CN107381350A - 一种基于变频器的起重机防摇摆控制方法以及变频器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于变频器的起重机防摇摆控制方法以及变频器，方法包括：变频器的速度给定模块接收下发的起重机操作指令，所述起重机操作指令包含目标速度Va，并将目标速度Va作为初始的给定速度Vb发往变频器的防摇模块；防摇模块获取吊重的实时摆角θ，并基于实时摆角θ以及变频器的电流获取模块获取到的反馈电流If，对给定速度Vb进行实时修正，并将实时修正结果输出给变频器的电机控制模块；电机控制模块根据实时修正结果驱动电机运行。本发明将起重机的防摇摆功能直接集成在变频器中，相比于机械防摇成本低，易维护；相对于外围选件式电子防摇方案，外围电气设计简单、成本低、故障点少，同时控制重物摇摆效果更好。

Description

一种基于变频器的起重机防摇摆控制方法以及变频器

技术领域

本发明涉及起重领域，尤其涉及一种基于变频器的起重机防摇摆控制方法以及变频器。

背景技术

通用起重机的平移(一般指大车平移和小车平移)，一般由变频器驱动电机实现。但普通的变频器只做速度控制，没有吊具或重物的防摇摆功能，在实际运行时，吊装的重物摇晃比较严重，影响起重机的作业效率。

为实现防摇摆控制，现主要解决方案有如下两种：

一是机械防摇摆方案，此方案主要在吊具的四周增加防摇钢丝绳，通过防摇电机控制，在机构运行时，斜拉吊具，进而达到抑制吊具/重物摇摆的目的。但机械防摇摆控制，对机械设计要求比较高，同时需要增加防摇机构，对设备的安装空间也有很大影响。另外，此方案不仅成本高、维护难度大，而且在实际运行过程中，完全靠司机的经验，不确定因素较大。

二是电子防摇摆方案，采用外围选配卡或者PLC(Programmable LogicController，可编程逻辑控制器)等，通过控制驱动机构变频器的加减速曲线，来达到控制重物防摇摆的目的。但是此种方案需要与变频器进行数据交换，除交互延迟外，并未考虑电机的控制模型，实际测试效果并不理想。而且变频器外部加入防摇控制卡或者PLC等，除增加成本外，还会增加柜体的空间以及增加外围接线难度，同时故障点也会增多。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种基于变频器的起重机防摇摆控制方法以及变频器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种基于变频器的起重机防摇摆控制方法，所述方法包括：

变频器的速度给定模块接收下发的起重机操作指令，所述起重机操作指令包含目标速度Va，并将目标速度Va作为初始的给定速度Vb发往变频器的防摇模块；

所述防摇模块获取吊重的实时摆角θ，并基于所述实时摆角θ以及变频器的电流获取模块获取到的反馈电流If，对给定速度Vb进行实时修正，并将实时修正结果输出给变频器的电机控制模块，其中，所述反馈电流If为变频器输出给电机的电流；

