CN102107820A

CN102107820A - 轮胎起重机回转控制系统

Info

Publication number: CN102107820A
Application number: CN 201110055022
Authority: CN
Inventors: 胡吉全; 唐静; 陈永兴
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2011-03-08
Filing date: 2011-03-08
Publication date: 2011-06-29

Abstract

本发明涉及一种轮胎起重机回转控制系统，该系统设有一个包括电源电路、控制信号采集电路、电机换向控制电路、启动时间设置电路、中央控制电路、光电耦合驱动电路、IPM驱动电机电路、异常信号反馈电路、报警电路和消除自感电势电路构成的控制电路，其中：所述控制信号采集电路、电机换向控制电路、启动时间设置电路、报警电路分别通过导线与中央控制电路连接；所述消除自感电势电路与IPM驱动电机电路连接；所述中央控制电路与IPM驱动电机电路通过光电耦合驱动电路、异常信号反馈电路相互连接。本发明实用性强，具有结构简单合理，体积小，成本较低，可以控制回转系统快速、平稳工作，安全性高，以及利于推广应用等优点。

Description

轮胎起重机回转控制系统

技术领域

本发明涉及轮胎臂架式起重机电机调速控制领域，特别是涉及一种轮胎起重机的回转控制系统。

背景技术

轮胎臂架式起重机是港口码头和各种建筑工程常见的装卸机械，可以长距离行驶，灵活转换作业场地，机动性好。其工作特点是循环、重复、间歇作业，频繁将数吨到几十吨的货物提升，经过运行机构、回转机构或变幅机构把货物搬移到目的位置。由于在超大负荷变化下，特别是港口码头的高时效性，要求轮胎起重机较短时间内就能完成启动和制动，这就要求起重机的回转机构能够快速、平稳地运行。当前起重机的回转控制领域多采用分档的串联不同电阻的降压技术或可控硅驱动的回转控制器，这些技术运行不平稳、可靠牲差、体积大、线性差、控制系统复杂，且不能准确而有效地控制起重机的回转力度和角度；虽然也应用变频控制技术，但效果并不十分理想，在轮胎起重机上运用效果都欠佳。因此一种结构简单、性能好、成本低且运行平稳的专用于轮胎起重机的回转控制系统是一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种轮胎起重机回转控制系统，以解决已有的回转控制器运行不平稳、体积大、线性差、控制系统复杂、成本高且效果不理想的问题。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的轮胎起重机回转控制系统，设有控制电路，该控制电路包括电源电路、控制信号采集电路、电机换向控制电路、启动时间设置电路、中央控制电路、光电耦合驱动电路、IPM驱动电机电路、异常信号反馈电路、报警电路和消除自感电势电路，其中：所述控制信号采集电路、电机换向控制电路、启动时间设置电路、报警电路分别通过导线与中央控制电路连接；所述消除自感电势电路与IPM驱动电机电路连接；所述中央控制电路与IPM驱动电机电路通过光电耦合驱动电路、异常信号反馈电路相互连接。

所述IPM驱动电机电路由两个IPM模块内四个IGBT管全桥连接，其中：工作时只导通对边的两个IGBT实现单边工作，另一对边的两个IGBT断开。

所述控制信号采集电路和电机换向控制电路把控制信息输入中央控制电路，并由中央控制电路内的微控制器编程输出PWM波，且PWM波的占空比可调，使轮胎起重机的回转机构实现软启动。

所述启动时间设置电路由一个电位器接至微控制器的A/D端口构成，其两端分别接5V电源和地，当调节电位器时，可设置启动时间。

所述中央控制电路是弱电控制部分，IPM驱动电机电路是强电驱动部分，两个部分通过IPM专用光电耦合模块电路实现光电耦合驱动，使强电、弱电隔离。

所述消除自感电势电路由快速二极管、泄放电阻和泄放电容构成，它们分别接在轮胎起重机的回转电机的两端。

所述异常信号反馈电路包括低速光耦模块，其将IPM驱动电机电路中的IPM模块检测到的异常信号送到中央控制电路中的微控制器作中断处理，若有异常立即关断整个控制电路。在关断整个控制电路的同时，可通过报警电路发出报警信号，并发出零速信号给轮胎起重机的PLC控制系统进行制动。

所述报警电路通过导线与中央控制电路中的微控制器相连。

本发明设有电源电路，该电源电路包括DC/DC模块，DC/DC模块把起重机蓄电池的24V电源转换为四组独立的电源：一组5V电源给中央控制电路及异常信号反馈电路；三组15V电源分别给IPM驱动电机电路中四个IGBT管和与之相连的异常信号反馈电路，其中两个接负驱动电源的IGBT与其异常信号反馈电路共用一组15V电源。

