CN103414405A - 用于桥式启闭机电机力矩均衡的装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种用于桥式启闭机电机力矩均衡的装置及控制方法，包括桥式启闭机，桥式启闭机上设有至少两台包括电机的驱动装置，各个电机之间采用硬连接，两吊点之间通过同步轴连接，电机与带有变频器的电机模块电连接，各个电机上设有扭矩传感器，以其中一台扭矩传感器的输出值，作为另一台电机模块扭矩控制的参考值；当有超过两台电机时，则依次以上一台的扭矩传感器的输出值，作为下一电机模块扭矩控制的参考值。本发明提供的一种用于桥式启闭机电机力矩均衡的装置及控制方法，可以确保各个电机之间的力矩均衡。进一步的，可以提高桥式启闭机的安全性。

Description

用于桥式启闭机电机力矩均衡的装置及控制方法

技术领域

本发明涉及桥式启闭机电机控制领域，特别是一种用于桥式启闭机电机力矩均衡的装置及控制方法。

背景技术

水利水电工程桥式启闭机是用于挡水叠梁门的启闭和吊运。桥式启闭机作为闸门的起重机械，大车可以移动，可以起吊多扇闸门，从而避免了使用多台固定式启闭机起吊闸门，节约了投资。由于单节闸门的重量大，桥式启闭机的容量要求大，从而进行机械设计时电机的容量较大，数量较多。大容量的桥式启闭机起升机构采用4台电机驱动，每个吊点采用2台电机，电机之间采用硬联接，两吊点之间采用机械同步轴联接。

由于4台电机的特性差不同，若采用硬联接，这样就造成电机出力不均衡，有的电机出力过大，有的电机出力过小，电机之间造成内耗。其后果是：1.长时间运行就会烧毁电机，2. 桥式启闭机的起重量变小。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于桥式启闭机电机力矩均衡的装置及控制方法，可以确保各个电机之间的力矩均衡。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种用于桥式启闭机电机力矩均衡的装置，包括桥式启闭机，桥式启闭机上设有至少两台包括电机的驱动装置，各个电机之间采用硬连接，两吊点之间通过同步轴连接，电机与电机模块电连接，各个电机上设有扭矩传感器，以其中一台扭矩传感器的输出值，作为另一台电机模块扭矩控制的参考值；

当有超过两台电机时，则依次以上一台的扭矩传感器的输出值，作为下一电机模块扭矩控制的参考值。

各个电机模块与PLC通讯，各个电机上还设有编码器，与扭矩传感器一起组成的闭环矢量控制系统，除了扭矩控制的参考值外，还设有速度控制参考值，和扭矩上限和下限参考值，当速度控制参考值、扭矩上限和下限参考值任一项达到设定值，则进入安全保护。

电机模块与PLC通过Profibus总线通讯，上一台的扭矩传感器的输出值通过Profibus总线传输给下一台电机模块作为扭矩控制的参考值。

所述的电机上还设有过速保护开关。

所述的驱动装置内还设有电力液压块式制动器作为工作制动器，盘式制动器作为安全制动器。

一种采用上述的装置实现力矩均衡的控制方法，包括以下步骤：

一、各个电机模块与PLC通过Profibus总线通讯，各个电机模块与电机连接，各个电机上设有扭矩传感器和编码器；

二、其中一台电机上的扭矩传感器输出值，通过Profibus总线通讯输入到PLC中作为下一台电机扭矩控制的参考值，并由PLC输出控制信号到该电机模块，依次类推；

通过上述步骤确保各个电机的力矩均衡。

步骤二中，同一组中的扭矩传感器获得的数值也返回到PLC，与初始设定值或由上一台扭矩传感器输出的参考值进行比较，然后由PLC输出控制信号。

各组中的扭矩传感器获得的数值还与预设的上限和下限参考值进行比对，当大于上限或小于下限时，进入保护。

各个电机上编码器获得的速度值也送入PLC进行比对，当扭矩超限时，即启动速度保护，当各个电机速度的最大值和最小值之间的差值达到设定值，进入保护。

在各个电机还设有过速保护开关，当过速保护开关动作，进入保护。

本发明提供的一种用于桥式启闭机电机力矩均衡的装置及控制方法，可以确保各个电机之间的力矩均衡。进一步的，可以提高桥式启闭机的安全性。

本发明的设备现场调试运行时，四台电机的电流通过本控制系统的调节控制可以达到一致，从而实现了电机的出力均衡，保证了设备安全可靠的运行。

结果表明：对于双吊点、每个吊点两台电机、电机之间采用硬联接、两吊点之间通过同步轴连接的启闭机设备，即四卷筒，四电机驱动的结构型式。采用本发明的电气控制方法十分必要，运行实验结果成功，力矩均衡控制精度完全满足要求。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明中电机连接的结构示意图。

