CN102774750A - 垃圾抓斗起重机及防摇摆控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种垃圾抓斗起重机，包括PLC、变频器及电机，所述PLC内置防摇摆功能模块，所述防摇摆功能模块输出端接口连接变频器，所述防摇摆功能模块对输入的速度模拟量值进行运算后将数据传输给变频器，变频器根据从防摇摆功能模块输入的数据设定电机的转速控制电机工作。本发明在PLC内设置防摇摆功能模块，只需在PLC内设置每一个档位的速度模拟量值，经功能块运算，即可实现垃圾抓斗桥式起重机高速运行时小幅度摆动或无摆动。因而克服垃圾抓斗桥式起重机运行时常发生大幅度摆动的问题，保证垃圾抓斗起重机平稳可靠运行。

Description

垃圾抓斗起重机及防摇摆控制方法

技术领域

本发明涉及桥式起重机的防摇摆技术，特别是指带有变频器和PLC的垃圾抓斗桥式起重机上的防摇摆技术。 

背景技术

目前的垃圾抓斗桥式起重机都没有设置专门的防摇摆系统，在工作的时候它是靠工人的操作经验或者结合变频器在启动和停止、加速和减速时采用缓慢的无级调速的方法，这样在理论上是可以减少摆幅，但后者势必要降低工作效率，而前者则势必让司机精神高度紧张，而且电气元件受冲击大、寿命低。由于垃圾抓斗桥式起重机运行工况的影响，也不适用于装编码器来控制变频器输出频率或者来测定钢丝绳长度来计算摆角。故垃圾抓斗桥式起重机在运行时，为提高工作效率，一般速度都较快，经常有钢丝绳长度在较长的情况下快速移动大小车，在停车或换挡过程摇摆比较明显，存在一定的安全隐患。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种垃圾抓斗起重机及防摇摆控制方法，克服垃圾抓斗桥式起重机运行时常发生大幅度摆动的问题，保证垃圾抓斗起重机平稳可靠运行。 

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：垃圾抓斗起重机，包括PLC、变频器及电机，其特征在于：所述PLC内置防摇摆功能模块，所述防摇摆功能模块PLC输入端接口输入起重机每一个档位的速度模拟量值，所述防摇摆功能模块输出端接口连接变频器，变频器连接电机且变频器上的参数“加速 度”设置为“0”，所述防摇摆功能模块对输入的速度模拟量值进行运算后将数据传输给变频器，变频器根据从防摇摆功能模块输入的数据设定电机的转速控制电机工作。 

作为优选，所述防摇摆功能模块PLC输出端接口用屏蔽线连接变频器或者防摇摆功能模块PLC输出端与变频器间建立无线通讯连接。 

本发明还提供了一种上述垃圾抓斗起重机的防摇摆控制方法，其特征在于： 

首先，将垃圾抓斗起重机四个档位的速度模拟量值输入PLC内置的防摇摆功能模块； 

其次，防摇摆功能模块根据设置的加速度时间、初始速度和预到达速度，将加减速时间分割为四个时间段，并给每个时间段赋值不同的加速度得出具体时间的速度模拟量； 

最后，防摇摆功能模块将输出速度模拟量信号给变频器来控制电机运转速度变化，同时，将变频器上的参数“加速度”设置为“0”，最终在预设的加速度时间中由实时变换的加速度来减弱或消除摆动，使四个时间段的摆角矢量和为零或接近为零，达到预到达速度。 

进一步的，所述防摇摆功能模块具体工作过程为：首先，防摇摆功能模块得出初始速度v₁及预到达速度v₂，其中初始速度为当前实时速度，预到达速度为变化后档位速度，同时将设定的加速度时间t分配至四个时间段，其中t₁＝t₂＝1/4t，t₃＝t₄＝1/3t；其次，防摇摆功能模块得出四个时间段的加速度值，其中a₁＝v₂-v₁，a₂＝-2a₁，a₃＝1/4（v₂-v₁），a₄＝1/3（v₂-v₁）；最后，防摇功能模块计算出四个时间段的速度模拟量。 

