CN107973220B - 永磁直驱式电磁挂梁吊的起升系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁直驱式电磁挂梁吊的起升系统，包括控制器、两台变频器、两台直驱式永磁同步电机及其钢丝绳、两台制动器、电磁挂梁、若干电磁吸盘和两台编码器；编码器与直驱式永磁同步电机连接，获取直驱式永磁同步电机的电机转速和位置信息并上传控制器，控制器控制直驱式永磁同步电机同步运行，保证电磁挂梁两端的高度差。本发明还公开了所述永磁直驱式电磁挂梁吊的起升系统的控制方法，包括启动并调平；变频器调整电机转速，保证电磁挂梁两端的高差；停机时记录零速悬停状态下的转矩电流值并抱闸；停机后运行时，优先建立转矩电流；变控制参数启动；正常运行。本发明成本低廉、控制简单可靠、能够有效防止溜钩和过冲以及实现协调同步。

Description

永磁直驱式电磁挂梁吊的起升系统及其控制方法

技术领域

本发明具体涉及一种永磁直驱式电磁挂梁吊的起升系统及其控制方法。

背景技术

随着国家经济技术的发展和人们生活水平的提高，建筑行业迎来了一次又一次的投资高峰。而建筑行业的快速发展，直接带动了起升系统的发展。

电磁挂梁吊是起升领域内发展极为迅速的一种起升系统。目前，传统的电磁挂梁式起重机起升机构通常由一台电机驱动两个减速器，再带动两个双联卷筒组完成吊钩组起升、下降功能，但是其存在机构复杂，体积大，重量高，噪声严重，传动效率低，运行不平稳和维修率高等一系列缺点。因此，近年来出现了使用外转子直驱式永磁同步电机的起升机构的技术方案。其应用在电磁挂梁式起重机起升机构时，由于其外转子直接做成卷筒用来绕钢丝绳，无法一台电机驱动两个吊钩组，必须使用两台电机各作为一个独立的起升单元。两个起升单元配合同步作业，作业过程中通过一个PLC或者其他的控制单元实现两台电机的同步控制。

但是，由于电磁挂梁吊可以在抱闸停机以后卸载，也可以在运行过程中卸载，而且运行过程中有可能因电磁吸盘吸力的问题随机掉落部分载荷。这就会对电机控制带来以下问题：

1)启动时溜钩或过冲：尤其是采用直驱电机的方式，负载没有减速箱的缓冲，通过钢丝绳直接传递到电机，负载冲击对开闸瞬间溜钩或过冲的影响更明显；

2)由于电磁吸盘与负载的吸合位置不同，会导致两边负载不一致，那么在运行过程中丢载时，对于电机来说属于负载突变，而且两台电机所受冲击不同，会导致两边瞬时速度不一致，最终导致同步问题，需要协调同步性，消除偏差。

但是，目前传统的由外转子直驱式永磁同步电机构成的电磁挂梁式起重机起升机构，其在解决上述问题时，有的采用激光测距传感器实现同步，但是该方案成本极高；有的通过在抱闸的情况下预测现有负载的方式实现防溜钩或过冲，但是算法实现非常复杂；还有的通过在抱闸时加大力矩直至出现相对运动的趋势的技术方案防止溜钩和过冲，但是该方案会导致制动器开闸时磨损严重，影响制动器寿命。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种成本低廉、控制简单可靠、能够有效防止溜钩和过冲以及实现协调同步的永磁直驱式电磁挂梁吊的起升系统。

本发明的目的之二在于提供一种所述永磁直驱式电磁挂梁吊的起升系统的控制方法。

本发明提供的这种永磁直驱式电磁挂梁吊的起升系统，包括控制器、两台变频器、两台直驱式永磁同步电机及其钢丝绳、两台制动器、电磁挂梁和若干电磁吸盘，控制器通过两台变频器控制两台直驱式永磁同步电机，再通过钢丝绳、电磁挂梁和电磁吸盘提升或下放重物，控制器还与制动器连接，通过控制制动器的启动和关闭从而对电机实行制动，还包括两台编码器；编码器与直驱式永磁同步电机连接，用于获取直驱式永磁同步电机的电机转速和位置信息并上传控制器，控制器用于根据上传的电机转速和位置信息控制两台直驱式永磁同步电机的转速，保证两台电机的同步运行，从而保证电磁挂梁两端的高度差。