图2为本发明中闭环控制部分的连接示意图。

图3为本发明中PLC与变频器连接的示意图。

图中：第一电机模块1A1，第二电机模块1A2，第三电机模块1A3，第四电机模块1A4，第一电机1M1，第二电机1M2，第三电机1M3，第四电机1M4，第一扭矩传感器1NJ1，第二扭矩传感器1NJ2，第三扭矩传感器1NJ3，第四扭矩传感器1NJ4，第一编码器1PG1，第二编码器1PG2，第三编码器1PG3，第四编码器1PG4。

具体实施方式

一种用于桥式启闭机电机力矩均衡的装置，包括桥式启闭机，桥式启闭机上设有至少两台包括电机的驱动装置，各个电机之间采用硬连接，电机与电机模块电连接，各个电机上设有扭矩传感器，以其中一台扭矩传感器的输出值，作为另一台电机模块扭矩控制的参考值；

如图1中所示，变频器由电源模块、电机模块、多轴控制单元等组成。电源模块SLM1分别为第一电机模块1A1，第二电机模块1A2相连；电源模块SLM2第三电机模块1A3，第四电机模块1A4相连。电机模块1A1、1A2、1A3、1A4分别控制第一电机1M1，第二电机1M2，第三电机1M3和第四电机1M4。第一电机1M1~第四电机1M4分别与第一扭矩传感器1NJ1，第二扭矩传感器1NJ2，第三扭矩传感器1NJ3，第四扭矩传感器1NJ4，第一编码器1PG1，第二编码器1PG2，第三编码器1PG3，第四编码器1PG4连接。各个编码器采用增量型编码器，以此获得各个电机的转速。

当有超过两台电机时，则依次以上一台的扭矩传感器的输出值，作为下一电机模块扭矩控制的参考值。

如图2中，第一电机模块1A1即为驱动组中的主驱动，而第二电机模块1A2，第三电机模块1A3，第四电机模块1A4则为从驱动。更具体的控制流程，在后面进一步详述。

各个电机模块与PLC电连接，各个电机上还设有编码器，与扭矩传感器一起组成的闭环矢量控制系统，除了扭矩控制的参考值外，还设有速度控制参考值，此处的速度控制参考值相当于速度上限，和扭矩上限和下限参考值，当速度控制参考值、扭矩上限和下限参考值任一项达到设定值，则进入安全保护。

电机模块与PLC通过Profibus总线通讯，上一台的扭矩传感器的输出值通过Profibus总线传输给下一台电机模块作为扭矩控制的参考值。

本方案四台变频器的电机模块采用主/从驱动进行力矩均衡调节控制，从机电机模块1A2-1A4跟随主机的电机模块1A1的转矩给定，保证四台电机力矩一致，其电动机的电流误差小于5%。本发明的方案也可以用于双吊点、双电机的系统控制中。

所述的电机上还设有过速保护开关。由此结构，进一步确保系统安全。

所述的驱动装置内还设有电力液压块式制动器作为工作制动器，盘式制动器作为安全制动器。

本发明中以第一电机作为主驱动，其余电机作为从驱动，跟随主驱动的扭矩值，如果由于机械故障，例如传动轴断开，为了防止出现从驱动过速，采用了内部监视功能，即扭矩的上、下限值，将从驱动的闭环扭矩控制转换到闭环转速控制。同时，联接轴上装的扭矩传感器也将异常扭矩信号传送给可编程序控制器进行安全保护，如上述保护未起作用则变频电机还装有过速保护开关进行保护，从而确保系统安全可靠运行。