本发明在PLC内设置防摇摆功能模块，变频器参数设置加减速时间为零，速度控制为PLC模拟量给定、所有防摇摆的数据均在防摇摆功能块内进行元算， 只需在PLC内设置每一个档位的速度模拟量值，经功能块运算，即可实现垃圾抓斗桥式起重机高速运行时小幅度摆动或无摆动。因而克服垃圾抓斗桥式起重机运行时常发生大幅度摆动的问题，保证垃圾抓斗起重机平稳可靠运行。 

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述： 

图1为本发明结构原理框图； 

图2为防摇摆功能模块工作流程图； 

图3为起重机小车运行图； 

图4为计算机进行的防摇理论分析数据表截图。 

具体实施方式

参考图1和图2具体说明为本发明实施例， 

其中，如图1所示，垃圾抓斗起重机防摇摆结构包括PLC1、变频器3及电机4，所述PLC内置防摇摆功能模块2，所述防摇摆功能模块PLC输入端接口输入起重机每一个档位的速度模拟量值，所述防摇摆功能模块PLC输出端接口连接变频器，变频器连接电机且变频器上的参数“加速度”设置为“0”，所述防摇摆功能模块对输入的速度模拟量值进行运算后将数据传输给变频器，变频器根据从防摇摆功能模块输入的数据设定电机的转速控制电机工作。所述防摇摆功能模块PLC输出端接口用屏蔽线连接变频器或者防摇摆功能模块与变频器间建立无线通讯连接。 

所述防摇摆功能模块包括初始速度v₁及预到达速度计算模块、加速度时间分配模块、加速度计算模块及速度输出模块，初始速度v₁及预到达速度计算模块得出初始速度v₁及预到达速度v₂，加速度时间分配模块将设定的加速度时间t分配至四个时间段，加速度计算模块计算出四个时间段的加速度值，速度输出模块计算出四个时间段的速度值并输出。 

结合图2说明垃圾抓斗起重机防摇摆控制方法（设定的加减速时间3S）， 

首先，将垃圾抓斗起重机四个档位的速度模拟量值输入PLC内置的防摇摆功能模块； 

其次，防摇摆功能模块根据设置的加速度时间、初始速度和预到达速度，将加减速时间分割为四个时间段，并给每个时间段赋值不同的加速度得出具体时间的速度模拟量； 

最后，防摇摆功能模块将输出速度模拟量信号给变频器来控制电机运转速度变化，同时，将变频器上的参数“加速度”设置为“0”，最终在预设的加速度时间中由实时变换的加速度来减弱或消除摆动，使四个时间段的摆角矢量和为零或接近为零，达到预到达速度。 

所述防摇摆功能模块具体工作过程为：首先，防摇摆功能模块得出初始速度v₁及预到达速度v₂，其中初始速度为当前实时速度，预到达速度为变化后档位速度，同时将设定的加速度时间t分配至四个时间段，其中t₁＝t₂＝1/4t，t₃＝t₄＝1/3t；其次，防摇摆功能模块得出四个时间段的加速度值，其中a₁＝v₂－v₁，a₂＝－2a₁，a₃＝1/4（v₂－v₁），a₄＝1/3（v₂－v₁）；最后，防摇功能模块计算出四个时间段的速度模拟量（依据为速度与加速度关系式v末=v0+at）。 

以上是以常规垃圾吊设定的加减速时间3S为例做说明，整个过程划分为4个合理时间段的不同加速度的步骤。也可根据垃圾抓斗起重机使用情况，将时间提升至总过程4S、5S等，时间越长，划分的时间段越多，需分析计算的阶段加速度越多。本发明的关键计算是合理划分加速度时间，以及阶段加速度。 

