CN110844788B - 一种塔式起重机回转控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种塔式起重机回转控制系统及其控制方法，其中系统包括：减速驱动机构，用于将获得的驱动转矩传递到塔式起重机大臂，以驱动大臂回转；电动机，用于驱动所述减速驱动机构运转；变频器，用于根据电动机实际运行速度和预设的大臂回转速度估算模型估算大臂回转速度，并根据给定的大臂回转速度和估算的大臂回转速度生成电动机速度指令，以实时调整电动机运行速度，使实际的大臂回转速度跟随给定的大臂回转速度，所述预设的大臂回转速度估算模型为。本发明可使大臂回转速度控制平稳，显著提高了回转系统运行效率和舒适性，无需涡流制动器辅助调速，因此，不仅降低系统成本，并可减少系统故障点，提高系统运行的可靠性和安全性。

Description

一种塔式起重机回转控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及电动机控制技术领域，特别是涉及一种塔式起重机回转控制系统及其控制方法。

背景技术

塔式起重机的回转机构具有塔臂惯性大、塔身扭曲形变和传动机构大减速比等特点，因此容易造成大臂速度超调、振荡；而且由于回转机构存在走走停停、就位不准、停机大臂回弹、所吊重物摇晃等技术问题，因此降低了回转机构的运行效率、舒适性、可靠性和安全性。

目前的塔式起重机的回转控制方案主要包括绕线电动机+液力耦合器控制、力矩电动机RCV(回转控制调压)驱动+涡流控制、普通异步电动机变频驱动+涡流控制。其中，绕线电动机+液力耦合器控制方案存在抗风性能差和液力耦合器容易漏油等问题，已逐步被市场淘汰；力矩电动机RCV驱动+涡流控制方案由于需要采用RCV控制器、涡流制动器、涡流控制模块，力矩电动机的成本约为普通电动机的2倍，且存在防护等级不够，散热性能较差，故此方案存在故障点多、成本高的缺点；普通异步电动机变频驱动+涡流控制方案变频器驱动技术，可实现无极调速，但是普通变频器未考虑普通异步电动机特性较硬和塔机回转机构惯量大且具有一定的回转弹性之间的矛盾，涡流制动器虽然在一定程度可缓解上述矛盾，但在控制稳定性和舒适性等方面还是不理想。然而，此方案目前虽然还存在一些问题，但由于具有无极调速、成本较低的优点，得到了越来越广泛的应用。

针对回转机构普通异步电动机变频驱动存在的上述问题，专利CN109019341A提出了一种塔式起重机回转控制系统及其控制方法：基于塔式起重机回转机构的数学模型估算出大臂的回转速度，并根据给定的大臂回转速度与估算的大臂回转速度调整电动机运行速度。由此可见，大臂回转速度是否估算准确是此控制系统和方法的关键。此专利所用的大臂回转速度估算模型如下：

其中，r₁为回转机构小齿轮半径，r₂为回转机构大齿轮半径，K₁为回转机构减速机的减速比，J_d为大臂惯量，ω_d为大臂回转速度，ω_m为电动机运行速度，s代表微分。

上述公式(1)中涉及的大臂回转速度估算模型未考虑塔身抗扭曲刚度和大臂阻尼系数的影响，会导致大臂回转速度估算错误，进而导致回转机构速度控制不稳定，无法用于实际的塔式起重机回转控制系统。基于公式(1)的估算模型仿真结果如图1所示，图1中上半部分较平直的曲线表示给定的大臂回转速度，上半部分呈波浪状曲线表示实际的大臂回转速度，下半部分的曲线表示估算的大臂回转速度。根据仿真结果可知，由于估算的大臂回转速度无法准确反馈实际的大臂回转速度，从而导致了系统控制错误，进而导致了实际的大臂回转速度出现严重的超调、振荡。

发明内容

本发明为了解决现有技术存在的上述问题，提供了一种塔式起重机回转控制系统及其方法，以解决现有技术的塔式起重机回转机构存在控制不稳定的技术问题，同时具有降低控制系统成本的有益效果。

