CN112061893A - 基于变频器的水管电缆同步收放机控制系统及方法 - Google Patents

基于变频器的水管电缆同步收放机控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于变频器的水管电缆同步收放机控制系统及方法，系统包括变频器驱动系统、主控器以及传感系统；主控器接收传感系统实时采集的收放机的实际转速，计算实际转速Vr和设定转速Vs的差值，通过计算结果控制变频驱动系统的输出转矩。本发明采用变频器直接转矩控制，可设定水管及电缆电机的输出转矩，保证水管和电缆同步运行，并合理分配各自承受的张力，避免了牵拉、碾压水管或电缆的风险，而在液压系统中则无法达到上述要求。本发明始终保证转矩在收盘方向上，大小可以调节，可防止卷盘在无张力下放盘，从而造成的水管或电缆在卷盘上缠绕混乱的现象。

Description

基于变频器的水管电缆同步收放机控制系统及方法
技术领域
本发明涉及一种控制系统及方法，尤其涉及一种基于变频器的水管电缆同步收放机控制系统及方法。
背景技术
为实现灭火机器人到达指定地点灭火目的，电缆和水管卷盘需具有放盘和收盘功能，如1图所示。灭火机器人去灭火地点时，卷盘为放盘状态。从灭火地点返回时，卷盘为收盘状态。同时，为保证收放过程中水管和电缆运行平顺，在卷盘上缠绕有条理，水管和电缆需保持有张力，即水管和电缆卷盘驱动始终保有收盘方向转矩。
现有技术包括以下方案：第一，目前最相近的水管电缆收放机，通过液压马达的液压油流量由阀门开度控制(流量相对固定)。放盘过程中，以阻尼形式产生水管和电缆的张力。收盘过程中，液压马达提供动力进行收管、收缆。第二，磁滞式电缆卷筒，可根据实际工况要求调节输出力矩且具有自制动功能。可与设备的正反转控制系统联动，只要设备运行，卷筒电机即工作，相序不变。电缆卷筒工作中，磁滞联轴器能依据主机设备的运行速度自行调节转速，使电缆卷筒收放电缆的线速度与主机设备的运行速度保持同步状态。
上述方案存在以下问题：磁滞式电缆卷筒，缺点:一是在电缆容量大，主机安装高度高的情况下，为了降低转子温升，提高转子使用寿命，需要采用多头小转矩的设计理念，相对价格较高；二是电缆持续受拉，影响使用寿命和信号传输效果。成本高，效果不佳，目前很少采用。液压卷盘收放机，配套整套液压泵组，成本高，容易漏油，而且不能线性调节流量、速度调节不准确，调试耗时长。适用范围受限，有些使用环境接收液压系统。液压卷盘收放机，无法准确分配水管和卷盘的张力，容易造成单根受力大，如果电缆持续受拉大的拉力，对信号和电力传输安全造成隐患。更有甚者，由于张力偏差过大，导致速度不一致，有水管或电缆被灭火机器人碾压的风险。液压卷盘收放机，无法实现始终保持收盘方向转矩，由于惯性或卷盘重心偏造成的无张力情况下的放盘，容易造成水管和电缆在卷盘上散乱。
发明内容
发明目的：本发明旨在提供一种稳定、高效的基于变频器的水管电缆同步收放机控制系统及方法。
技术方案：本发明的基于变频器的水管电缆同步收放机控制系统，所述收放机包括电缆卷盘和水管卷盘，电缆卷盘和水管卷盘的另一端连接机器人，包括变频器驱动系统、主控器以及传感系统；
所述变频驱动系统包括分别设于电缆卷盘和水管卷盘的相同电机和相同变频器，用于根据主控器的输入信号控制电缆卷盘和水管卷盘的转矩；
所述传感系统，用于实时采集收放机电缆卷盘和水管卷盘的实际转速Vr；
所述主控器，主控器接收传感系统实时采集的收放机的实际转速，计算实际转速Vr和设定转速Vs的差值，通过计算结果控制变频驱动系统的输出转矩。