所述电机控制模块根据实时修正结果驱动电机运行。

较佳的，所述速度给定模块将目标速度Va作为初始的给定速度Vb发往变频器的防摇模块包括：

所述速度给定模块在接收到起重机操作指令时，先判断起重机是否满足以下三个条件：起重机处于限位状态、起重机未处于安全区域、端子禁止防摇；

如果是，则将目标速度Va作为恒定的给定速度Vb直接发往电机控制模块，以使电机控制模块始终根据初始的给定速度Vb驱动电机运行；

否则，将目标速度Va作为初始的给定速度Vb发往所述防摇模块。

较佳的，所述电机控制模块根据实时修正结果驱动电机运行包括：

根据实时修正的给定速度Vb、变频器的速度获取模块获取到的电机运行的反馈速度Vf，计算得到第一实时速度差ΔV；

速度PID模块根据所述第一实时速度差ΔV计算得到实时给定电流；

计算所述实时给定电流和变频器输出给电机的反馈电流If的实时电流差ΔI；

电流PID模块根据所述实时电流差ΔI调节输出给电机的电流以使所述实时电流差ΔI趋于零。

较佳的，所述防摇模块获取吊重的实时摆角θ包括：

防摇模块通过与变频器通信连接的陀螺仪获取吊重的实时摆角θ；

或者，防摇模块通过目标速度Va、电机运行的反馈速度Vf、反馈转矩T估算得到实时摆角θ。

较佳的，防摇模块通过目标速度Va、电机运行的反馈速度Vf、反馈转矩T估算得到实时摆角θ具体包括：

通过反馈速度Vf积分计算出当前小车前进距离S1；

通过估算的重物速度Vz积分计算出当前重物的运行距离S2，其中重物速度Vz根据上一个时刻估算得到的摆角估算得到；

根据当前小车前进距离S1、当前重物的运行距离S2、悬挂重物的吊绳的长度H估算得到实时摆角θ。

较佳的，所述的对给定速度Vb进行实时修正具体包括：根据实时获取的反馈速度Vf、所述实时摆角θ及所述反馈电流If计算出小车与吊重的第二实时速度差V”，将反馈速度Vf和第二实时速度差V”之和作为实时修正的给定速度Vb。

本发明还要求保护一种应用于起重机的变频器，包括：

速度给定模块，用于接收下发的起重机操作指令，所述起重机操作指令包含目标速度Va，并将目标速度Va作为初始的给定速度Vb发往变频器的防摇模块；

防摇模块，用于块获取吊重的实时摆角θ，并基于所述实时摆角θ以及变频器的电流获取模块获取到的反馈电流If，对给定速度Vb进行实时修正，并将实时修正结果输出给变频器的电机控制模块，其中，所述反馈电流If为变频器输出给电机的电流；

电机控制模块，用于根据给定速度Vb驱动电机运行。

较佳的，所述速度给定模块还用于在接收到起重机操作指令时，判断起重机是否满足以下三个条件：起重机处于限位状态、起重机未处于安全区域、端子禁止防摇，如果是，则将目标速度Va作为恒定的给定速度Vb直接发往电机控制模块，以使电机控制模块始终根据初始的给定速度Vb驱动电机运行，否则，将目标速度Va作为初始的给定速度Vb发往所述防摇模块。

其中，所述电机控制模块包括：

第一减法器，用于根据给定速度Vb、变频器的速度获取模块获取到的电机运行的反馈速度Vf计算得到第一实时速度差ΔV；

速度PID模块，用于根据所述第一实时速度差ΔV计算得到相应的实时给定电流；

第二减法器，用于计算所述实时给定电流和变频器输出给电机的反馈电流If的实时电流差ΔI；

电流PID模块，用于根据所述实时电流差ΔI调节输出给电机的电流以使所述实时电流差ΔI趋于零。

较佳的，所述防摇模块包括：

摆角获取模块，通过与变频器通信连接的陀螺仪获取吊重的实时摆角θ，或者，通过目标速度Va、电机运行的反馈速度Vf、反馈转矩T估算得到实时摆角θ；

给定速度修正模块，用于根据实时获取的反馈速度Vf、所述实时摆角θ及所述反馈电流If计算出小车与吊重的第二实时速度差V”，将反馈速度Vf和第二实时速度差V”之和作为实时修正的给定速度Vb。

实施本发明的基于变频器的起重机防摇摆控制方法以及变频器，具有以下有益效果：本发明将起重机的防摇摆功能直接集成在变频器中，用户不需要另外配置防摇选件卡或是单独的控制模块(如可编程逻辑控制器PLC等)即可实现起重机的电子防摇；相比于机械防摇成本低，易维护；相对于外围选件式电子防摇方案，外围电气设计简单、成本低、故障点少，同时控制重物摇摆效果更好。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图：

图1是起重装置简化图；

图2是本发明起重机防摇摆控制方法的较佳实施例的流程图；

图3是本发明变频器的较佳实施例的框图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的典型实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，词语“相等”、“相同”“同时”或者其他类似的用语，不限于数学术语中的绝对相等或相同，在实施本专利所述权利时，可以是工程意义上的相近或者在可接受的误差范围内。所述“相连”或“连接”，不仅仅包括将两个实体直接相连，也包括通过具有有益改善效果的其他实体间接相连。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

本说明书中使用的“第一”、“第二”等包含序数的术语可用于说明各种构成要素，但是这些构成要素不受这些术语的限定。使用这些术语的目的仅在于将一个构成要素区别于其他构成要素。例如，在不脱离本发明的权利范围的前提下，第一构成要素可被命名为第二构成要素，类似地，第二构成要素也可以被命名为第一构成要素。

为了更好的理解本发明的技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对本发明的技术方案进行详细的说明，应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本发明实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

首先，参考图1，吊重m通过绳索与起重机小车M相连，起重机小车在水平方向上以速度v运行，θ为吊重产生的摆角(牵引绳索在垂直方向的偏离角度)，本发明的目的就是通过变频器控制小车的驱动电机，进而控制小车的速度v，最终达到的目的是使重物运行时的摆角θ趋近于零。