一种塔式起重机回转控制系统，其系统包括：

减速驱动机构，用于将获得的驱动转矩传递到塔式起重机大臂，以驱动大臂回转；

电动机，用于驱动所述减速驱动机构运转；

变频器，用于根据电动机实际运行速度和预设的大臂回转速度估算模型估算大臂回转速度，并根据给定的大臂回转速度和估算的大臂回转速度生成电动机速度指令，以实时调整电动机运行速度，使实际的大臂回转速度跟随给定的大臂回转速度，所述预设的大臂回转速度估算模型为：

其中，ω_d为估算的大臂回转速度，ω_m为电动机实际运行速度，r₁为塔式起重机的大臂驱动齿轮中的小齿轮的半径，r₂为塔式起重机的大臂驱动齿轮中的大齿轮半径，K₁为减速驱动机构的减速比，K_f为大臂阻尼系数，K_t为塔式起重机的塔身抗扭曲刚度，J_d为大臂惯量，s代表微分。

作为本发明的进一步优选技术方案，所述变频器包括：

大臂回转速度估算模块，用于接收电动机反馈的实际运行速度，并根据电动机实际运行速度和大臂回转速度估算模型进行计算，以获得估算的大臂回转速度；

电机速度调整模块，用于根据估算的大臂回转速度和给定的大臂回转速度实时调整电动机运行速度指令；

电机控制模块，用于根据所述电动机运行速度指令计算电压空间矢量；

电机驱动模块，用于根据所述电压空间矢量生成PWM信号以驱动电动机运行。

作为本发明的进一步优选技术方案，所述系统还包括：

速度指令操作平台，用于根据用户操作指令生成给定的大臂回转速度，并将给定的大臂回转速度传递给变频器。

根据本发明的另一方面，本发明还提供了一种上述任一项所述塔式起重机回转控制系统的控制方法，其方法包括：

S1、根据电动机实际运行速度和预设的大臂回转速度估算模型估算大臂回转速度；

S2、根据给定的大臂回转速度和估算的大臂回转速度生成电动机速度指令，以实时调整电动机运行速度，使实际的大臂回转速度跟随给定的大臂回转速度；

S3、根据所述电动机速度指令生成对应的PWM信号以驱动所述电动机运行，回转至步骤S1；

其中，所述预设的大臂回转速度估算模型为：

其中，ω_d为估算的大臂回转速度，ω_m为电动机实际运行速度，r₁为塔式起重机的大臂驱动齿轮中的小齿轮的半径，r₂为塔式起重机的大臂驱动齿轮中的大齿轮半径，K₁为减速驱动机构的减速比，K_f为大臂阻尼系数，K_t为塔式起重机的塔身抗扭曲刚度，J_d为大臂惯量，s代表微分。

作为本发明的进一步优选技术方案，所述根据电动机实际运行速度和预设的大臂回转速度估算模型估算大臂回转速度，具体包括：

接收电动机反馈的实际运行速度，将电动机实际运行速度和大臂回转速度估算模型进行计算，以获得估算的大臂回转速度。

作为本发明的进一步优选技术方案，所述根据给定的大臂回转速度和估算的大臂回转速度生成电动机速度指令，以实时调整电动机运行速度，使实际的大臂回转速度跟随给定的大臂回转速度，具体包括：

接收由速度指令操作平台所给定的大臂回转速度，并根据所述给定的大臂回转速度和所述估算的大臂回转速度生成实时调整电动机运行速度指令；

根据所述电动机运行速度指令计算出电压空间矢量；

根据所述电压空间矢量生成PWM信号以驱动电动机运行。

本发明提出的一种塔式起重机回转控制系统及其控制方法，通过包括上述技术方案，使得其具有以下有益效果：建立回转系统的数学模型，所提出的大臂回转速度估算模型，考虑了塔身的抗扭曲刚度、大臂的转动惯量和阻尼系数的影响，基于此估算模型可计算出大臂回转速度，利用估算的大臂回转速度与给定的大臂回转速度实时调整电动机运行速度；本发明可使大臂回转速度控制平稳，显著提高了回转系统运行效率和舒适性，无需涡流制动器辅助调速，因此，不仅降低系统成本，并可减少系统故障点，提高系统运行的可靠性和安全性。

