CN101717043A - 一种桥式吊车大车运行高精度同步控制系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种桥式吊车大车运行高精度同步控制系统及控制方法，大车左右轮架在轨道上，大车左右轮驱动机构分别由大车左右轮电机驱动器和大车左右轮电机组成，采用齿条、齿轮装置及带旋转编码器反馈的速度闭环控制于一体，由大车左轮速度给定单元、大车左轮电机驱动器、大车左轮电机、大车左轮电机驱动器自带的旋转编码器、大车左轮和大车左轮位置绝对值编码器作为反馈，与大车位置给定单元、大车右轮电机驱动器、大车右轮电机、大车右轮电机驱动器自带的旋转编码器、大车右轮、大车右轮位置绝对值编码器以及反馈单元共同组成闭环控制电路，实现大车左右轮高精度同步控制，避免吊车大车车轮啃轨、减少车轮和钢轨磨损，提高安全性和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种集高分辨率长距离位置检测技术、高实时性同步控制算法、速度闭环控制技术于一体的大车运行同步控制系统及其控制方法。
背景技术
对于所有的桥式吊车，由于大车左右轮径和转速的差异，会引起大车运行时左右二侧位置出现偏差，导致车轮与钢轨发生侧面摩擦，出现车轮啃轨现象，引起车轮和钢轨严重磨损，目前，一般采用安装水平导向轮减轻车轮啃轨，但其缺陷是：会使桥架经常性地承受扭力，当设备为大跨度、大载荷、或大柔性系统时，极易发生振荡等失稳现象。
发明内容
本发明的目的是为克服现有技术中吊车大车车轮啃轨、车轮和钢轨易磨损的缺陷而提供一种在大跨度、大载荷或大柔性系统和可靠性要求较高情况下的桥式吊车大车运行高精度同步控制系统和控制方法，可使大车左右轮高精度同步运行和精确定位，减少车轮和钢轨磨损，提高吊车设备安全性和可靠性。
本发明控制系统采用的技术方案是：大车的左轮和右轮架在轨道上，大车左轮驱动机构由大车左轮电机驱动器和大车左轮电机组成，大车右轮驱动机构由大车右轮电机驱动器和大车右轮电机组成，轨道旁设置齿条，大车的两个端梁侧面安装与齿条啮合的齿轮装置；数字控制器I和数字控制器II相接，数字控制器II分别与大车左轮电机驱动器、大车右轮电机驱动器和远程通信模块相接；大车左轮位置绝对值编码器和大车右轮位置绝对值编码器分别同轴设置于齿轮装置上且连接远程通信模块；由大车左轮速度给定单元、大车左轮电机驱动器、大车左轮电机、大车左轮电机驱动器自带的旋转编码器、大车左轮和大车左轮位置绝对值编码器作为反馈，与大车位置给定单元、大车右轮电机驱动器、大车右轮电机、大车右轮电机驱动器自带的旋转编码器、大车右轮、大车右轮位置绝对值编码器以及反馈单元共同组成闭环控制电路。
本发明控制方法采用的技术方案是具有如下步骤：数字控制器II将大车位置给定值发送给大车位置给定单元；大车左轮速度给定单元将速度信号发送给大车左轮电机驱动器，驱动大车左轮电机，大车左轮电机驱动器自带的旋转编码器测量大车左轮电机的速度作为反馈，实现左轮速度闭环控制，大车左轮位置绝对值编码器测量左轮实际位置值，大车左轮速度给定单元根据左轮位置的给定值，以及给定值与左轮实际位置值的差值给出大车左轮行走给定速度；大车右轮电机驱动器根据右轮行走给定速度驱动大车右轮电机，大车右轮电机驱动器自带的旋转编码器测量大车右轮电机速度作为反馈，实现右轮速度闭环控制，大车右轮位置绝对值编码器测量右轮实际位置值；大车左轮速度给定单元以梯形方式运行：在每次定位过程的开始阶段，左轮的实际位置yP1小于某一位置时，以一定的加速度加速行走；在每次定位过程的中间阶段，左轮的实际位置yP1在某一位置范围内时，以一定的速度匀速行走；在每次定位过程的结束阶段，当左轮位置给定值与实际位置值的差值eP1小于某一值时，以一定的加速度减速行走至目标位置处；以大车左轮的行走给定速度作为参考值，将大车左右轮的位置偏差eyp＝yp1-yp2通过反馈单元叠加到大车右轮的速度给定，调节大车右轮的速度以实现大车左、右轮的同步行走。
本发明的有益效果是：
1、采用齿条、齿轮装置及带绝对值旋转编码器反馈的速度闭环控制技术于一体，实时算法计算和补偿大车左右轮位置偏差、左右轮带编码器反馈的速度闭环控制方法实现大车左右轮高精度同步运行功能。