实施例一

本实施例公开了一种基于变频器的起重机防摇摆控制方法，所述方法主要包括：

S100、变频器的速度给定模块接收下发的起重机操作指令，所述起重机操作指令包含目标速度Va，出于安全考虑，需要对是否适合进行防摇进行判断，因此，速度给定模块在接收到起重机操作指令时，先判断起重机是否满足以下三个条件：起重机处于限位状态、起重机未处于安全区域、端子禁止防摇，如果是，则将目标速度Va作为恒定的给定速度Vb直接发往电机控制模块，以使电机控制模块始终根据初始的给定速度Vb驱动电机运行，否则，将目标速度Va作为初始的给定速度Vb发往所述防摇模块。

S200、所述防摇模块获取吊重的实时摆角θ，并基于所述实时摆角θ以及变频器的电流获取模块获取到的反馈电流If，对给定速度Vb进行实时修正，并将实时修正结果输出给变频器的电机控制模块，其中，所述反馈电流If为变频器输出给电机的电流；

S300、所述电机控制模块根据实时修正结果驱动电机运行。

可见，如果没有防摇功能，则变频器的电机控制模块的给定速度Vb为速度给定模块直接下发的固定的目标速度Va；如果启动了防摇功能，防摇模块根据实时摆角θ对给定速度Vb进行了实时修正，即电机控制模块的给定速度Vb是实时修正的，最终达到的效果是小车运行的给定速度实时调整与吊重m的运行速度相近(趋于相同)，从而使得吊重m的偏离摆角θ趋近于零。

其中，所述电机控制模块根据实时修正的给定速度Vb驱动电机运行包括：

S101、根据实时修正的给定速度Vb、变频器的速度获取模块获取到的电机运行的反馈速度Vf，计算得到第一实时速度差ΔV；

S102、速度PID模块(Proportion-Integral-Derivative，比例-积分-微分)根据所述第一实时速度差ΔV计算得到实时给定电流；

S103、计算所述实时给定电流和变频器输出给电机的反馈电流If的实时电流差ΔI；

S104、电流PID模块根据所述实时电流差ΔI调节输出给电机的电流以使所述实时电流差ΔI趋于零。

其中，变频器的电流获取模块获取输出给电机的反馈电流If可以通过相应的传感器直接采样，比如电流传感器。而速度获取模块获取电机运行的反馈速度Vf的方式，既可以是通过相应的传感器直接采样，比如速度传感器、编码器等，还可以是通过现有的电机模型的速度观测器估算得到反馈速度Vf。

较佳实施例中，防摇模块获取吊重的实时摆角有两种途径：第一种途径，是防摇模块通过与变频器通信连接的陀螺仪获取吊重的实时摆角θ。第二种途径是防摇模块通过目标速度Va、电机运行的反馈速度Vf、反馈转矩T估算得到实时摆角θ，具体的，估算得到实时摆角θ包括：

Sa、通过反馈速度Vf积分计算出当前小车前进距离S1，

Sb、通过估算的重物速度Vz积分计算出当前重物的运行距离S2，

其中，重物速度Vz根据上一个时刻估算得到的摆角估算得到，具体估算公式为：请注意，公式中的θ为上一个时刻估算的摆角，在初次估算Vz时不存在上一个时刻，默认初始Vz为0。

Sc、根据当前小车前进距离S1、当前重物的运行距离S2、悬挂重物的吊绳的长度H估算得到实时摆角θ。具体的，由于sinθ＝(S1-S2)/H，因此通过反余弦求出θ＝arcsin(S1-S2)/H。

较佳实施例中，对给定速度Vb进行实时修正具体包括：根据实时获取的反馈速度Vf、实时摆角θ、反馈电流If计算出小车与吊重的第二实时速度差V”，V”＝Vf-K1*Vz+K2*θ-K3*T，其中，可以通过电机模型及反馈电流If估算出力矩T，此为本领域公知技术，此处不再赘述；然后将反馈速度Vf和第二实时速度差V”之和作为实时修正的给定速度Vb。

本实施例的工作原理是：根据采样或者估算得到的速度Vf、给定的小车的目标速度Va、电流If计算出吊重摆角θ，再根据电流环路实时检测的电机驱动器的电流If和吊重摆角θ计算出小车运行与吊重运行的速度差V”，将速度差V”反馈到速度控制回路调整小车的运行速度变为给定速度Vb，使小车修正后的给定速度Vb为V+V”，保持与吊重的运行速度一致，达到抑制重物摇摆的目的。