附图说明

图1为基于专利CN109019341A的塔式起重机回转控制方法的仿真结果；

图2为本发明的塔式起重机回转控制系统的结构示意图；

图3为本发明的塔式起重机回转控制方法的流程图；

图4为基于本发明的塔式起重机回转控制方法的仿真结果。

图中：101、速度指令操作平台，102、变频器，1021、大臂回转速度估算模块，1022、电机速度调整模块，2023、电机控制模块，1024、电机驱动模块，103、电动机，104、减速驱动机构，105、塔式起重机。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

本发明的塔式起重机回转控制系统，其可用于驱动塔式起重机105的大臂运转，驱动塔式起重机105包括大臂、塔身、大齿轮和小齿轮，大齿轮以塔身的转轴中心为轴心固定设置于塔身外围，大臂连接在塔身上并随塔身转动，小齿轮与大齿轮啮合传动。如图2所示，本实施例的回转控制系统包括：

减速驱动机构104，用于将获得的驱动转矩传递到塔式起重机105大臂的小齿轮，以驱动大臂回转；

电动机103，用于驱动所述减速驱动机构104运转，减速驱动机构104由电动机103的转轴带动运行；

变频器102，变频器102与电动机103连接以控制电动机103运行，同时接收电动机103所反馈的实际运行速度，用于根据电动机103实际运行速度和预设的大臂回转速度估算模型估算大臂回转速度，并根据给定的大臂回转速度和估算的大臂回转速度生成电动机103速度指令，以实时调整电动机103运行速度，使实际的大臂回转速度跟随给定的大臂回转速度；

速度指令操作平台101，用于根据用户操作指令生成给定的大臂回转速度，并将给定的大臂回转速度传递给变频器102。

本实施例中，变频器102采集电动机103的实际运行速度后通过大臂回转速度估算模型估算大臂回转速度，然后将估算的大臂回转速度与给定到变频器102的给定的大臂回转速度实时调整电动机103运行速度指令，电动机103运行速度指令由变频器102输出给电动机103，然后由电动机103带动减速驱动机构104运行，减速驱动机构104再驱动塔式起重机105的大臂运行。

电动机103的实际运行速度可由电动机103上的编码器反馈得到，当然，还可采用其他手段得到电动机103的实际运行速度，在此不做限定，也不做具体阐述。

其中：所述预设的大臂回转速度估算模型为：

其中，ω_d为估算的大臂回转速度，ω_m为电动机103实际运行速度，r₁为塔式起重机105的大臂驱动齿轮中的小齿轮的半径，r₂为塔式起重机105的大臂驱动齿轮中的大齿轮半径，K₁为减速驱动机构104的减速比，K_f为大臂阻尼系数，Kt为塔式起重机105的塔身抗扭曲刚度，J_d为大臂惯量，s代表微分。

上述公式(2)中，该应用于塔式起重机105的大臂回转速度估算模型的具体推导过程如下：

电动机103满足如下计算式：

其中，T_m为电动机103输出力矩，T_mf为传动阻力，J_m为电动机103转动惯量，ω_m为动机103实际运行速度，K₁为减速驱动机构104的减速比。

所述塔式起重机105的大臂驱动齿轮中的小齿轮满足如下计算式：

其中，T₁为塔式起重机105的大臂驱动齿轮中的小齿轮的驱动力矩，T_t为塔身的弹性力矩，ω₁为经过减速比后的电动机103运行速度，r₁为塔式起重机105的大臂驱动齿轮中的小齿轮的半径，r₂为塔式起重机105的大臂驱动齿轮中的大齿轮半径。