2、通过高分辨率、长行程的绝对值编码器作为直接测量系统，通过快速高可靠性的Profibus总线通信，通过高精度高实时性同步控制算法计算大车左右轮位置偏差和速度偏移量，通过带旋转编码器反馈的速度闭环控制技术来分别控制大车左、右轮行走速度，大车左右轮同步误差控制在±2mm范围之内，实现了对桥式吊车的高精度大车左右轮同步控制。
3、该同步控制系统采用模块化设计，集成度高、可靠性高、使用方便，同时降低了系统开发的周期和复杂性，可以实现吊车高精度同步运行和精确定位、避免吊车大车车轮啃轨、减少车轮和钢轨磨损，提高吊车设备安全性和可靠性。为实现吊车高精度定位、避免吊车大车车轮啃轨、提高吊车设备安全性和可靠性提供了保障。
4、适用于所有桥式吊车，特别适用于大跨度、大载荷、大柔性系统的情况下，例如核电站核废料搬运吊车，要在大跨度(20多米)、长距离(100多米)、大载荷(10多吨)条件下运行，或冶金、船舶等重型设备加工制造等场合。
附图说明
图1为本发明的设备布置示意图；
图2为本发明的结构连接图；
图3为本发明的原理框图。
图中：1.轨道；2.齿条；3.大车；4.大车左轮驱动机构；5.大车右轮驱动机构；6.大车左轮；7.大车右轮；9.齿轮装置；10.数字控制器I；11.数字控制器II；12.RS-485中继器；13.大车左轮电机驱动器；14.大车右轮电机驱动器；15.远程通信模块；16.大车左轮电机；17.大车右轮电机；18.大车左轮电机驱动器自带的旋转编码器；19.大车右轮电机驱动器自带的旋转编码器；20.大车左轮位置绝对值编码器；21.大车右轮位置绝对值编码器；30.大车位置给定单元；31.大车左轮速度给定单元；35.反馈单元。
具体实施方式
本发明同步控制系统设备布置如图1所示，主要包括轨道1、齿条2、大车3、大车左轮驱动机构4、大车右轮驱动机构5、大车左轮6、大车右轮7和齿轮装置9，大车3的左轮6和右轮7架在轨道1上，在它们各自的轨道1旁安装有齿条2，在大车3的两个端梁侧面安装有齿轮装置9，齿轮装置9与齿条2相互啮合，通过控制大车左轮驱动机构4和大车右轮驱动机构5，使大车左轮6和大车右轮7同步行走，保证了大车3跟轨道1的垂直度。
本发明桥式吊车大车运行高精度同步控制系统的结构框图如图2所示，主要包括数字控制器I 10、数字控制器II 11、RS-485中继器12、大车左轮电机驱动器13、大车右轮电机驱动器14、远程通信模块15、大车左轮电机16、大车右轮电机17、大车左轮电机驱动器自带的旋转编码器18、大车右轮电机驱动器自带的旋转编码器19、大车左轮位置绝对值编码器20和大车右轮位置绝对值编码器21。数字控制器I 10和数字控制器II 11相连接，数字控制器II 11连接RS-485中继器12，数字控制器I 10和数字控制器II 11两者放置于控制室的控制台内，两者通过MPI实现通讯。MPI是多点接口(Multi Point Interface)的简称，MPI通讯是当通信速率要求不高、通信数据量不大时采用的一种简单经济的通讯方式，MPI网络的通信速率为19.2Kbps～12Mbps，最多可以连接32个节点，最大通讯距离为50m，由于通讯距离较长，通过RS-485中继器12来扩展通讯距离，可以有效保证Profibus DP的通讯质量。
大车左轮驱动机构4由大车左轮电机驱动器13和大车左轮电机16连接组成；大车右轮驱动机构5由大车右轮电机驱动器14和大车右轮电机17连接组成。大车左轮位置绝对值编码器20和大车右轮位置绝对值编码器21的输入分别连接远程通信模块15。大车左轮电机16的输出通过大车左轮电机驱动器自带的旋转编码器18连接大车左轮电机驱动器13。大车右轮电机17的输出通过大车左轮电机驱动器自带的旋转编码器18连接大车右轮电机驱动器14，RS-485中继器12分别连接大车左轮电机驱动器13、大车右轮电机驱动器14和远程通信模块15。