所述主控器内存储设定的边界参数，所述边界参数为最大输出转矩和最小输出转矩，输出转矩不超过该边界。
还包括通信模块和终端；所述通信模块，用于实时读取传感系统收集的电机转速，实时设定电机输出转矩，或者通过硬接线方式读取及设定，还用于主控器和终端之间的通信；所述终端，用于显示实际转速，设置设定转速，并通过通信模块控制主控器，控制机器人动作。
本发明的基于变频器的水管电缆同步收放机控制方法，基于上述的基于变频器的水管电缆同步收放机控制系统，包括以下步骤：
(1)放盘过程：
设定Vs为正值，初始状态时，刚启动收放机放盘，此时Vr为零，Vs与Vr的差等于Vs，控制收放机的输出转矩保持最小放盘输出转矩Mminf；
在输出转矩作用下，实际转速增加，Vs与Vr的差逐渐减小，在此过程中，输出转矩也随该差值呈线性增加，该线性曲线的端点值为(Vs,Mminf)和(0,Mminf)，线性曲线可以为直线，也可以为其他曲线，根据实际转矩变化需要选取；
当Vs与Vr的差等于零时，输出转矩保持最大放盘输出转矩Mmaxf；
(2)收盘过程：
设定Vs'为负值，初始状态时，刚启动收放机收盘，此时Vr为零，Vs'与Vr的差等于Vs'，控制收放机的输出转矩保持最大收盘输出转矩Mmaxs；
在输出转矩作用下，实际转速增加，Vs'与Vr的差逐渐减小，在此过程中，输出转矩也随该差值呈线性减小，该线性曲线的端点值为(0,Mminf)和(Vs',Mminf)，线性曲线可以为直线，也可以为其他曲线，根据实际转矩变化需要选取；
当Vs与Vr的差等于零时，输出转矩保持最小收盘输出转矩Mmins。
当放盘或收盘过程停止时，电缆和水管的另一端停止拖拽，主控器控制驱动系统输出张紧转矩，该转矩小于最小放盘输出转矩Mminf。
所述放盘、收盘过程包括如以下步骤所示的调节方法：
(a)加快放盘、收盘速度，或增大电缆、水管张力：增加最大收盘输出转矩和最小收盘输出转矩的设定值，且线性曲线随之上移；
(b)减慢放盘、收盘速度，或减小电缆、水管张力：降低最大收盘输出转矩和最小收盘输出转矩的设定值，且线性曲线随之上移。
所述水管和电缆的收盘、放盘过程速度因环境影响不一致时，主控器控制驱动系统采用该调节方法，调节电缆卷盘或水管卷盘的输出转矩。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：
1、本发明采用变频器驱动系统，代替液压系统，取消了液压泵站及液压马达，降低了设备复杂度和成本，扩大了收放机的使用范围(如不适于液压系统应用的环境)；
2、采用具有直接转矩控制功能的变频器，并提出了变频器转矩控制策略。放卷盘所需阻尼，以及收卷盘时所需的动力，均由控制变频器的输出转矩产生。
实现了完全替代液压系统；
3、采用变频器直接转矩控制，可设定水管及电缆电机的输出转矩，保证水管和电缆同步运行，并合理分配各自承受的张力，避免了牵拉、碾压水管或电缆的风险，而在液压系统中则无法达到上述要求。
4、采用变频器直接转矩控制，始终保证转矩在收盘方向上，大小可以调节，可防止卷盘在无张力下放盘，从而造成的水管或电缆在卷盘上缠绕混乱的现象。
附图说明
图1为收放机的结构示意图
图2为本发明的结构示意图；
图3为本发明放盘过程转速与输出转矩的关系图；