所述塔式起重机105的塔身满足如下计算式：

其中，T_t为塔式起重机105的塔身弹性转矩，Kt为塔式起重机105的塔身抗扭曲刚度，

为塔身形变角度。

塔式起重机105的的大臂满足如下计算式：

其中，T_d为塔式起重机105的大臂驱动齿轮中的大齿轮的驱动力矩，K_f为大臂阻尼系数，J_d为大臂惯量，ω_d为大臂旋转角速度。

综合公式(3)-(6)，可推导获得关于ω_d和ω_m的关系如下：

具体推导过程如下：

由公式(4)、(5)得出：

将式(4)代入上式并分解得到：

转换到S域得到：

对上式等号两边同时乘以S，得到：

进一步整理即可得到：

具体实施中，所述变频器102包括：

大臂回转速度估算模块1021，用于接收电动机103反馈的实际运行速度，并根据电动机103实际运行速度和大臂回转速度估算模型进行计算，以获得估算的大臂回转速度；

电机速度调整模块1022，用于根据估算的大臂回转速度和给定的大臂回转速度实时调整电动机103运行速度指令；

电机控制模块1023，用于根据所述电动机103运行速度指令计算电压空间矢量；

电机驱动模块1024，用于根据所述电压空间矢量生成PWM信号以驱动电动机103运行。

其中，变频器102根据电动机103运行速度指令对电动机103进行控制，属于变频器102与电动机103拖动控制领域中的现有技术，此处不再赘述。

本发明提出的一种塔式起重机105回转控制系统，建立了塔式起重机105回转系统的数学模型，所提出的大臂回转速度估算模型，考虑了塔身的抗扭曲刚度、大臂的转动惯量和阻尼系数的影响，基于此估算模型可计算出大臂回转速度，利用估算的大臂回转速度与给定的大臂回转速度实时调整电动机103运行速度；而且本发明可使大臂回转速度控制平稳，显著提高了回转系统运行效率和舒适性，无需涡流制动器辅助调速，因此，不仅降低系统成本，并可减少系统故障点，提高系统运行的可靠性和安全性。

塔式起重机的回转机构由减速驱动机构驱动运行，减速驱动机构由电动机带动，而电动机则由变频器驱动运行，如图3所示，该塔式起重机回转控制系统的控制方法包括：

S1、根据电动机实际运行速度和预设的大臂回转速度估算模型估算大臂回转速度；

S2、根据给定的大臂回转速度和估算的大臂回转速度生成电动机速度指令，以实时调整电动机运行速度，使实际的大臂回转速度跟随给定的大臂回转速度；

S3、根据所述电动机速度指令生成对应的PWM信号以驱动所述电动机运行，回转至步骤S1；

其中：预设的大臂回转速度估算模型为：

其中，ω_d为估算的大臂回转速度，ω_m为电动机实际运行速度，r₁为塔式起重机的大臂驱动齿轮中的小齿轮的半径，r₂为塔式起重机的大臂驱动齿轮中的大齿轮半径，K₁为减速驱动机构的减速比，K_f为大臂阻尼系数，K_t为塔式起重机的塔身抗扭曲刚度，J_d为大臂惯量，s代表微分。

更具体地，实时调整电动机运行速度过程中，变频器根据所述电动机速度指令生成对应的PWM信号以驱动所述电动机运行，同时电动机实际运行速度又反馈回变频器，以对电动机进行闭合控制。

具体实施中，所述根据电动机实际运行速度和预设的大臂回转速度估算模型估算大臂回转速度，具体包括：

接收电动机反馈的实际运行速度，将电动机实际运行速度和大臂回转速度估算模型进行计算，以获得估算的大臂回转速度，电动机反馈的实际运行速度用于反应塔式起重机的转动速度，可通过电动机上的编码器获取电动机实际运行速度，也可通过其他方式获取，在此不做限定。

具体实施中，所述根据给定的大臂回转速度和估算的大臂回转速度生成电动机速度指令，以实时调整电动机运行速度，使实际的大臂回转速度跟随给定的大臂回转速度，具体包括：

接收由速度指令操作平台所给定的大臂回转速度，并根据所述给定的大臂回转速度和所述估算的大臂回转速度生成实时调整电动机运行速度指令；

根据所述电动机运行速度指令计算出电压空间矢量；

根据所述电压空间矢量生成PWM信号以驱动电动机运行。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

基于本专利控制方法的仿真结果，如图4所示，图4中上半部分较平直的曲线表示给定的大臂回转速度，另一条可快速收敛的曲线表示实际的大臂回转速度，下半部分曲线表示估算的大臂回转速度。由图4可知，实际的大臂回转速度能够很好的跟随给定的大臂回转速度，估算的大臂回转速度能够准确地反馈实际的大臂回转速度，整个过程大臂回转速度控制平稳，充分证明了本专利控制方法的正确性和有效性。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种塔式起重机回转控制系统，包括：