所述的编码器为多圈绝对值编码器。

所述的永磁直驱式电磁挂梁吊的起升系统还包括遥控接收器和遥控器；遥控器通过无线通信的方式通过遥控接收器与控制器连接，用于远程对永磁直驱式电磁挂梁吊的起升系统进行控制。

本发明还提供了一种所述永磁直驱式电磁挂梁吊的起升系统的控制方法，包括如下步骤：

S1.永磁直驱式电磁挂梁吊启动，手动完成初始化调平过程，控制器记录初始化调平后两台编码器的初始位置，从而得到两台编码器的位置初始值之差作为初始误差值；

S2.当电磁挂梁吊起升时，控制器根据两个编码器之间的实时差值，单独通过变频器调整两台电机的转速，从而保证电磁挂梁两端的高度差在设定范围内；

S3.当接收到停机指令时，此时控制器发出控制命令使得变频器控制电机减速至零速悬停状态，同时记录当前零速悬停状态下的转矩电流值作为记忆电流，再下发制动器的抱闸指令，保证电磁挂梁吊平稳制动停机；

S4.停机后，当控制器收到运行命令时，在制动器抱闸状态下给速度环一个设定的开闸转速值，且实时检测转矩电流直至转矩电流值上升至步骤S3所述的记忆电流；

S5.当转矩电流值上升至记忆电流时，控制器下发制动器开闸命令，同时将下发给电机的给定转速控制值设置为0，同时将速度环和电流环的控制参数修改为事先设定的开闸控制参数并下发变频器；

S6.变频器以步骤S5给定的参数控制电机运行，直至接收到控制器发出的开闸反馈信号，此时变频器将电机的控制参数重新设置为常规状态下的控制参数，并将电机的控制转速重新设定为控制器下发的给定转速，并控制电机正常运行，从而完成电磁挂梁吊的控制。

步骤S2所述的通过两台变频器调整电机的转速从而保证电磁挂梁两端的高度差，具体为采用如下步骤调节转速：

1)获取两个编码器之间的实时差值，同时根据电机当前的旋转方向和当前的实时差值判断需要降低转速的电机，同时将编码器之间的实时差值换算为高度差；

2)根据如下算式计算需要降低转速的电机的转速调节值：

n＝n_request*k

式中n_request为控制器根据接受到的遥控命令换算的给定转速；n为需要降低转速的电机的转速调节值,即n_request减去n代表最终控制器发送给变频器的给定转速，k为误差调节系数，具体为采用如下规则进行选定：

若高度差小于3cm，则k取值为0；

若3cm≤高度差＜10cm，则k取值为0.2；

若10cm≤高度差＜30cm，则k取值为0.4；

若30cm≤高度差＜50cm，则k取值为0.6；

若50cm≤高度差，则k取值为0.8。

本发明提供的这种永磁直驱式电磁挂梁吊的起升系统及其控制方法，通过编码器获取电磁挂梁吊的平衡信息，并通过全新的控制算法，通过记忆电流的加持以及开闸控制参数的短暂设定，实现了永磁直驱式电磁挂梁吊在起升时或下降时的平稳精准控制，而且实现了永磁直驱式电磁挂梁吊在抱闸和开闸瞬间的平稳过渡运行；此外，本发明成本低廉、控制简单可靠、能够有效防止溜钩和过冲。

附图说明

图1为本发明的起升系统的功能模块图。

图2为本发明的控制方法的方法流程图。

具体实施方式

如图1所示为本发明的起升系统的功能模块图：本发明提供的这种永磁直驱式电磁挂梁吊的起升系统，包括控制器、两台变频器、两台直驱式永磁同步电机及其钢丝绳、两台制动器、电磁挂梁、若干电磁吸盘、两台编码器、遥控接收器和遥控器；控制器通过两台变频器控制两台直驱式永磁同步电机，再通过钢丝绳、电磁挂梁和电磁吸盘提升或下放重物，控制器还与制动器连接，通过控制制动器的启动和关闭从而对电机实行制动，还包括；编码器与直驱式永磁同步电机连接，用于获取直驱式永磁同步电机的电机转速和位置信息并上传控制器，控制器用于根据上传的电机转速和位置信息控制两台直驱式永磁同步电机的转速，保证两台电机的同步运行，从而保证电磁挂梁两端的高度差；遥控器通过无线通信的方式通过遥控接收器与控制器连接，用于远程对永磁直驱式电磁挂梁吊的起升系统进行控制。