一种采用权利要求1~5所述的装置实现力矩均衡的控制方法，包括以下步骤：

一、各个电机模块与PLC通过Profibus总线通讯，各个电机模块与电机连接，各个电机上设有扭矩传感器和编码器；

二、其中一台电机上的扭矩传感器输出值，通过Profibus总线通讯输入到PLC中作为下一台电机扭矩控制的参考值，并由PLC输出控制信号到该电机模块，依次类推；

通过上述步骤确保各个电机的力矩均衡。

优选的如图2中，步骤二中，同一组中的扭矩传感器获得的数值也返回到PLC，与初始设定值或由上一台扭矩传感器输出的参考值进行比较，然后由PLC输出控制信号。

进一步优选的，各组中的扭矩传感器获得的数值还与预设的上限和下限参考值进行比对，当大于上限或小于下限时，进入保护。例如切换到速度保护，速度控制模式。

进一步优选的，各个电机上编码器获得的速度值也送入PLC进行比对，当扭矩超限时，即启动速度保护，此处的速度值为差值，当各个电机速度的最大值和最小值之间的差值达到设定值，进入保护。例如启动电力液压块式制动器停机，并发出警报提示检修。

进一步优选的，在各个电机还设有过速保护开关，当过速保护开关动作，进入保护。例如，启动盘式制动器停机，并发出警报提示检修。

对于自动控制进一步详细的说明如图2中，电机模块1A1对于第一电机1M1的控制在于通过频率设定值进行控制，并由获得的实际频率参数构成闭环控制，以确保实际频率与频率设定值相一致，实际频率由第一编码器1PG1获得，第一电机1M1的第一扭矩传感器1NJ1获得的扭矩输出值，通过Profibus总线输入到PLC，作为第一电机模块1A1的频率设定值的控制参数，以确保足够的扭矩。同时该扭矩输出值也作为第二电机1M2扭矩的参考值，与第二电机1M2的第二扭矩传感器1NJ2获得的扭矩输出值进行比较，并由PLC运算后得到频率设定值输出到第二电机模块1A2，以使第二电机1M2的扭矩输出值接近该扭矩参考值，同时第二扭矩传感器1NJ2的扭矩输出值，又作为第三电机1M3扭矩的参考值，以此类推。实现以第一电机模块1A1为主，而第二电机模块1A2、第三电机模块1A3、第四电机模块1A4为从的控制方式，从而确保各个电机，本例中为变频电机的输出扭矩相一致。可选的，第二电机模块1A2、第三电机模块1A3、第四电机模块1A4的扭矩参考值，可以均采用第一扭矩传感器1NJ1的扭矩输出值进行控制，以减少控系统的累积误差。

更进一步的，在各个电机的控制环路中还设有速度控制器，即将第一扭矩传感器1NJ1，第二扭矩传感器1NJ2，第三扭矩传感器1NJ3，第四扭矩传感器1NJ4的扭矩输出值与设定的扭矩上限和下限进行比较，当超限时，且速度控制有效，整个控制环路进入速度控制模式，由第一编码器1PG1，第二编码器1PG2，第三编码器1PG3，第四编码器1PG4中获得的转速在PLC中进行对比，依然以第一电机1M1的转速为参考值，当差值超限时，启动停机保护，并报警。

再进一步的，由过速保护开关动作，实现保护。

实施例：

2×5000kN（单向）桥式启闭机共一台安装在通航孔混凝土高排架钢轨道梁上，轨顶高程72.47m。 桥机主要附属设备包括：通航孔挡水门液压自动挂钩梁1套。 设备用途：通航孔挡水门由三节叠梁连接后组成，桥机用于挡水门的启闭和吊运。启闭扬程40米。

2×5000kN（单向）桥式启闭机的控制是采用：可编程序控制器及人机界面为智能控制中心，运用西门子S120回馈制动变频器及扭矩传感器进行力矩均衡控制。

可编程序控制器采用西门子S7-300型号，人机界面采用西门子TP-270型号，起升机构采用S120系列能量回馈型变频器，由2个355KW的智能电源模块、两个多轴控制单元、四个160KW的电机模块组成。起升机构由4台电机驱动，并分别由一个电机模块控制。变频器采用编码器反馈的闭环控制方式。卷筒对应减速箱上安装一个进口绝对值型脉冲编码器，每个吊点装一个，作为起升机构高度测量和同步运行的反馈，其输出数据信号送到高度仪主机后进行显示，其主机输出4-20mA的模拟量，通过可编程序控制器处理后在司机室的人机界面上显示。变频器与可编程序控制器之间采用Profibus-DP总线通讯。

