CN110844783A - 一种桥式起重机自行小车制动控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工业技术领域的桥式起重机自行小车制动控制系统及其控制方法，系统包括外部信号采集模块、控制器模块、制动力调节器、制动执行器和系统状态指示模块；增加摆角传感器和轮速传感器，将制动控制与驱动控制集成，以解决自行小车运行过程中由于货物摆动引起的停车时间长、定位精度低，同时解决紧急制动过程中，受雨、雪恶劣天气影响导致钢轨附着系数的变化，引起车轮抱死出现打滑的问题，弥补现有技术针对自行小车在消摆、定位和防抱死制动控制方面考虑不足的缺陷。

Description

一种桥式起重机自行小车制动控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及工业技术领域，特别是涉及一种桥式起重机自行小车制动控制系统及其控制方法。

背景技术

桥式起重机广泛应用于港口及工厂搬用大型货物或工件，可极大减轻劳动强度，提高劳动生产率。其中，自行小车是桥式起重机的重要组成部分，根据其运动形式可分为牵引式和自行式两种；相比于牵引式小车，自行式小车具有绳索、滑轮用量少，定位精准的特点，较多地应用于自动化码头等自动化程度要求较高的起重场所。但是，由于自行式小车常常配备有庞大地机房和起升机构，导致其自重较大；且由于无绳索牵引，在制动的时候，特别是雨、雪等恶劣天气下，常常会出现车轮抱死滑行的现象，当小车抱死滑动时，小车车轮和钢轨的摩擦会产生极高的温度，造成车轮磨损严重，存在较大安全隐患。此外，在吊车运行过程中，特别是启动和停车时，由于加速度的突变导致重物摆动，一方面将导致吊车停车时间过长，降低工作效率；另一方面将影响吊装工件定位或安装质量，严重者甚至引发事故。

如何使自行小车平稳启动和停车，并尽量减小运输过程中的货物摆动，且在制动和紧急停车时不发生抱死滑动，是桥式起重机自行小车在设计中存在的技术难题。

起重机小车制动部分所用的制动器一般为常闭式制动器。传统常闭式制动器只有开启和关闭两种状态，制动中间过程不可控。上海振华重工集团股份有限公司、同济大学机械学院、江西华伍制动器和新时达电气公司组成的研发小组利用变频、电子调压及计算机技术，对传统常闭式制动器进行智能化改造，研发出制动过程可控的智能型制动器。为了减小货物在运输过程中的摆动，国内外学者针对性的提出了多种控制方法，包括自适应跟踪控制、模糊滑膜控制及神经网络控制等方法，对自行小车进行定位和消摆控制。但是，上述控制方法或者控制器均是基于电机的驱动力调节进行控制的，控制效果有限，且由于电机属于驱动装置，同时完成驱动力和制动力调节则效果受限。目前，针对桥式起重机自行小车货物摆动问题均是通过电机驱动力控制实现防摆控制，将制动控制与驱动控制相结合进行消摆控制，并能够对自行小车进行精确定位和防抱死制动控制，目前尚未查询到相关技术。

发明内容

本发明提供了一种桥式起重机自行小车制动控制系统及其控制方法，增加摆角传感器和轮速传感器，将制动控制与驱动控制集成，以解决自行小车运行过程中由于货物摆动引起的停车时间长、定位精度低，同时解决紧急制动过程中，受雨、雪恶劣天气影响导致钢轨附着系数的变化，引起车轮抱死出现打滑的问题，弥补现有技术针对自行小车在消摆、定位和防抱死制动控制方面考虑不足的缺陷。