以下结合防摇理论分析对本发明做进一步说明。 

垃圾抓斗起重机的摇摆发生在加速度变化的过程，从位移角度来考虑，在抓斗发生摆动过程中，将小车的速度进行相应的切换，迅速跟上抓斗的摆动继 续向前移动，使得小车在达到预设速度时，抓斗与小车处于垂直位置正下方，此时的抓斗摆动最小。为了使抓斗在小车达到预设速度与小车处在同一垂直位置，需在小车到达预设速度之前通过改变加速度的方式来实现。为保证原有的工作效率，设小车从开始速度切换到达到预定速度的时间仍为正常的加减速时间3s，小车停止后吊重无任何摆动，即为一种软着陆状态。 

防摇理论分析：将初速度变化到预设速度的过程分四步。为达到预设速度值，必先经过第一步，起始加速度为a₁，由于a₁，抓斗产生向后或者向前的摆动，设此过程时间为t₁，由a₁产生的摆角变化值为θ1，若a₁＞0即加速时，抓斗的速度小于小车的速度，水平位移也小于小车位移，若a₁＜0即减速时，抓斗的速度大于小车的速度，水平位移也大于小车位移。则在第二阶段，设加速度为a₂，时间为t₂，由a₂产生的摆角变化值为θ2，为要让抓斗跟上小车的位移，则a₁＞0时，a₂＜0，而a₁＜0时，a₂＞0，第三第四阶段设加速度分别为a₃和a₄，时间为t₃和t₄，由a₃和a₄产生的摆角变化值分别为为θ3和θ4，为了平稳的达到预设速度，则a₁＞0，a₂＜0时，a₃＞0，a₄＞0而a₁＜0，a₂＞0时，a₃＜0，a₄＜0。 

即预设速度比初速度大时，先加速后减速再加速，预设速度比初速度小时，先减速后加速再减速。且t₁+t₂+t₃+t₄=3s，θ₁+θ₂+θ₃+θ₄＝0，θ₁+θ₃+θ₄＝-θ₂

图3为a₁＜0，a₂＞0，a₃＜0，a₄＜0时小车运行图，设初速度为V₀，末速度V_m，摆球相对小车的位移S₁＝l×sinθ₁，S₂＝l×sin(θ₁+θ₂)，S₃＝l×sin(θ₁+θ₂+θ₃)，S₄＝l×sin(θ₁+θ₂+θ₃+θ₄)，理想防摇状态S₄＝0。 

首先分析摆角与加速度和钢丝绳长度以及时间的关系。 

将整个小车抓斗结构简化成小车下挂一单摆，假设小车加速度为a，在任意一摆角θ的运动方程为 

对其进行积分运算可得 

a＜0,θ＞0时， $\sqrt{\frac{2\sqrt{a^2+g^2}}{l}[\cos ({\mathrm{\θ}}_1-\mathrm{arctg}\frac{a}{g})-\cos ({\mathrm{\θ}}_m-\mathrm{arctg}\frac{a}{g})]}={\mathrm{\θ}}_1^{/}$

a＞0,θ＜0时， $-\sqrt{\frac{2\sqrt{a^2+g^2}}{l}[\cos ({\mathrm{\θ}}_1-\mathrm{arctg}\frac{a}{g})-\cos ({\mathrm{\θ}}_m-\mathrm{arctg}\frac{a}{g})]}={\mathrm{\θ}}_1^{/}$

其中θ_m为最大摆角。当单摆从最低点摆到最高点过程中的任意一点，即摆角从0→θ_t，时间为t，对上述式子积分运算、泰勒级数展开求解可得t的近似值  $t=\sqrt{\frac{l}{\sqrt{a^2+g^2}}}<(1+\frac{k^2}{4}+\frac{{9k}^4}{64}-\frac{{25k}^6}{256})(u_2-u_2)-(\frac{k^2}{8}+\frac{{3k}^4}{32}-\frac{{75k}^6}{32\&times;32})({\sin 2u}_2-{\sin 2u}_1)+(\frac{{3k}^4}{256}-\frac{{15k}^6}{1024})({\sin 4u}_2-{\sin 4u}_1)+\left(\frac{5}{32\&times;16\&times;16}\right)({\sin 6u}_2-{\sin 6}_{u1})>$