起升机构装有进口荷重传感器，其输出数据信号送到荷重仪主机后进行显示，其主机输出4-20mA的模拟量，通过可编程序控制器处理后在司机室的人机界面上显示。

可编程序控制器与变频器及人机界面的网络图见图三。

四台变频器的电机模块采用主/从驱动，要将受控转速主驱动的扭矩设定值转移到受控扭矩从动上，以实现整个转速范围内负载均匀分配。以电机模块1A1为驱动组中的“主”，电机模块1A2~1A4为“从”，这样“主转矩”就作为“从装置”的参考转矩。如果由于机械故障（如传动轴断了），为了防止出现从驱动过速，采用了内部监视功能（扭矩上、下极限）将从驱动的闭环扭矩控制转换到闭环转速控制，同时，联接轴上装的扭矩传感器也将异常扭矩信号传送给可编程序控制器进行安全保护，如上述保护未起作用则变频电机还装有过速开关进行保护，从而确保系统安全可靠运行。

Claims (10)

1.一种用于桥式启闭机电机力矩均衡的装置，包括桥式启闭机，桥式启闭机上设有至少两台包括电机的驱动装置，各个电机之间采用硬连接，两吊点之间通过同步轴连接，电机与电机模块电连接，其特征是：各个电机上设有扭矩传感器，以其中一台扭矩传感器的输出值，作为另一台电机模块扭矩控制的参考值；

当有超过两台电机时，则依次以上一台的扭矩传感器的输出值，作为下一电机模块扭矩控制的参考值。

2.根据权利要求1所述的一种用于桥式启闭机电机力矩均衡的装置，其特征是：各个电机模块与PLC电连接，各个电机上还设有编码器，与扭矩传感器一起组成的闭环矢量控制系统，除了扭矩控制的参考值外，还设有速度控制参考值，和扭矩上限和下限参考值，当速度控制参考值、扭矩上限和下限参考值任一项达到设定值，则进入安全保护。

3.根据权利要求2所述的一种用于桥式启闭机电机力矩均衡的装置，其特征是：电机模块与PLC通过Profibus总线通讯，上一台的扭矩传感器的输出值通过Profibus总线传输给下一台电机模块作为扭矩控制的参考值。

4.根据权利要求1所述的一种用于桥式启闭机电机力矩均衡的装置，其特征是：所述的电机上还设有过速保护开关。

5.根据权利要求1所述的一种用于桥式启闭机电机力矩均衡的装置，其特征是：所述的驱动装置内还设有电力液压块式制动器作为工作制动器，盘式制动器作为安全制动器。

6.一种采用权利要求1~5所述的装置实现力矩均衡的控制方法，其特征是包括以下步骤：

一、各个电机模块与PLC通过Profibus总线通讯，各个电机模块与电机连接，各个电机上设有扭矩传感器和编码器；

二、其中一台电机上的扭矩传感器输出值，通过Profibus总线通讯输入到PLC中作为下一台电机扭矩控制的参考值，并由PLC输出控制信号到该电机模块，依次类推；

通过上述步骤确保各个电机的力矩均衡。

7.根据权利要求6所述的一种控制方法，其特征是：

步骤二中，同一组中的扭矩传感器获得的数值也返回到PLC，与初始设定值或由上一台扭矩传感器输出的参考值进行比较，然后由PLC输出控制信号。

8.根据权利要求7所述的一种控制方法，其特征是：各组中的扭矩传感器获得的数值还与预设的上限和下限参考值进行比对，当大于上限或小于下限时，进入保护。

9.根据权利要求8所述的一种控制方法，其特征是：各个电机上编码器获得的速度值也送入PLC进行比对，当扭矩超限时，即启动速度保护，当各个电机速度的最大值和最小值之间的差值达到设定值，进入保护。

10.根据权利要求9所述的一种控制方法，其特征是：在各个电机还设有过速保护开关，当过速保护开关动作，进入保护。

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