图4为本发明收盘过程转速与输出转矩的关系图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图2所示，收放机包括电缆卷盘和/或水管卷盘2，电缆卷盘、水管卷盘的另一端连接机器人1，水管、电缆卷盘分别配有水管和电缆的驱动电机4，采用变频电机。每个电机由变频器3驱动，变频器采用具有直接转矩控制功能，允许电机堵转运行。主控器为控制核心部分，在放盘和收盘过程中，实时读取各变频器的电机实际转速Vr，并计算产生相应的输出转矩。在其他实施例中，收放机可以设有一个水管或电缆卷盘，或者为多个水管或电缆卷盘的组合，均适用本发明的控制系统。
如图3、4所示，本实施例以线性曲线为直线为例，具体控制方法如下：
(一)放盘过程
放盘时输出转矩设定值计算方法如图3，取放盘方向为速度的正方向，收盘方向为转矩的正方向。
启动放盘时，设定转速Vs为放盘方向，为正。实际转速Vr为零。(Vs-Vr)为正值，变频器输出收盘方向的最小放盘输出转矩Mminf，此处取总额定转矩的25％，为水管和电缆提供张力。
随着Vr升速，Vr为正值，(Vs-Vr)的值沿负方向下降，输出转矩呈线性上升。直至与小车的拉力平衡后，Vs-Vr＝0，维持最大放盘输出转矩Mmaxf稳定运行。
停止放盘时，机器人1停止拖拽，Vr下降，(Vs-Vr)增大直至为正数，输出转矩下降，但维持收盘方向。Vr将至零附近时，则主控器退出放盘输出转矩设定值计算曲线，仅维持收盘方向的很小的转矩，记为放盘张紧转矩，可取总转矩的5％。维持静止的张力，防止卷盘无张力放盘。
本例中，放盘时，水管和电缆卷盘的输出转矩设定值计算曲线，采用相同的曲线。放盘过程中，主控器实时分别从各自变频器中读取转速，并计算出各自的输出转矩设定值。如水管和电缆实际转速不一致，则速度大的将承受更大的收盘方向转矩，从而降低转速。合理分配水管和电缆的张力。
调节放盘速度方法：1、加快放盘速度。沿纵坐标向下平移计算曲线，则相同转速下，输出收盘转矩减小，放盘速度上升。2、减慢放盘速度。沿纵坐标向上平移计算曲线，则相同转速下，输出收盘转矩增大，放盘速度下降。
调节水管和电缆张力大小的方法：需加大张力的，沿纵坐标向上平移计算曲线，需减小张力的，沿纵坐标向下平移计算曲线。但两者转矩之和，需保持不变。
(二)收盘过程
收盘时输出转矩设定值计算方法如图4，取放盘方向为速度的正方向，收盘方向为转矩的正方向。
启动收盘时，设定转速Vs为收盘方向，为负。实际转速Vr为零。(Vs-Vr)为负值，变频器输出收盘方向的最大收盘输出转矩Mmaxs，总转矩的100％，方向为收盘方向，为正。同时，机器人向收盘方向回撤，收盘开始。
随着，Vr升速，Vr为负值，(Vs-Vr)的值沿正方向上升，输出转矩呈线性下降。直至与水管和电缆拉力平衡后，即Vs-Vr＝0，维持最小收盘输出转矩Mmins稳定运行。
停止收盘时，机器人停车，Vr降速，(Vs-Vr)的值沿负方向增大，输出转矩上升，直至总转矩的100％。Vr将至零附近时，则主控器退出收盘输出转矩设定值计算曲线，仅维持收盘方向的很小的转矩，总转矩的5％。维持静止的张力，防止卷盘无张力放盘。
本例中，收盘时，水管和电缆卷盘的输出转矩设定值计算曲线，采用相同的曲线。收盘过程中，主控器实时分别从各自变频器中读取转速，并计算出各自的输出转矩设定值。如水管和电缆实际转速不一致，则速度大的将承受更小的收盘方向转矩，从而降低转速。合理分配水管和电缆的张力。
调节放盘速度方法：1、加快方向收盘速度。沿纵坐标向上平移线性曲线，则相同转速下，输出收盘转矩加大，收盘速度上升。2、减慢放盘速度。沿纵坐标向下平移计算曲线，则相同转速下，输出收盘转矩减小，放盘速度下降。
