一个嵌入式模块之中并在结构上把该模块与操纵手柄做成一体。所述嵌入式模块获取操纵手柄的初始输入信号和接收变频变幅电机转角信息(相当于感应到了变幅机构的实时变幅幅度)后计算得出具体的期望的变频变幅电机转速信号，并将该控制信号传输给起重机的PLC控制***，所述PLC控制***控制变频变幅电机的转速。
进一步地，所述嵌入式模块的具体计算准则为：当手柄输出一恒定信号时以实现匀速变幅为优化目标。
本发明还设计了一种嵌入式智能化起重机变幅调速结构的操纵手柄，其特殊之处在于：包括操纵杆和嵌入式模块；
所述嵌入式模块通过电缆与起重机的变幅变频电机轴上的编码器、PLC控制***和操纵杆连接，获取操纵手柄的初始输入信号和接收变频变幅电机转角信息后计算得出具体期望的变频变幅电机转速信号，并将该控制信号传输给PLC控制***；
所述嵌入式模块上还设置有调试接口；
进一步地，所述嵌入式模块主要包括8位单片机、输入信号整形电路、电压电流检测电路和输出放大电路。
进一步地，所述操纵手柄即可以为无级调速式，也可以是主令控制器式。本发明的优点在于：
1)本发明一种嵌入式智能化起重机变幅调速方法，操纵手柄输出的指令信号，可以让变幅变频电机的转速随着变幅幅度的变化自动调节，以保证变幅机构输出的变幅速度严格地跟随设定值线性地变化，设定值恒定不变时，变幅速度也不会随幅度的变化而变化。采用此操纵手柄的起重机变幅***的操控性、稳定性和安全性均大大地提高。
2)本发明通过嵌入式的方式把基于实时变幅状态的最优化变幅速度控制模型对输入指令信号进行补偿的控制逻辑封装到操纵手柄中，而原有的控制***几乎可以保持不变，这种模块化的***结构设计方案具有易于实现、易于调试、易于安装、易于推广、易于更新等优点。
3)根据实时变幅状态进行最优化变幅速度控制的变幅调速***中，通常的实现方式是把最优化控制模型写入到PLC程序中，保持手柄的结构和功能不变，对手柄输入信号进行补偿在PLC中完成，受PLC的功能限制，该逆模型要进行近似处理，由此引起一定的误差，而此种***的控制性能对建模精度极为敏感，所以采用本发明的调速***，其控制性能可以更优，因为本发明将最优化模型封装在实时计算能力比PLC要强大得多嵌入式模块之中，不需要进行会引起较大误差的近似建模处理。
4)本发明不仅可以用于未来新产品上，对于老产品只需将操纵手柄进行替换即可，而不需要对原***进行彻底更新、改造和程序重写，因而具有极大的实用性。
5)基于实时变幅状态的最优化变幅速度控制模型是一个较为复杂的非线性数学模型，需要进行浮点运算，而PLC侧重于逻辑运算，浮点运算能力很低，该模型需要特殊处理才能在PLC中编程。本发明将这一任务从PLC控制程序中分解出来由成本较低的嵌入式模块承担，充分发挥PLC和嵌入式***各自的优势，也有利于将来最优化变幅速度控制模型进一步升级以具备电子防摇的能力。
附图说明
图1为一种嵌入式智能化起重机变幅调速操纵手柄的***连接示意图。
图2为普通起重机变幅机构开环变幅调速控制***图。
图3为采用常规操纵手柄的智能化半闭环变幅调速控制***。
图4为采用嵌入式智能化变幅调速操纵手柄的起重机变幅调速控制***。
图5为采用嵌入式智能化起重机变幅调速操纵手柄的调速***工作原理图。
图中：操纵杆1-1、调试接口1-2、嵌入式模块1-3、电源接口1-4。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：
本发明所设计的嵌入式智能化起重机变幅调速方法，将用变幅操纵手柄控制变频变幅电机转速的过程与变幅机构的实时变幅幅度相关联，同时将根据实时状态对手柄输入信号进行补偿的计算单元从起重机的控制***中独立出来，封装到一个嵌入式模块中，并将该模块与操纵手柄形成一体结构；所述嵌入式模块获取操纵手柄的初始输入信号和接收变频变幅电机转角信息后计算得出具体的补偿后的控制变频变幅电机转速信号，并将该控制信号传输给起重机***的PLC控制***，所述PLC控制***控制变频变幅电机的转速。
如图1所示的一种嵌入式智能化起重机变幅调速操纵手柄，包括：操纵杆1-1、调试接口1-2、嵌入式模块1-3、电源接口1-4和电缆。操纵杆1-1通过连接电缆与所述的嵌入式模块1-3的输入端相连并输入期望的变幅速度信号，所述的嵌入式模块1-3通过电缆与起重机的PLC控制***及安装在变幅变频电机轴上的旋转编码器相连。
所述的嵌入式模块1-3是调速操纵手柄的核心控制部分，主要包括8位单片机、输入信号整形电路、电压电流检测电路和输出放大电路等；并在单片机中写入了按照基于实时变幅状态的最优化变幅速度控制模型编写的嵌入式运行程序。
其中，基于实时变幅状态的最优化变幅速度控制模型可以采用任意方式建立，其形式是：