在具体应用时，编码器采用多圈绝对值编码器时，控制和使用都比较方便快捷。控制器能够单独控制某一台电机进行单独启动和运行，从而能够方便的进行电磁挂梁吊的调平操作。

如图2所示为本发明的控制方法的方法流程图：所述的永磁直驱式电磁挂梁吊的起升系统的控制方法，包括如下步骤：

S1.永磁直驱式电磁挂梁吊启动，手动完成初始化调平过程，控制器记录初始化调平后两台编码器的初始位置，从而得到两台编码器的位置初始值之差作为初始误差值；

步骤S1所述的手动调平过程只需要在设备的安装调试时调平一次即可，并非每次启动设备时都需要进行手动调平；以后只要电磁挂梁吊的工作机构没有出现严重的不平衡，都不需要进行手动调平；

S2.当电磁挂梁吊起升时，控制器根据两个编码器之间的实时差值，单独通过变频器调整两台电机的转速，从而保证电磁挂梁两端的高度差在设定范围内；

具体应用时，采用如下步骤调节转速：

1)获取两个编码器之间的实时差值，同时根据电机当前的旋转方向和当前的实时差值判断需要降低转速的电机，同时将编码器之间的实时差值换算为高度差；

2)根据如下算式计算需要降低转速的电机的转速调节值：

n＝n_request*k

式中n_request为控制器根据接受到的遥控命令换算的给定转速；n为需要降低转速的电机的转速调节值，即n_request减去n代表最终控制器发送给变频器的给定转速，k为误差调节系数，具体为采用如下规则进行选定：

若高度差小于3cm，则k取值为0；

若3cm≤高度差＜10cm，则k取值为0.2；

若10cm≤高度差＜30cm，则k取值为0.4；

若30cm≤高度差＜50cm，则k取值为0.6；

若50cm≤高度差，则k取值为0.8；

这种方式可以保证：当电磁挂梁吊运行速度快时，n_request值大，调平的调节力度大；电磁挂梁吊两边高度误差大时，k值变大，调平的调节力度大；从而使得无论时高速还是低速，无论误差是大还是小，都有一个比较合理的调节力度，来保证调平过程平稳且快速；

变频器中的算法，可以通过编码器的当前位置值与初始调平位置值的差值、编码器旋转360度电角度对应的位置值增量、编码器的极对数、电机极对数和电机卷筒的直径计算得到电磁挂梁两端的高度差；

S3.当接收到停机指令时，此时控制器发出控制命令使得变频器控制电机减速至零速悬停状态，同时记录当前零速悬停状态下的转矩电流值作为记忆电流，再下发制动器的抱闸指令，保证电磁挂梁吊平稳制动停机；

S4.停机后，当控制器收到运行命令时，在制动器抱闸状态下给速度环一个设定的开闸转速值，且实时检测转矩电流直至转矩电流值上升至步骤S3所述的记忆电流；

S5.当转矩电流值上升至记忆电流时，控制器下发制动器开闸命令，同时将下发给电机的给定转速控制值设置为0，同时将速度环和电流环的控制参数修改为事先设定的开闸控制参数并下发变频器；

所谓的开闸控制参数，其实际上为一组特殊的PI(比例积分)参数，其P值和I值均比正常运行时的PI控制参数要大；因此，在开闸控制参数的控制下，电机具有较高的动态响应过程，使得电机能够快速的响应负载的变化，从而提高电机的动态性能；但是由于开闸控制参数的PI参数的大额数值的特性，使得电机在开闸控制参数的控制下，在稳定工作状态会导致电机的转速和输出电压波动较大，影响作业的平稳性，因此开闸控制参数只适用于短暂的过渡状态的控制；