数字控制器II 11接收来自数字控制器I 10的控制指令，完成相应的操作，同时将吊车的实时状态数据发送给数字控制器I 10，数字控制器I 10将相关数据存储并显示在屏幕上。数字控制器II 11与大车左轮电机驱动器13、大车右轮电机驱动器14和远程通信模块15之间通过Profibus DP实现通讯，可以满足在恶劣工况下保持良好通讯的要求。采用自带旋转编码器反馈的电机驱动器13、14来分别变频驱动吊车大车的左、右轮电机16、17，控制方式为带编码器反馈的速度闭环磁场矢量控制方式。大车左轮位置绝对值编码器20和大车右轮位置绝对值编码器21分别同轴安装在齿轮装置9上，大车3运动时，带动齿轮装置9在相应的齿条2上滚动，分别用于测量大车左、右轮的实际位置。如果当大车3与导轨1垂直时，大车两端的实际位置值相等；当大车3与导轨1不垂直时，大车两端的实际位置值出现偏差，此时数字控制器II 11将按一定算法修正速度指令，并下发给控制非导向轨侧大车电机的逆变器，而另一大车电机速度指令保持不变，从而实现大车垂直度的调整，从而控制大车左右轮6、7的同步行走。实际位置值偏差超过±2mm时，数字控制器II 11触发报警，并将相关信息显示在数字控制器I 10上。
如3所示，本发明控制部分还包括大车位置给定单元30、大车左轮速度给定单元31和反馈单元35。由大车左轮速度给定单元31、大车左轮电机驱动器13、大车左轮电机16、大车左轮电机驱动器自带的旋转编码器18、大车左轮6和大车左轮位置绝对值编码器20作为反馈，与大车位置给定单元30、大车右轮电机驱动器14、大车右轮电机17、大车右轮电机驱动器自带的旋转编码器19、大车右轮7、大车右轮位置绝对值编码器21以及反馈单元35共同组成闭环控制电路。数字控制器II 11通过Profibus DP总线将大车需到达的位置值RP发给大车位置给定单元30，大车左轮速度给定单元31根据速度给定策略将速度信号发给大车左轮电机驱动器13，用以驱动大车左轮电机16，通过大车左轮电机驱动器自带的旋转编码器18测量大车左轮电机速度作为反馈，实现左轮速度闭环控制，大车左轮位置绝对值编码器20用于测量大车左轮6的位置值yP1，大车左轮速度给定单元31根据大车左轮6位置的给定值RP，以及RP与大车左轮实际位置值yP1的差值eP1给出大车左轮行走速度；大车右轮电机驱动器14根据大车右轮行走给定速度，驱动大车右轮电机17，通过大车右轮电机驱动器自带的旋转编码器19测量大车右轮电机速度作为反馈，实现右轮速度闭环控制，大车右轮位置绝对值编码器21用于测量大车右轮7的位置值yP2。大车左轮速度给定单元31的策略是梯形方式运行：即当左轮的实际位置yP1小于某一位置时，以一定的加速度加速行走；当左轮的实际位置yP1在某一位置范围内时，以一定的速度匀速行走；当左轮位置给定值与实际位置值的差值eP1小于某一值时，以一定的加速度减速行走至目标位置处。由于在运行过程中大车左、右轮6、7是分别单独闭环控制的，由于左、右轮传动系统不可能完全一样，因此大车左、右轮6、7在运行过程中很难保持同步，所以本发明采用的同步控制器以大车左轮6的实时位置作为参考位置，将大车左、右轮6、7的位置偏差eyp＝yp1-yp2通过反馈单元35叠加到大车右轮7的速度给定上来，实施方式为大车右轮7以大车左轮6行走给定速度为参考值，将大车左、右轮6、7的位置偏差eyp＝yp1-yp2通过PI环节计算出速度偏移量后叠加到大车右轮7速度给定上，用以调节大车右轮7的速度，通过合理的设置PI环节的比例kp、积分ki参数及其它相关参数的值，可使大车左轮6和大车右轮7在运行过程中始终保持同步。
本发明采用的带SSI接口(同步串行接口)的大车左、右轮位置绝对值编码器20、21是同轴安装在大车端梁侧面齿轮装置9上的。绝对是相对于增量而言的，即编码器的输出信号在多周运转的过程中，其每一位置和角度所对应的输出编码值都是唯一对应的，绝对编码器由机械位置决定的每个位置是唯一的，它无需记忆，无需找参考点，而且不用一直计数，什么时候需要知道位置，什么时候就去读取它的位置。这样，编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大提高了。多圈编码器另一个优点是由于测量范围大，实际使用往往富裕较多，这样在安装时不必费劲找零点，将某一中间位置作为起始点就可以了，大大简化了安装调试难度。SSI同步串行多圈格雷码输出，SSI同步时钟频率决定数据传输速率，其范围较宽，为0.1～2MHz，可以根据传输距离远近选择相应的传输速率。最快可设时钟频率200KHz，高速度、高精度控制，串行输出连接线少，传输距离远，对于编码器的保护和可靠性就大大提高了。本发明采用的绝对值编码器的圈数为4096，每圈的线数为4096，齿轮的轮径为160mm，因此最小分辨率为0.12272mm，可测量的最大行程为2058m。