本发明与现有技术相比具有以下主要的优点：

1.结构简单：四个IGBT管全桥连接，提高了电机驱动电压，工作时只导通对边的两个IGBT实现单边工作，另一对边的两个IGBT断开，简化了控制电路，降低了对动力电源滤波的要求，使工作效率更高。

2.微控制器编程控制IPM模块，减少噪音，改善线性度，实现了回转电机真正的软启动。

3.IPM模块把IGBT和驱动电路集成在一起，内部还有过电压，过电流和过热等故障检测电路，并可将检测信号送到微控制器作中断处理，因此既省去了单独运用IGBT所需的驱动电路，使控制系统结构更简单，又增加了系统的安全稳定性，使控制系统更显智能化。

4.强弱电完全隔离，每个IGBT的控制电压也相互独立，减少了相互干扰和电源安全隐患。

5.可以控制轮胎起重机的回转系统快速、平稳工作。

微控制器通过采样外部控制手柄的电压值控制IPM模块的输出改变电动机线圈上的电流方向，实现电动机正反向控制，且可通过发光二极管显示工作状态，使控制精度更高、控制方式更灵活。

6.利于推广应用：通过对回转控制器实验可知：参见表1，软启动时间可通过微控制器根据实际工况任意调整，实用范围更广。电机软启动后，在起重机起重范围内，回转系统运行更加平稳，且回转速度提高，且无抖动现象，启动电流无跳变，安全性好。

总之，本发明实用性强，具有结构简单，体积小，成本较低，可以控制回转系统快速、平稳工作，安全性好，以及利于推广应用等优点。

附图说明

图1是本发明轮胎起重机回转控制系统的结构示意图。

图2为本发明的中央控制电路结构图。

图3为本发明的IPM驱动电机电路结构图。

图4为本发明的全桥连接的电机正转工作状态图。

图5为本发明的全桥连接的电机反转工作状态图。

图6为本发明的光电耦合驱动电路结构图。

图7为本发明的异常信号反馈电路结构图。

图8为本发明的电源电路结构图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明。

本发明提供的轮胎起重机回转控制系统（简称回转控制系统），采用智能功率模块IPM控制电机的启动、换向、停止及全速运行，运用微控制器编程输出PWM波控制IPM模块中IGBT管的导通与关闭实现回转电机的软启动。

本回转控制系统的结构如图1所示，包括电源电路、控制信号采集电路、电机换向控制电路、中央控制电路、光电耦合驱动电路、IPM驱动电机电路、启动时间设置电路、异常信号反馈电路、报警电路、消除自感电势电路。其中：所述控制信号采集电路、电机换向控制电路、启动时间设置电路、异常信号反馈电路、报警电路与中央控制电路连接。所述异常信号反馈电路、消除自感电势电路与IPM驱动电机电路连接；所述中央控制电路与IPM驱动电机电路通过光电耦合驱动电路相互连接。所述电源电路提供一组5V电源给中央控制电路及异常信号反馈电路，提供三组15V电源给IPM驱动电机电路和异常信号反馈电路。

所述控制信号采集电路和电机换向控制电路都通过操纵手柄把控制信息输入中央控制电路，由微控制器编程输出PWM波实现软启动回转机构。其中，根据手柄向前操作或向后操作输出一个换向控制信号，而手柄下有一个电位器，其两端分别接5V电源和地，通过手柄向前或向后操作的幅度大小来改变电阻分压得到一个电压信号，该电压信号送至微处理器A/D端口。

所述中央控制电路，其结构如图2所示。整个电路核心是一个微控制器，当控制信号采集电路采集到的电压信号输入微控制器后，经过微控制器自带的A/D转换器变成数字控制信号，控制微控制器编程输出PWM波形，PWM波的占空比由数字控制信号决定，PWM波输出经过一个反相器后，再经过两个分开的反相器分离成第一路驱动信号（驱动信号1、4）或第二路驱动信号（驱动信号2、3），两路驱动信号的输出与否则由换向控制信号决定，其信号输入微控制器后，使微控制器只能输出一路驱动信号。若有任一个报警信号输入微控制器，则一方面不再输出PWM波而输出一个零速信号保护系统，另一方面点亮报警显示电路。微控制器可采用单片机芯片ATMEGA128或DSP芯片TMS320LF2407，零速信号由微控制器通过欧姆龙24V继电器G2R-1传给起重机的PLC控制系统。