实施例二

基于同一发明构思，本实施例公开了一种应用于起重机的变频器，该变频器包括：

速度给定模块，用于接收下发的起重机操作指令，所述起重机操作指令包含目标速度Va，判断起重机是否满足以下三个条件：起重机处于限位状态、起重机未处于安全区域、端子禁止防摇，如果是，则将目标速度Va作为恒定的给定速度Vb直接发往电机控制模块，以使电机控制模块始终根据初始的给定速度Vb驱动电机运行，否则，将目标速度Va作为初始的给定速度Vb发往所述防摇模块。

防摇模块，用于块获取吊重的实时摆角θ，并基于所述实时摆角θ以及变频器的电流获取模块获取到的反馈电流If，对给定速度Vb进行实时修正，并将实时修正结果输出给变频器的电机控制模块，其中，所述反馈电流If为变频器输出给电机的电流；

电机控制模块，用于根据给定速度Vb驱动电机运行。

具体的，所述电机控制模块包括：

速度获取模块，获取电机运行的反馈速度Vf；

电流获取模块，获取变频器输出给电机的反馈电流If；

第一减法器，用于根据给定速度Vb、变频器的速度获取模块获取到的电机运行的反馈速度Vf，计算得到第一实时速度差ΔV；

速度PID模块，用于根据所述第一实时速度差ΔV计算得到相应的实时给定电流；

第二减法器，用于计算所述实时给定电流和变频器输出给电机的反馈电流If的实时电流差ΔI；

电流PID模块，用于根据所述实时电流差ΔI调节输出给电机的电流以使所述实时电流差ΔI趋于零。

具体的，所述防摇模块包括：

摆角获取模块，通过与变频器通信连接的陀螺仪获取吊重的实时摆角θ，或者，通过目标速度Va、电机运行的反馈速度Vf、反馈转矩T估算得到实时摆角θ；

给定速度修正模块，用于根据实时获取的反馈速度Vf、实时摆角θ和反馈电流If计算出小车与吊重的第二实时速度差V”，V”＝Vf-K1*Vz+K2*θ-K3*T，其中，可以通过电机模型及反馈电流If估算出力矩T，此为本领域公知技术，此处不再赘述；然后将反馈速度Vf和第二实时速度差V”之和作为实时修正的给定速度Vb。

具体的，所述的估算得到实时摆角θ包括：通过反馈速度Vf积分计算出当前小车前进距离通过估算的重物速度Vz积分计算出当前重物的运行距离根据当前小车前进距离S1、当前重物的运行距离S2、悬挂重物的吊绳的长度H估算得到实时摆角θ。具体的，由于sinθ＝(S1-S2)/H，因此通过反余弦求出θ＝arcsin(S1-S2)/H。

其中，重物速度Vz根据上一个时刻估算得到的摆角估算得到，具体估算公式为：请注意，公式中的θ为上一个时刻估算的摆角，在初次估算Vz时不存在上一个时刻，默认初始Vz为0。

综上所述，实施本发明的基于变频器的起重机防摇摆控制方法以及变频器，具有以下有益效果：本发明将起重机的防摇摆功能直接集成在变频器中，用户不需要另外配置防摇选件卡或是单独的控制模块(如可编程逻辑控制器PLC等)即可实现起重机的电子防摇；相比于机械防摇成本低，易维护；相对于外围选件式电子防摇方案，外围电气设计简单、成本低、故障点少，同时控制重物摇摆效果更好。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种基于变频器的起重机防摇摆控制方法，其特征在于，所述方法包括：

变频器的速度给定模块接收下发的起重机操作指令，所述起重机操作指令包含目标速度Va，并将目标速度Va作为初始的给定速度Vb发往变频器的防摇模块；

所述防摇模块获取吊重的实时摆角θ，并基于所述实时摆角θ以及变频器的电流获取模块获取到的反馈电流If，对给定速度Vb进行实时修正，并将实时修正结果输出给变频器的电机控制模块，其中，所述反馈电流If为变频器输出给电机的电流；

