CN112436775B - 吊车钢绳消谐控制方法、装置、设备、储存介质及终端 - Google Patents

Abstract

本发明属于吊车防摆技术领域，公开了一种吊车钢绳消谐控制方法、装置、设备、储存介质及终端，根据拉格朗日方程建立二维桥式吊车动力学模型；通过电流来控制输出力矩，通过电机的输出力矩来控制台车受到的牵引力的大小；运用有源滤波技术检测谐波的方法；基于有源滤波技术的消谐控制的设计。本发明提供的基于有源滤波技术的吊车钢绳消谐控制方法，通过运用有源滤波技术来消除重物与钢丝绳的谐振，减小了摆角，达到了快速消谐防摆的效果。同时，本发明能够快速有效地检测出谐波电流，从而有效的抑制钢丝绳与重物之间的谐振，进一步帮助控制器快速精确地实现小车定位，提升防摆性能。

Description

吊车钢绳消谐控制方法、装置、设备、储存介质及终端

技术领域

本发明属于吊车防摆技术领域，尤其涉及一种吊车钢绳消谐控制方法、装置、设备、储存介质及终端。

背景技术

目前，随着我国经济的高速发展，起重机在基础建设类工程中的应用日益增多。起重机是一种典型的欠驱动机电一体化系统，目前被广泛用于货仓、码头、仓库、大型船舶、车间、建筑、厂房等场所搬运物料，是工厂、铁路、港口及其他部口实现物料搬运机械化的重要设备。作为一种重型的工程机械，起重机在物流业、建筑业、冶金业、制造业等领域扮演着极为重要的角色，其主要任务是将货物快而准地搬运至目标位置，并使货物的摆动尽可能小。

起重机的台车和吊具之间通常采用柔性钢绳巧结，一方面减少了起重机的起动载荷，提高了起重机装卸货物的灵活性，降低了系统的功率消耗。但是，另一方面，在小车或大车运行过程中，尤其是在小车或大车起动和制动阶段，由于这种柔性联结结构，小车吊重系统的动态特性和外界干扰等因素的存在，尤其是惯性力和风载荷的存在，集装箱等货物将在竖直面内产生类似单摆的运动，会增大吊重的摇摆程度，増加起重机准确对位、货物快速码放的难度，从而降低系统的工作效率，所以，不能适应现代装卸作业快速化、安全性的要求。人工操作时，有经验的操作人员能够视货物工作空间大小、允许晃动的程度以及起重机的运行情况做出判断，根据吊重移动过程中的摆角大小实时调整小车的运行速度，从而将吊重的偏摆角度(即摆角)控制在较小的范围内。但是这些措施的防摆效果很难达到预期，具体而言，这些措施会存在如下欠缺：1)对工人师傅提出了更高的要求，往往需要他们进行额外的培训以积累相关经验；2)降低了工作效率，防摆效果较差，若摆动发生后紧靠空气阻力减小摆角，那么完成一次吊运的时间大大增加；3)难以准确定位，在负载即将运送至目的地时，往往需要重复调节台车运动；4)安全系数小，频繁发生事故。

因此实现对起重机的精确定位、动态跟踪、过程控制日益重要起来，有助于提高装卸效率，降低运营成本，实现吊车系统的稳定防摆控制、快速准确定位控制，保证人民的生命和财产安全。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)现有技术对工人师傅提出了更高的要求，往往需要他们进行额外的培训以积累相关经验。

(2)现有技术降低了工作效率，防摆效果较差，若摆动发生后紧靠空气阻力减小摆角，那么完成一次吊运的时间大大增加。

(3)现有技术难以准确定位，在负载即将运送至目的地时，往往需要重复调节台车运动；安全系数小，频繁发生事故。

(4)就现有的吊车运行现状而言，因为缺少适用于复杂工业环境的吊车自动控制方法，大多数吊车仍是依靠人工操作，台车的点对点吊运工作及负载的防摆全靠工人师傅的工作经验。为防止出现负载的大幅度摆动，工人师傅一般让台车在很慢的速度下运行；而在吊运过程中，如果产生负载摆动，操作人员往往根据经验采取如下措施：1)从安全性着想，一般会暂停吊运工作，等待负载不再摆动时再次吊运；2)使台车反向运行。但是这些措施的防摆效果很难达到预期。

解决以上问题及缺陷的意义为：

本发明实现桥式吊车系统的稳定防摆控制、快速准确定位控制，将会节省大量的人力资源、大幅度地提高工作效率与经济效益、切实保证了人民生命财产安全。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种吊车钢绳消谐控制方法、装置、设备、储存介质及终端。

本发明是这样实现的，一种基于有源滤波技术的吊车钢绳消谐控制方法，所述基于有源滤波技术的吊车钢绳消谐控制方法包括以下步骤：

步骤一，根据拉格朗日方程建立二维桥式吊车动力学模型；通过电流来控制输出力矩，通过电机的输出力矩来控制台车受到的牵引力的大小。

步骤二，运用有源滤波技术检测谐波的方法。

步骤三，基于有源滤波技术的消谐控制的设计。

进一步，步骤一中，

根据拉格朗日方程建立二维桥式吊车动力学模型：

吊车的动力学模型为：

假设电机的输出转矩为T_m，则根据公式T_m＝F*r，得

其中r为电机轴半径；

进一步，步骤二中，所述运用有源滤波技术检测谐波的方法，包括：

连接电源，通过变频器来控制电机的旋转速度，电机旋转产生一个力矩，通过齿轮箱带动小车前进，小车前进会带动负载运动，重物与钢丝绳发生谐振，产生谐振信号，所述谐振信号通过机械传动传导到电机轴上，并反映到电机的运行力矩上。