本发明可将大车左、右轮6、7的同步行走偏差控制在±2mm之内。大车电机额定转距Tn＝27N·m×2(两台电机)，限制转距Tlim＝Tn×120％，电机的惯量Jm＝0.011kg·m2×2，减速箱折算到转子的惯量Jr＝Jm×1.0，大车质量mb＝50000kg，轮径Rb＝0.28m，速比Kb＝315，大车折算到电机转子的惯量Jb＝mb×R2 b/K2 b＝0.0395kg·m2，折算到转子的总惯量Jtb＝Jm+Jr+Jb＝0.08351kg·m2，阻力转距Tf＝Tn×30％，加速转距Tab＝Tlim-Tf＝48.6N·m，最大电机角加速度：Aab＝Tab/Jtb＝48.6/0.08351＝582(弧度/s2)，最大大车加速度：Alb＝(Aab/315)×Rb＝0.517m/s2，数字控制器II 11的采样周期tsp＝50ms，大车位置的最大相对偏差：S_dr_b＝0.5×Alb×t2 sp＝0.65mm，最小的可控同步偏差S_dcyc＝2×0.65＝1.3mm。因此，本发明保证了大车左、右轮6、7的同步行走偏差控制在±2mm范围之内。
Claims (3)
1.一种桥式吊车大车运行高精度同步控制系统，大车(3)的左轮(6)和右轮(7)架在轨道(1)上，大车左轮驱动机构(4)由大车左轮电机驱动器(13)和大车左轮电机(16)组成，大车右轮驱动机构(5)由大车右轮电机驱动器(14)和大车右轮电机(17)组成，其特征是：轨道(1)旁设置齿条(2)，大车(3)的两个端梁侧面安装与齿条(2)啮合的齿轮装置(9)；数字控制器I(10)和数字控制器II(11)相接，数字控制器II(11)分别与大车左轮电机驱动器(13)、大车右轮电机驱动器(14)和远程通信模块(15)相接；大车左轮位置绝对值编码器(20)和大车右轮位置绝对值编码器(21)分别同轴设置于齿轮装置(9)上且连接远程通信模块(15)；由大车左轮速度给定单元(31)、大车左轮电机驱动器(13)、大车左轮电机(16)、大车左轮电机驱动器自带的旋转编码器(18)、大车左轮(6)和大车左轮位置绝对值编码器(20)作为反馈，与大车位置给定单元(30)、大车右轮电机驱动器(14)、大车右轮电机(17)、大车右轮电机驱动器自带的旋转编码器(19)、大车右轮(7)、大车右轮位置绝对值编码器(21)以及反馈单元(35)共同组成闭环控制电路。
2.根据权利要求1所述的一种桥式吊车大车运行高精度同步控制系统，其特征是：数字控制器II(11)串接RS-485中继器(12)，RS-485中继器(12)分别与大车左轮电机驱动器(13)、大车右轮电机驱动器(14)和远程通信模块(15)相接。
3.一种桥式吊车大车运行高精度同步控制方法，其特征是具有如下步骤：
1)数字控制器II(11)将大车位置给定值发送给大车位置给定单元(30)；
2)大车左轮速度给定单元(31)将速度信号发送给大车左轮电机驱动器(13)，驱动大车左轮电机(16)，大车左轮电机驱动器自带的旋转编码器(18)测量大车左轮电机(16)的速度作为反馈，实现左轮(6)速度闭环控制，大车左轮位置绝对值编码器(20)测量左轮(6)实际位置值，大车左轮速度给定单元(31)根据左轮(6)位置的给定值，以及给定值与左轮(6)实际位置值的差值给出大车左轮行走给定速度；
3)大车右轮电机驱动器(14)根据右轮(7)行走给定速度驱动大车右轮电机(17)，大车右轮电机驱动器自带的旋转编码器(19)测量大车右轮电机(17)速度作为反馈，实现右轮(7)速度闭环控制，大车右轮位置绝对值编码器(21)测量右轮(7)实际位置值；
4)大车左轮速度给定单元(31)以梯形方式运行：在每次定位过程的开始阶段，左轮的实际位置yP1小于某一位置时，以一定的加速度加速行走；在每次定位过程的中间阶段，左轮的实际位置yP1在某一位置范围内时，以一定的速度匀速行走；在每次定位过程的结束阶段，当左轮位置给定值与实际位置值的差值eP1小于某一值时，以一定的加速度减速行走至目标位置处；
5)以大车左轮(6)的行走给定速度作为参考值，将大车左右轮的位置偏差eyp＝yp1-yp2通过反馈单元(35)叠加到大车右轮(7)的速度给定，调节大车右轮(7)的速度以实现大车左右轮的同步行走。
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