所述IPM驱动电机电路，采用了智能功率模块IPM，简化了IGBT管的驱动电路，且有欠压、过压、过流、过热、短路保护功能，并使IGBT管全桥连接而单边工作，通过微控制器编程实现电机的软启动，大大增加了回转控制系统的驱动能力和稳定可靠性。具体结构如图3所示：由两个IPM模块内四个IGBT管全桥连接，能提高电机驱动电压。但是，工作时只导通对边的两个IGBT实现单边工作，另一对边的两个IGBT断开，简化了控制电路，降低了对动力电源滤波的要求，使工作效率更高。因为IPM模块把IGBT和驱动电路集成在一起，所以不需要再外接IGBT管的驱动电路，直接把两个IPM模块连接成全桥形式，每个模块包含一个上桥和一个下桥，控制信号1、2、3、4分别接到四个IGBT管的四个驱动电路输入端。IPM模块可采用三菱公司的两单元IPM模块PM300DVA120或其它公司的类似模块。电机由IPM模块驱动正转或反转的工作状态如图4、5所示，四个IGBT管全桥连接。如图4，当控制信号1和4导通IGBT1和IGBT4时，控制信号2和3同时把IGBT2和IGBT3关断，这样电机在回路中动力电源驱动下处于正转状态；反之，如图5，当控制信号2和3导通IGBT2和IGBT3时，控制信号1和4同时把IGBT1和IGBT4关断，这样电机在回路中动力电源处于反转状态。而电机转速快慢则由控制信号的PWM波占空比决定。

所述中央控制电路是弱电控制部分，IPM驱动电机电路是强电驱动部分，两个部分通过IPM专用光电耦合模块电路连接，使强电、弱电隔离，整个系统抗干扰能力和安全性更好。本系统中，IPM专用光电耦合模块电路包括光电耦合驱动电路和异常信号反馈电路。

所述光电耦合驱动电路，其结构如图6所示，可采用高速光耦TLP559。采用光电耦合方式，微控制器经过反相器输出的驱动信号驱动二极管发光，从而使三极管集电极输出控制信号，四个驱动信号分别接四个高速光耦模块，输出各自的控制信号接到IPM模块上去。

所述异常信号反馈电路，其结构如图7所示，包括低速光耦模块。同样采用光电耦合方式，但由于IPM模块内部的过流、过压、欠压、过热、短路等检测电路输出的只是一个能驱动二极管发光的电压信号，因此只需采用低速光耦4N25，每个光耦输出一个报警信号到中央控制电路上去。该异常信号反馈电路的工作过程是：把IPM模块检测到的异常信号送到中央控制电路中微控制器作中断处理，若有异常立即关断整个系统电路，并通过报警电路发出报警信号，同时发出零速信号给起重机的PLC控制系统进行制动，使轮胎起重机的工作更安全。

所述电源电路，包括DC/DC模块，其工作原理是：如图8所示，经过DC/DC模块把起重机蓄电池的24V电源转换为四组独立的电源，每组电源相互隔离。

本回转控制系统一共有两种电源：一种是高压动力电源，直接接在IPM模块上驱动电机；另一种是由蓄电池24V电源经过四个DC/DC模块转换成四组电源，其为弱电源。四组电源分别是一组5V电源和三组15V电源。5V电源提供给中央控制电路及系统中所有需要5V电源的地方。三组15V电源分别提供给IPM驱动电机电路中四个IGBT管和与之相连的异常信号反馈电路，其中两个接负驱动电源的IGBT与其异常信号反馈电路共用一组15V电源，使全桥连接中各IGBT相互独立不受干扰。

所述三组15V电源，其中：第一组15V电源提供给IPM模块1的上桥电路及与之相连的光耦驱动电路、异常反馈电路，第二组15V电源提供给IPM模块2的上桥电路及与之相连的光耦驱动电路、异常反馈电路，第三组15V电源提供给IPM模块1和IPM模块2的下桥电路及与之相连的光耦驱动电路、异常反馈电路。

所述DC/DC模块可采用YND5-24S05、YND5-24S015电源模块将24V电源转换成5V或15V电源供各单元工作。

本回转控制系统基于下述原理设置启动时间设置电路、报警电路和消除自感电势电路。当回转机构瞬间启动、停止、换向时所加电压突变会引起猛烈抖动现象，如果使电压呈线性变化趋势则回转机构就能实现平稳工作，即真正意义上的软启动。电压线性变化的斜率大小由软启动时间决定，启动时间设置电路可根据轮胎起重机的回转电机功率大小，通过中央控制电路调整回转机构软启动时间。若有异常信号从IPM驱动电机电路传入中央控制电路，微控制器检测到后立即关断系统电路，并通过报警电路发出报警信号，同时输出零速信号给PLC控制电路制动起重机。回转电机两端接消除自感电势电路，则可消除瞬间启动、切换方向、突然断开时电机回路中的自感电势，避免控制信号变化而电机工作状态不变的现象。