本发明所采用的技术方案是：一种桥式起重机自行式小车制动控制系统，包括外部信号采集模块、控制器模块、制动力调节器、制动执行器及系统状态指示模块。外部信号采集模块主要用于摆角及轮速信号采集，摆角采集通过安装在吊索上的转角编码器监测重物的实时摆角；轮速采集模块由轮速传感器、传感器夹持套及齿圈组成，并安装在车轮的转动轴附近，采集当前轮速；控制器模块是控制系统的核心部件，用于信号采集、逻辑运算、信号输出等，可根据当前的重物摆动状态以及自行小车的运行状态，通过制动调节摩擦阻力或向驱动电机发出降扭请求，从而实现制动力与驱动力的合理匹配，达到消摆和防抱死的最佳制动力平衡；制动执行器根据制动调节器的信号输出，实时改变制动液压力，调整自行小车的制动状态，利用制动状态的变化对摩檫力进行补偿，同时，通过调节制动力，可使自行小车的滑移率始终处于最佳制动效率区间，避免车轮抱死，提高车辆定位精度；系统状态指示模块则实时指示当前系统是否正常或故障，且故障时能够指示故障原因，并报警提醒技术人员进行维护和维修。

其中，控制器模块包含微控制器单元（MCU）、ADC采样模块、电源模块、轮速信号处理模块、摆角信号处理模块、防反电路、制动力调节模块、报警模块、开关模块、通讯模块及端子接口，防反电路用于避免电源接反造成的电路损伤，输入电源经过防反电路输出到电源模块；电源模块为系统提供各种电压，连接制动力调节模块、轮速信号处理模块以及MCU，MCU为控制器模块的核心运算单元，用于采集外部信号并运算后输出控制指令；制动力调节模块用于实现对制动力调节器的逻辑控制，轮速信号处理模块处理轮速传感器采集到的数据并将处理后的数据传递给MCU；MCU连接制动力调节模块、通讯模块、报警模块，报警模块用于控制报警灯或蜂鸣器等进行状态提醒，通讯模块为CAN总线，用于实现系统内部和外部之间的信息交互；ADC采集模块用于监测各模块的供电电压状态、信号的采集与转换，开关模块用于检测并处理各个开关信号，MCU通过ADC采集模块分别与电源模块、报警模块、开关模块、轮速信号处理模块、摆角信号处理模块连接；摆角信号处理模块实时监测重物的摆角并传递给MCU；端子接口与轮速处理模块、摆角信号处理模块、报警模块、开关模块、通讯模块、制动力调节模块直接连接，控制系统通过端子接口经线束与外部其他硬件连接，可实现外部信息的输入与控制器指令的输出，实现自行式小车制动状态的实时监测与调整。

上述的桥式起重机自行小车制动控制系统控制方法，具体包括以下步骤：

步骤一，重物摆角监测

根据角度编码器实时监测到的重物当前摆角状态，基于内置吊车模型及稳定性控制策略，制动控制系统实时调节制动力和驱动力的分配比例。

步骤二，自行小车制动状态识别

采集并解析当前轮速信号，计算车速和轮速差得到自行小车的当前滑移率，并与内部设定值滑移率阈值进行比较；判断车辆是否出现抱死或存在抱死趋势，然后确定当前可输出的制动力，控制器根据实时制动力输出，动态调整驱动力矩；

步骤三，制动力、驱动力调节

当制动力确定后，根据制动力和驱动力分配策略，实时请求不同的驱动力矩输出，满足自行小车抗摆和防抱死需求。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、可实时监测重物的摆动状态，避免重物摆幅过大引发事故；

2、可实时监测车轮转速，实现制动过程的实时监测，保障制动安全性与平稳性；

3、将制动控制与驱动控制集成，增加制动控制器，可实时补偿摩擦阻力并调节驱动力，实现更高效的防摆控制，提升系统稳定性；通过监测制动过程中车辆滑移率，实时调整制动器输出制动力的大小，使滑移率保持在最佳制动滑移率区间，提高自行小车的制动效率，且可避免抱死过程中产生的高温、噪声等不良影响，增加自行小车车轮及制动系统寿命；通过制动、驱动集成，可同步实现消摆、定位及防抱死功能，提升系统可靠性及稳定性。