减速驱动机构，用于将获得的驱动转矩传递到塔式起重机大臂，以驱动大臂回转；

电动机，用于驱动所述减速驱动机构运转；

变频器，用于根据电动机实际运行速度和预设的大臂回转速度估算模型估算大臂回转速度，并根据给定的大臂回转速度和估算的大臂回转速度生成电动机速度指令，以实时调整电动机运行速度，使实际的大臂回转速度跟随给定的大臂回转速度；

其特征在于，所述预设的大臂回转速度估算模型为：

其中，ω_d为估算的大臂回转速度，ω_m为电动机实际运行速度，r₁为塔式起重机的大臂驱动齿轮中的小齿轮的半径，r₂为塔式起重机的大臂驱动齿轮中的大齿轮半径，K₁为减速驱动机构的减速比，K_f为大臂阻尼系数，K_t为塔式起重机的塔身抗扭曲刚度，J_d为大臂惯量，s代表微分。

2.根据权利要求1所述的一种塔式起重机回转控制系统，其特征在于，所述变频器包括：

大臂回转速度估算模块，用于接收电动机反馈的实际运行速度，并根据电动机实际运行速度和大臂回转速度估算模型进行计算，以获得估算的大臂回转速度；

电机速度调整模块，用于根据估算的大臂回转速度和给定的大臂回转速度实时调整电动机运行速度指令；

电机控制模块，用于根据所述电动机运行速度指令计算电压空间矢量；

电机驱动模块，用于根据所述电压空间矢量生成PWM信号以驱动电动机运行。

3.根据权利要求1或2所述的一种塔式起重机回转控制系统，其特征在于，所述系统还包括：

速度指令操作平台，用于根据用户操作指令生成给定的大臂回转速度，并将给定的大臂回转速度传递给变频器。

4.权利要求1至3任意一项所述塔式起重机回转控制系统的控制方法，其特征在于，包括：

S1、根据电动机实际运行速度和预设的大臂回转速度估算模型估算大臂回转速度；

S2、根据给定的大臂回转速度和估算的大臂回转速度生成电动机速度指令，以实时调整电动机运行速度，使实际的大臂回转速度跟随给定的大臂回转速度；

S3、根据所述电动机速度指令生成对应的PWM信号以驱动所述电动机运行，回转至步骤S1；

其中，所述预设的大臂回转速度估算模型为：

其中，ω_d为估算的大臂回转速度，ω_m为电动机实际运行速度，r₁为塔式起重机的大臂驱动齿轮中的小齿轮的半径，r₂为塔式起重机的大臂驱动齿轮中的大齿轮半径，K₁为减速驱动机构的减速比，K_f为大臂阻尼系数，K_t为塔式起重机的塔身抗扭曲刚度，J_d为大臂惯量，s代表微分。

5.根据权利要求4所述的塔式起重机回转控制系统的控制方法，其特征在于，所述根据电动机实际运行速度和预设的大臂回转速度估算模型估算大臂回转速度，具体包括：

接收电动机反馈的实际运行速度，将电动机实际运行速度和大臂回转速度估算模型进行计算，以获得估算的大臂回转速度。

6.根据权利要求4或5所述的塔式起重机回转控制系统的控制方法，其特征在于，所述根据给定的大臂回转速度和估算的大臂回转速度生成电动机速度指令，以实时调整电动机运行速度，使实际的大臂回转速度跟随给定的大臂回转速度，具体包括：

接收由速度指令操作平台所给定的大臂回转速度，并根据所述给定的大臂回转速度和所述估算的大臂回转速度生成实时调整电动机运行速度指令，

根据所述电动机运行速度指令计算出电压空间矢量，

根据所述电压空间矢量生成PWM信号以驱动电动机运行。

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