所述启动时间设置电路，其根据不同吨位的轮胎起重机的回转电机功率大小通过中央控制电路调整回转机构软启动时间。该启动时间设置电路由一个电位器构成，其两端分别接5V电源和地，通过改变分压电阻之比可得到需要的电压信号输入微控制器，从而控制启动时间的长短，以防止回转机构瞬间启动、停止、换向时的猛烈抖动现象。

所述报警电路，其结构是：微控制器输出一个控制信号通过低速光耦4N25，点亮发光二极管，同时使欧姆龙24V继电器G2R-1闭合把信号传输给系统中的PLC控制单元。

所述消除自感电势电路，由接快速二极管、泄放电阻和泄放电容构成，它们分别接在轮胎起重机的回转电机的两端。其作用是：消除瞬间启动、切换方向、突然断开时电机回路中的自感电势，避免对IPM驱动电机电路的损害，保证了系统的安全工作。

本回转控制系统的工作过程是：当方向信号和控制信号指令送到微控制器后，微控制器发出驱动指令送到驱动电路，驱动电机在1---8秒的时间范围内平稳启动至正常工作。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明的结构作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

附表

表1 回转控制器实验数据统计表

Claims

1.一种轮胎起重机回转控制系统，其特征是设有控制电路，该控制电路包括电源电路、控制信号采集电路、电机换向控制电路、启动时间设置电路、中央控制电路、光电耦合驱动电路、IPM驱动电机电路、异常信号反馈电路、报警电路和消除自感电势电路，其中：所述控制信号采集电路、电机换向控制电路、启动时间设置电路、报警电路分别通过导线与中央控制电路连接；所述消除自感电势电路与IPM驱动电机电路连接；所述中央控制电路与IPM驱动电机电路通过光电耦合驱动电路、异常信号反馈电路相互连接。

2.根据权利要求1所述的轮胎起重机回转控制系统，其特征是：所述IPM驱动电机电路由两个IPM模块内四个IGBT管全桥连接，其中：工作时只导通对边的两个IGBT实现单边工作，另一对边的两个IGBT断开。

3.根据权利要求1所述的轮胎起重机回转控制系统，其特征是：所述控制信号采集电路和电机换向控制电路把控制信息输入中央控制电路，并由中央控制电路内的微控制器编程输出PWM波，且PWM波的占空比可调，使轮胎起重机的回转机构实现软启动。

4.根据权利要求1所述的轮胎起重机回转控制系统，其特征是：所述启动时间设置电路由一个电位器构成，其两端分别接5V电源和地。

5.根据权利要求1所述的轮胎起重机回转控制系统，其特征是：所述中央控制电路是弱电控制部分，IPM驱动电机电路是强电驱动部分，两个部分通过IPM专用光电耦合模块电路实现光电耦合驱动，使强电、弱电隔离。

6.根据权利要求1所述的轮胎起重机回转控制系统，其特征是：所述消除自感电势电路由快速二极管、泄放电阻和泄放电容构成，它们分别接在轮胎起重机的回转电机的两端。

7.根据权利要求1所述的轮胎起重机回转控制系统，其特征是：所述异常信号反馈电路包括低速光耦模块，其将IPM驱动电机电路中的IPM模块检测到的异常信号送到中央控制电路中的微控制器作中断处理，若有异常立即关断整个控制电路。

8.根据权利要求7所述的轮胎起重机回转控制系统，其特征是：在关断整个控制电路的同时，通过报警电路发出报警信号，并发出零速信号给轮胎起重机的PLC控制系统进行制动。

9.根据权利要求8所述的轮胎起重机回转控制系统，其特征是所述报警电路通过导线与中央控制电路中的微控制器相连。

10.根据权利要求1所述的轮胎起重机回转控制系统，其特征是设有电源电路，该电源电路包括DC/DC模块，DC/DC模块把起重机蓄电池的24V电源转换为四组独立的电源：一组5V电源给中央控制电路及异常信号反馈电路；三组15V电源分别给IPM驱动电机电路中四个IGBT管和与之相连的异常信号反馈电路，其中两个接负驱动电源的IGBT与其异常信号反馈电路共用一组15V电源。