4、利用控制器内置CAN网络和外部系统通信，可实时监测自行小车运行状态，实现远程监测和管理，并可进行故障提示和报警，提升工厂智能化。

附图说明

图1为本发明的系统结构原理图；

图2为本发明的系统控制器结构原理图；

图3为本发明的系统制动控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

如图1所示的一种桥式起重机自行小车制动控制系统，包括外部信号采集模块、控制器模块、制动力调节器、制动执行器和系统状态指示模块；控制器模块集成制动控制模块与驱动控制模块，分别与外部信号采集模块、制动力调节器及系统状态指示模块相连接；制动执行器与制动力调节器相连，实时改变制动液压力，调整自行小车的制动状态；外部信号采集模块包括转角编码器和轮速传感器，转角编码器安装在吊索上，轮速传感器安装在车轮的转动轴附近。

如图2所示，桥式起重机自行小车制动控制系统控制器模块包含微控制器单元（MCU）、ADC采样模块、电源模块、轮速信号处理模块、摆角信号处理模块、防反电路、制动力调节模块、报警模块、开关模块、通讯模块及端子接口，输入电源经过防反电路输出到电源模块；电源模块连接制动力调节模块、轮速信号处理模块以及MCU；MCU连接制动力调节模块、通讯模块、报警模块，MCU通过ADC采集模块分别与电源模块、报警模块、开关模块、轮速信号处理模块、摆角信号处理模块连接；端子接口与轮速处理模块、摆角信号处理模块、报警模块、开关模块、通讯模块、制动力调节模块直接连接，控制系统通过端子接口经线束与外部其他硬件连接。

桥式起重机自行小车制动控制系统在实施过程中的控制方法如图3所示，可具化为：重物摆角监测、自行小车制动状态识别和制动力、驱动扭调节，具体实施过程如下。

（1）重物摆角监测

自行小车运行过程中，为保障其平稳运行并实现精确定位，需防止重物产生过大摆幅。制动控制器利用角度编码器，实时监测并计算当前重物摆角，根据当前重物摆角及系统运行状态，MCU以内置吊车系统模型及抗摆控制策略为依据，对驱动力和制动力进行分配。

（2）自行小车制动状态识别

小车状态的分析涉及到的主要部件为轮速传感器和嵌入式控制器ECU。安装在车轮上的轮速传感器不断采集轮速信号，并将轮速信号发送给控制器ECU进行解析，ECU通过解析当前轮速信号，计算车速和轮速差得到自行小车的当前滑移率，并与内部设定值滑移率阈值进行比较，判断车辆是否出现抱死或存在抱死趋势，然后确定当前可输出的制动力，控制器根据实时制动力输出，动态调整驱动力矩。

（3）制动力、驱动力调节

制动力和驱动力的调节涉及到的主要部件为驱动电机或电机控制器、制动力调节部件和常闭式制动器。起重机上采用的常闭式制动器有电液推杆式和电磁式两种。对于确定型号的电液推杆，推杆输出力与电机转速存在一定的函数关系，而电机转速与电机的输入频率相对应，因此，针对特定的制动力需求，利用ECU驱动变频器，并调节控制频率来控制输出制动力的大小；当制动力确定后，根据制动力和驱动力分配策略，实时请求不同的驱动力矩输出，满足自行小车抗摆和防抱死需求。

针对电磁常闭式制动器线圈，通电时产生磁力吸合“衔铁”片，制动器处于接合状态；线圈断电时“衔铁”弹回，制动器处于分离状态。利用该特性，通过对电磁线圈高速开关调节电磁力。具体地，通过控制开闭时间及开闭占空比来实现制动器制动力矩的可调、可控，因此利用ECU的控制信号，驱动直流调速器，驱动执行器控制制动器动作，使制动力每次调整一个合适的量，从而在保证制动过程滑移率在合理的阈值区间，从而防止车轮抱死；此时，驱动电机则适时的调整对应的驱动扭矩，从而对重物实施摆动控制，同时提升制动过程的稳定性，减少摩擦发热及噪声等不良影响。