所述电机控制模块根据实时修正结果驱动电机运行。

2.根据权利要求1所述的基于变频器的起重机防摇摆控制方法，其特征在于，所述速度给定模块将目标速度Va作为初始的给定速度Vb发往变频器的防摇模块包括：

判断起重机是否满足以下三个条件：起重机处于限位状态、起重机未处于安全区域、端子禁止防摇；

如果是，则将目标速度Va作为恒定的给定速度Vb直接发往电机控制模块，以使所述电机控制模块始终根据初始的给定速度Vb驱动电机运行；

否则，将目标速度Va作为初始的给定速度Vb发往所述防摇模块。

3.根据权利要求1所述的基于变频器的起重机防摇摆控制方法，其特征在于，所述电机控制模块根据实时修正结果驱动电机运行包括：

根据实时修正的给定速度Vb、变频器的速度获取模块获取到的电机运行的反馈速度Vf，计算得到第一实时速度差ΔV；

速度PID模块根据所述第一实时速度差ΔV计算得到实时给定电流；

计算所述实时给定电流和变频器输出给电机的反馈电流If的实时电流差ΔI；

电流PID模块根据所述实时电流差ΔI调节输出给电机的电流以使所述实时电流差ΔI趋于零。

4.根据权利要求1所述的基于变频器的起重机防摇摆控制方法，其特征在于，所述防摇模块获取吊重的实时摆角θ包括：

防摇模块通过与变频器通信连接的陀螺仪获取吊重的实时摆角θ；

或者，防摇模块通过目标速度Va、电机运行的反馈速度Vf、反馈转矩T估算得到实时摆角θ。

5.根据权利要求4所述的基于变频器的起重机防摇摆控制方法，其特征在于，防摇模块通过目标速度Va、电机运行的反馈速度Vf、反馈转矩T估算得到实时摆角θ具体包括：

通过反馈速度Vf积分计算出当前小车前进距离S1；

通过估算的重物速度Vz积分计算出当前重物的运行距离S2，其中重物速度Vz根据上一个时刻估算得到的摆角估算得到；

根据当前小车前进距离S1、当前重物的运行距离S2、悬挂重物的吊绳的长度H估算得到实时摆角θ。

6.根据权利要求1所述的基于变频器的起重机防摇摆控制方法，其特征在于，所述的对给定速度Vb进行实时修正具体包括：根据实时获取的反馈速度Vf、所述实时摆角θ、及所述反馈电流If计算出小车与吊重的第二实时速度差V”，将反馈速度Vf和第二实时速度差V”之和作为实时修正的给定速度Vb。

7.一种应用于起重机的变频器，其特征在于，包括：

速度给定模块，用于接收下发的起重机操作指令，所述起重机操作指令包含目标速度Va，并将目标速度Va作为初始的给定速度Vb发往变频器的防摇模块；

防摇模块，用于块获取吊重的实时摆角θ，并基于所述实时摆角θ以及变频器的电流获取模块获取到的反馈电流If，对给定速度Vb进行实时修正，并将实时修正结果输出给变频器的电机控制模块，其中，所述反馈电流If为变频器输出给电机的电流；

电机控制模块，用于根据给定速度Vb驱动电机运行。

8.根据权利要求7所述的变频器，其特征在于，所述速度给定模块还用于在接收到起重机操作指令时，判断起重机是否满足以下三个条件：起重机处于限位状态、起重机未处于安全区域、端子禁止防摇，如果是，则将目标速度Va作为恒定的给定速度Vb直接发往电机控制模块，以使所述电机控制模块始终根据初始的给定速度Vb驱动电机运行；否则，将目标速度Va作为初始的给定速度Vb发往所述防摇模块。

9.根据权利要求7所述的变频器，其特征在于，所述电机控制模块包括：

第一减法器，用于根据给定速度Vb、变频器的速度获取模块获取到的电机运行的反馈速度Vf，计算得到第一实时速度差ΔV；

速度PID模块，用于根据所述第一实时速度差ΔV计算得到相应的实时给定电流；

第二减法器，用于计算所述实时给定电流和变频器输出给电机的反馈电流If的实时电流差ΔI；

电流PID模块，用于根据所述实时电流差ΔI调节输出给电机的电流以使所述实时电流差ΔI趋于零。

10.根据权利要求7所述的变频器，其特征在于，所述防摇模块包括：

摆角获取模块，通过与变频器通信连接的陀螺仪获取吊重的实时摆角θ，或者，通过目标速度Va、电机运行的反馈速度Vf、反馈转矩T估算得到实时摆角θ；

给定速度修正模块，用于根据实时获取的反馈速度Vf、所述实时摆角θ及所述反馈电流If计算出小车与吊重的第二实时速度差V”，将反馈速度Vf和第二实时速度差V”之和作为实时修正的给定速度Vb。