调节水管和电缆张力大小的方法：需加大张力的，沿纵坐标向上平移线性曲线，需减小张力的，沿纵坐标向下平移计算曲线。但两者转矩之和，需保持不变。

Claims (7)

1.一种基于变频器的水管电缆同步收放机控制系统，所述收放机包括电缆卷盘和/或水管卷盘，电缆卷盘、水管卷盘的另一端连接机器人，其特征在于，包括变频器驱动系统、主控器以及传感系统；
所述变频驱动系统包括分别设于电缆卷盘和/或水管卷盘的电机和变频器，用于根据主控器的输入信号控制电缆卷盘和水管卷盘的转矩；
所述传感系统，用于实时采集收放机电缆卷盘和水管卷盘的实际转速Vr；
所述主控器，主控器接收传感系统实时采集的收放机的实际转速，计算实际转速Vr和设定转速Vs的差值，通过计算结果控制变频驱动系统的输出转矩。
2.根据权利要求1所述的基于变频器的水管电缆同步收放机控制系统，其特征在于，所述主控器内存储设定的边界参数，所述边界参数为最大输出转矩和最小输出转矩，输出转矩不超过该边界。
3.根据权利要求1所述的基于变频器的水管电缆同步收放机控制系统，其特征在于，还包括通信模块和终端；所述通信模块，用于实时读取传感系统收集的电机转速，实时设定电机输出转矩，或者通过硬接线方式读取及设定，还用于主控器和终端之间的通信；所述终端，用于显示实际转速，设置设定转速，并通过通信模块控制主控器，控制机器人动作。
4.一种基于变频器的水管电缆同步收放机控制方法，其特征在于，基于权利要求1～3任一项所述的基于变频器的水管电缆同步收放机控制系统，包括以下步骤：
(1)放盘过程：
设定Vs为正值，初始状态时，刚启动收放机放盘，此时Vr为零，Vs与Vr的差等于Vs，控制收放机的输出转矩保持最小放盘输出转矩Mminf；
在输出转矩作用下，实际转速增加，Vs与Vr的差逐渐减小，在此过程中，输出转矩也随该差值呈线性增加，该线性曲线的端点值为(Vs,Mminf)和(0,Mminf)；
当Vs与Vr的差等于零时，输出转矩保持最大放盘输出转矩Mmaxf；
(2)收盘过程：
设定Vs'为负值，初始状态时，刚启动收放机收盘，此时Vr为零，Vs'与Vr的差等于Vs'，控制收放机的输出转矩保持最大收盘输出转矩Mmaxs；
在输出转矩作用下，实际转速增加，Vs'与Vr的差逐渐减小，在此过程中，输出转矩也随该差值呈线性减小，该线性曲线的端点值为(0,Mminf)和(Vs',Mminf)；
当Vs与Vr的差等于零时，输出转矩保持最小收盘输出转矩Mmins。
5.根据权利要求4所述的基于变频器的水管电缆同步收放机控制方法，其特征在于，当放盘或收盘过程停止时，电缆和水管的另一端停止拖拽，主控器控制驱动系统输出张紧转矩，该转矩小于最小放盘输出转矩Mminf。
6.根据权利要求4所述的基于变频器的水管电缆同步收放机控制方法，其特征在于，所述放盘、收盘过程包括如以下步骤所示的调节方法：
(a)加快放盘、收盘速度，或增大电缆、水管张力：增加最大收盘输出转矩和最小收盘输出转矩的设定值，且线性曲线随之上移；
(b)减慢放盘、收盘速度，或减小电缆、水管张力：降低最大收盘输出转矩和最小收盘输出转矩的设定值，且线性曲线随之上移。
7.根据权利要求6所述的基于变频器的水管电缆同步收放机控制方法，其特征在于，所述水管和电缆的收盘、放盘过程速度因环境影响不一致时，主控器控制驱动系统采用该调节方法，调节电缆卷盘或水管卷盘的输出转矩。
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