以下是一种桥式起重机自行式小车制动控制系统实施流程的详细描述：

（1） 自行小车在运行过程中，安装在吊绳上的角度编码器实时的将重物当前摆角状态发送至制动控制器，制动控制器基于内置吊车模型及稳定性控制策略，实时调节制动力和驱动力的分配比例，以减小重物的摆动幅度；

（2） 制动力调节器根据制动控制器请求，施加请求的制动力。此时，安装在车轮上的轮速传感器不断采集轮速信号，并将轮速信号发送给控制器ECU进行解析，ECU通过解析当前轮速信号，计算车速和轮速差得到自行小车的当前滑移率，并与内部设定值滑移率阈值进行比较，判断车辆是否出现抱死或存在抱死趋势；

（3） 当ECU检测到滑移率超出设定滑移率阈值时，说明车轮开始抱死或存在抱死趋势，此时ECU发出控制信号，驱动制动执行器减小制动力输出，防止车轮抱死；由于制动力的减小，制动强度减小导致车轮的滑移率持续下降达不到制动意图，制动器控制器ECU检测到滑移率小于设定滑移率下限值时，再次输出控制信号驱动执行器增加制动力输出，使车轮再次制动；ECU重复上述检测-调节-反馈过程，调节滑移率始终处在设定的最佳滑移区间，根据最佳滑移率确定最佳制动力输出后，制动控制器根据当前实际制动力调节电机驱动力矩。

（4） 制动控制器监测当前重物摆动状态是否满足抗摆需求，如果满足则维持当前制动力和驱动力状态，否则再次进行制动力和驱动力分配，并实时进行调节，直至自动小车达到控制预期，从而实现消摆、定位和防抱死的综合控制目标，保障自行小车的平稳、安全运行。

Claims (4)

1.一种桥式起重机自行小车制动控制系统，其特征在于：包括外部信号采集模块、控制器模块、制动力调节器、制动执行器和系统状态指示模块；所述控制器模块集成制动控制模块与驱动控制模块，与所述外部信号采集模块、制动力调节器及系统状态指示模块相连接；所述制动执行器与制动力调节器相连，实时改变制动液压力，调整自行小车的制动状态；所述外部信号采集模块包括转角编码器和轮速传感器，所述转角编码器安装在吊索上，所述轮速传感器安装在车轮的转动轴附近。

2.根据权利要求1所述的桥式起重机自行小车制动控制系统，其特征在于：所述控制器模块包含微控制器单元（MCU）、ADC采样模块、电源模块、轮速信号处理模块、摆角信号处理模块、防反电路、制动力调节模块、报警模块、开关模块、通讯模块及端子接口，输入电源经过防反电路输出到电源模块；所述电源模块连接制动力调节模块、轮速信号处理模块以及MCU；所述MCU连接制动力调节模块、通讯模块、报警模块，所述MCU通过ADC采集模块分别与电源模块、报警模块、开关模块、轮速信号处理模块、摆角信号处理模块连接；所述端子接口与轮速处理模块、摆角信号处理模块、报警模块、开关模块、通讯模块、制动力调节模块直接连接，控制系统通过端子接口经线束与外部其他硬件连接。

3.根据权利要求2所述的桥式起重机自行小车制动控制系统，其特征在于：所述通讯模块为CAN总线。

4.一种桥式起重机自行小车制动控制系统控制方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤一，重物摆角监测

根据角度编码器实时监测重物当前摆角状态，基于内置吊车模型及稳定性控制策略，制动控制系统实时调节制动力和驱动力分配比例；

步骤二，自行小车制动状态识别

采集并解析当前轮速信号，计算车速和轮速差，得到自行小车当前滑移率，并与内部设定值滑移率阈值进行比较；判断车辆是否出现抱死或存在抱死趋势，然后确定当前可输出的制动力，制动控制系统根据实时制动力输出，动态调整驱动力矩；

步骤三，制动力、驱动力调节

当制动力确定后，根据制动力和驱动力分配策略，基于重物消摆控制需求，实时请求不同的驱动力矩输出，满足自行小车抗摆和防抱死需求。

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