S6.变频器以步骤S5给定的参数控制电机运行，直至接收到控制器发出的开闸反馈信号，此时变频器将电机的控制参数重新设置为常规状态下的控制参数，并将电机的控制转速重新设定为控制器下发的给定转速，并控制电机正常运行，从而完成电磁挂梁吊的控制。

具体的，在开闸控制参数的作用下，如果电机之前抱闸后没有发生负载改变，即记忆电流和当前开闸后的负载电流相匹配，则开闸过程不会发生下溜或上冲的现象，假如电机之前抱闸后发生过负载变化，如操作者通过电磁吸盘的控制开关进行了加减载荷的操作，由于使用了特殊的PI参数，瞬间的高响应能力加上已经建立的力矩电流作为基础，系统也不会发生严重的溜钩或上冲现象。当变频器收到PLC发出的开闸反馈信号后，将控制参数切换为常规的控制参数，并将给定转速设为PLC开机命令给定的指令转速，控制电机正常运行，从而实现电磁挂梁吊按照给定的遥控信号进行起升或是下降。

此外，本发明采用永磁直驱电机取代传统电机加变速箱的结构形式，噪音小，结构简单，重量轻，故障率低；利用变参数控制，起升时高带宽配合记忆电流实现启动不溜钩，无需考虑负载变化问题，而且对制动器无影响；利用永磁直驱电机外转子直接绕钢丝绳连接电磁挂梁的特点，在没有变速箱、齿轮间隙的前提下，通过两边编码器检测的转子位置信息可以较为准确的计算出电磁挂梁两端的高度差，从而为PLC实现同步控制提供了参考，不额外增加成本，而且能够保证快速平稳的调整。

Claims (3)

1.一种永磁直驱式电磁挂梁吊的起升系统的控制方法，包括如下步骤：

S1. 永磁直驱式电磁挂梁吊启动，手动完成初始化调平过程，控制器记录初始化调平后两台编码器的初始位置，从而得到两台编码器的位置初始值之差作为初始误差值；

S2. 当电磁挂梁吊起升时，控制器根据两个编码器之间的实时差值，单独通过变频器调整两台电机的转速，从而保证电磁挂梁两端的高度差在设定范围内；

S3. 当接收到停机指令时，此时控制器发出控制命令使得变频器控制电机减速至零速悬停状态，同时记录当前零速悬停状态下的转矩电流值作为记忆电流，再下发制动器的抱闸指令，保证电磁挂梁吊平稳制动停机；

S4. 停机后，当控制器收到运行命令时，在制动器抱闸状态下给速度环一个设定的开闸转速值，且实时检测转矩电流直至转矩电流值上升至步骤S3所述的记忆电流；

S5. 当转矩电流值上升至记忆电流时，控制器下发制动器开闸命令，同时将下发给电机的给定转速控制值设置为0，同时将速度环和电流环的控制参数修改为事先设定的开闸控制参数并下发变频器；

S6. 变频器以步骤S5给定的参数控制电机运行，直至接收到控制器发出的开闸反馈信号，此时变频器将电机的控制参数重新设置为常规状态下的控制参数，并将电机的控制转速重新设定为控制器下发的给定转速，并控制电机正常运行，从而完成电磁挂梁吊的控制。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于步骤S1所述的手动完成初始化调平过程只需要在永磁直驱式电磁挂梁吊的安装调试时调平一次。

3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于步骤S2所述的单独通过变频器调整两台电机的转速，具体为采用如下步骤调节转速：

1）获取两个编码器之间的实时差值，同时根据电机当前的旋转方向和当前的实时差值判断需要降低转速的电机，同时将编码器之间的实时差值换算为高度差；

2）根据如下算式计算需要降低转速的电机的转速调节值：

n=n_request*k

式中n_request为控制器根据接受到的遥控命令换算的给定转速；n为需要降低转速的电机的转速调节值，k为误差调节系数，具体为采用如下规则进行选定：

若高度差小于3cm，则k取值为0；

若3cm≤高度差＜10cm，则k取值为0.2；

若10cm≤高度差＜30cm，则k取值为0.4；

若30cm≤高度差＜50cm，则k取值为0.6；

若50cm≤高度差，则k取值为0.8。