其中 $\arcsin \left(\frac{1}{k}\sin \right[\frac{{\mathrm{\&theta;}}_t-\mathrm{arctg}\frac{a}{g}}{2}\left]\right)=u_2,\arcsin \left(\frac{1}{k}\sin \right[\frac{-\mathrm{arctg}\frac{a}{g}}{2}\left]\right)=u_1$

$\sin \left(\frac{{\mathrm{\&theta;}}_m-\mathrm{arcth}\frac{a}{g}}{2}\right)=k$

下表是根据上式，用EXCEL计算书列出的数据表。 

由上表可以得出： 

1）在四分之一周期内的相同时间，相同钢丝绳长度条件下，a的绝对值越 大，角度的绝对值越大，在此时间内抓斗摆动的水平位移越大； 

2）在四分之一周期内的相同时间，相同a条件下，钢丝绳长度越长，角度越小，在此时间内抓斗摆动的水平位移越大； 

由于-θ₂＞θ₁，而θ₁，θ₂的摆角差由a₃，a₄来消除，为操作者的舒适度来考虑，t₂越小越好，为方便计算，选取t₁＝t₂＝0.5s，t₃＝t₄＝1s， 

可得a₁＝V_m-V_0，根据时间与摆角和加速度的以及绳长的关系式，经理论数据分析比较，选取a₂＝-2a₁＝-2(V_m-V₀)， 

在不同的加速度，绳长的条件下，可得出如下数据表。 

由图4所示的数据表可以看出，在上述四阶段加速度和时间条件下，不同的绳长和初始速度、末速度，得出的S₄基本为0，即最终小车达到预设速度时，小车和抓斗相对位移为0，此时可保证摆动最小。 

具体实施方案：速度控制由PLC编写程序，输出模拟量信号给变频器，由变频器输出电机，由于加速度分段变化，由PLC程序设定，变频器加减速时间设为0。 

Claims (4)

1.垃圾抓斗起重机，包括PLC、变频器及电机，其特征在于：所述PLC内置防摇摆功能模块，所述防摇摆功能模块输入端接口输入起重机每一个档位的速度模拟量值，所述防摇摆功能模块PLC输出端接口连接变频器，变频器连接电机且变频器上的参数“加速度”设置为“0”，所述防摇摆功能模块对输入的速度模拟量值进行运算后将数据传输给变频器，变频器根据从防摇摆功能模块输入的数据设定电机的转速控制电机工作。

2.根据权利要求1所述的垃圾抓斗起重机，其特征在于：所述防摇摆功能模块PLC输出端接口用屏蔽线连接变频器或者防摇摆功能模块PLC输出端与变频器间建立无线通讯连接。

3.垃圾抓斗起重机防摇摆控制方法，其特征在于：

首先，将垃圾抓斗起重机四个档位的速度模拟量值输入PLC内置的防摇摆功能模块；

其次，防摇摆功能模块根据设置的加速度时间、初始速度和预到达速度，将加减速时间分割为四个时间段，并给每个时间段赋值不同的加速度得出具体时间的速度模拟量；

最后，防摇摆功能模块将输出速度模拟量信号给变频器来控制电机运转速度变化，同时，将变频器上的参数“加速度”设置为“0”，最终在预设的加速度时间中由实时变换的加速度来减弱或消除摆动，使四个时间段的摆角矢量和为零或接近为零，达到预到达速度。

4.根据权利要求3所述的垃圾抓斗起重机防摇摆控制方法，其特征在于：所述防摇摆功能模块具体工作过程为：首先，防摇摆功能模块得出初始速度v₁及预到达速度v₂，其中初始速度为当前实时速度，预到达速度为变化后档位速度，同时将设定的加速度时间t分配至四个时间段，其中t₁＝t₂＝1/4t，t₃＝t₄＝1/3t；其次，防摇摆功能模块得出四个时间段的加速度值，其中a₁＝v₂－v₁，a₂＝－2a₁，a₃＝1/4（v₂－v₁），a₄＝1/3（v₂－v₁）；最后，防摇功能模块计算出四个时间段的速度模拟量。

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