n0＝f(Vh0，θ)
式中，n0为期望的电机转速，Vh0为期望的变幅速度值，θ为电机的绝对转角。反映的是如何根据变幅操纵手柄的原始输入信号所对应的期望的变幅速度值Vh0和电机绝对转角θ求出期望的电机转速n0。变频变幅电机的绝对转角θ是通过安装在变频变幅电机轴上的旋转编码器实时监测得到并将此信号反馈给嵌入式模块。
嵌入式运行程序通过实时监测到的电机绝对转角和期望的变幅速度求得期望的变频变幅电机转速，并将求得的期望的转速信号传递给PLC控制***。此过程中只要期望的变幅速度没有发生改变，起重机的象鼻梁端点就以该速度匀速运行。这个期望的变幅速度完全由变幅调速手柄所处的位置或者选择的挡位决定。
所述调试接口1-2在***开发、调试或维护时与技术人员携带的电脑相连接。
所述电源接口1-4与稳压电源相连接。
所述旋转编码器通过连接电缆与嵌入式模块1-3的输入端连接，将实时测得的绝对转角信号传输给嵌入式模块1-3。
所述PLC控制***与嵌入式模块1-3的输出端相连接，嵌入式模块1-3将经嵌入式运行程序计算求得的期望的转速信号传输给PLC控制***，PLC控制***接收到此信号之后控制变频变幅电机增大或者减小转速。
本发明中操纵手柄既可以为无级调速式，也可以是主令控制器式。当操纵手柄为无级调速式时，变幅速度完全由操纵手柄所处的位置决定；当操纵手柄为主令控制器式，变幅速度完全由操纵手柄所选择的挡位决定。当司机保持操纵手柄所处的位置不变或选择的档位保持不变时，起重机在变幅过程中维持匀速变幅。
采用了本发明提供的嵌入式智能化变幅调速操纵手柄的起重机能够非常自如地达到匀速变幅的目的，如图4所示。该控制模式下起重机变幅机构调速操纵手柄中封装的写入了精确动态逆模型的嵌入式运行模块根据司机所设定的变幅速度Vh0和安装在变幅电机轴上的旋转编码器反馈的绝对转角θ计算出实时的期望的变幅电机转速值n0，这个传输给PLC控制器的n0值会随着变幅幅度的变化而改变，只要输入的期望速度不发生改变，最终输出的变幅速度将会是一个恒定的值。
如图5所示，本发明嵌入式智能化起重机变幅调速操纵手柄具体工作原理如下：
1)：司机根据生产需求在调速操纵手柄上设定某一期望的起重机变幅速度；
2)：本发明所提供的调速操纵手柄的嵌入式模块读取步骤1中的变幅速度和旋转编码器所测得的电机实时转角；
3)：嵌入式模块中写入的根据精确动态逆模型开发的嵌入式运行程序利用步骤2中的两项数据求解出与当前绝对转角相对应的期望的电机转速；
4)：将步骤3所求得的期望的电机转速信号传递给起重机变幅机构的PLC控制***。PLC控制***接收到此信号之后控制变频变幅电机增大或者减小转速。
整个过程中只要手柄的位置或选择的挡位不变，则变幅速度不会发生改变。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明专利的范围，凡是利用本发明说明书及附图说明所作的等效结构，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护的范围内。

Claims (5)

1.一种嵌入式智能化起重机变幅调速方法，其特征在于：
将用变幅操纵手柄控制变频变幅电机转速的过程与变幅机构的实时变幅幅度相关联，同时将根据实时状态对手柄输入信号进行补偿的计算单元从起重机的控制***中独立出来，封装到一个嵌入式模块中，并将该模块与操纵手柄形成一体结构；所述嵌入式模块获取操纵手柄的初始输入信号和接收变频变幅电机转角信息后计算得出具体的补偿后的控制变频变幅电机转速信号，并将该控制变频变幅电机转速信号传输给起重机的PLC控制***，所述PLC控制***控制变频变幅电机的转速。
2.根据权利要求1所述的嵌入式智能化起重机变幅调速方法，其特征在于：所述嵌入式模块的具体计算准则为：当操作手柄输出一恒定信号时以实现匀速变幅为优化目标。
3.一种使用如权利要求1所述的嵌入式智能化起重机变幅调速方法的操纵手柄，其特征在于：包括操纵杆和嵌入式模块；
所述嵌入式模块通过电缆与起重机的变幅变频电机轴上的编码器、PLC控制***和操纵杆连接，获取操纵杆工作时产生的初始输入信号和接收变频变幅电机转角信息后计算得出具体的补偿后的控制变频变幅电机转速信号，并将该控制变频变幅电机转速信号传输给PLC控制***；
所述嵌入式模块上还设置有调试接口。
4.根据权利要求3所述的操纵手柄，其特征在于：所述嵌入式模块主要包括8位单片机、输入信号整形电路、电压电流检测电路和输出放大电路。
5.根据权利要求3所述的操纵手柄，其特征在于：操纵手柄为无级调速式或者主令控制器式。
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