钢丝绳上的力矩与电机轴上的力矩是一一对应关系，当钢丝绳上发生谐振时，这个谐振信号会通过台车、齿轮箱传导到电机轴上，使得电机轴产生一个谐振力矩，假设机械臂、齿轮箱等机械设备都是平滑的，则钢丝绳上的谐振力矩与电机轴上的谐振力矩是线性的函数关系，但由于台车运动在不光滑的机械臂上，齿轮箱也不可能完全平整，所以当钢丝绳上的谐振力矩传导到电机轴上，可能存在信号衰减，使得电机轴上的谐振力矩不完全等于钢丝绳上的谐振力矩，存在一个非线性的函数关系：

T_zh＝f(T_eh) (4)

其中，电机轴上的谐振力矩为T_eh，钢丝绳上的谐振力矩为T_zh。

对与一个固定的吊车系统，在电机轴和钢丝绳上各安装一个力矩传感器，通过大量的实验数据将这个函数关系近似拟合出来。

在理想状态下(谐振不存在)，假设给定的电机转速产生的力矩为T_e，带动负载需要的转矩为T_z，则有：

其中，J为转动惯量，n为电机转速。

但在实际情况下，吊物与钢丝绳发生谐振所产生的谐振力矩不可忽略现在要求电机的输出转矩为T_e，但由于谐振的存在，使得电机的实际输出为：

T_eΣ＝T_e+T_eh (6)

式(6)依然满足(5)，则有：

要想使电机的输出转矩仍然为T_e，就需要消除谐振产生的力矩T_eh，则经过消谐控制之后的电机输出转矩为：

T’_eΣ＝T_eΣ-T_eh＝T_e+T_eh-T_eh＝T_e (8)

而实际电机输出的力矩都是通过电流反映的：

T_eΣ＝C_mφi_Σ＝C_mφ(i_T+i_h) (9)

其中，i_T为电枢力矩电流，i_h为谐振产生的谐波电流，C_m为转矩系数。

谐振产生的谐波电流会叠加到电机的运行力矩电流中，利用电流连续不可突变的特性，将电机输出的总力矩通过电流i_∑反馈回系统，其中：

i_Σ＝i_T+i_h (10)

因此，通过测量电机轴上的总力矩，来得到钢丝绳上的总力矩。如果消去电机轴上的谐振，也就能消去钢丝绳上的谐振。

进一步，步骤二中，在电力系统中，采用有源电力滤波器对谐波进行过滤。该滤波器的原理与平常的交流滤波器完全不同，通过产生与补偿谐波形状一致、相位相反的电流，来抵消非线性负荷产生的谐波电流。现在将这种思想运用到控制系统中，当重物与钢丝绳产生谐振时，会产生一个谐振信号，将其视作外部的一种干扰，只需要知道这个干扰信号的相位和幅度，然后可以完全的再现这个干扰信号，使原信号减去这个干扰信号，就可以得到想要的信号成分。

进一步，步骤二中，所述方法需要与a相电网电压u_a同相位的正弦信号sinwt和余弦信号-coswt，它们由一个锁相环和一个正弦、余弦信号发生电路产生。将电机电流i_a、i_b、i_c通过CLARK变换和PARK变换，得出i_d、i_q，再经LPF滤波可得出i_d、i_q的直流分量i_d、i_q。再将id、i_q通过CLARK反变换和PARK反变换，得到基波分量i_a、i_b、i_c，再将i_a、i_b、i_c与i_a、i_b、i_c相减，即可得出i_a、i_b、i_c的谐波分量i_ah、i_bh、i_ch。

通过测量出当前电机轴上的谐振电流i_h(k)，由于电流连续不可突变可导，因而可以预估出下一个采样周期电机轴上的谐振电流i_h(k+1)：

其中，T为电机运动控制的采样周期。

台车运作时是采取矢量控制的，按恒磁通调节，则磁通电流是恒定不变的，所以使电枢电流i_T加上一个与谐振电流大小相等、方向相反的电流，即可以达到消谐防摆的目的：

i’_T(k+1)＝i_T(k+1)+[-i_h(k+1)] (12)

将电机输出的三相电流转换为直轴和交轴电流，并且也需要通过矢量变换将两相旋转电流转换为能够控制PWM的三相电流，所以需要用到矢量变换。

进一步，所述矢量变换控制是基于坐标变换的原则有三条，包括：

1)在不同坐标下产生的磁动势相同；2)变换前后功率不变；3)电流变换矩阵和电压变换矩阵统一；

(1)CLARK变换

在三相静止绕组A,B,C和两相静止绕组α、β之间的变换，或称三相静止坐标系和两相静止坐标系间的变换，称为CLARK变换，简称3/2变换。

取α轴和A轴重合，两套绕组瞬时磁动势在α、β轴上相等。

写成矩阵形式为：

其反变换为：

(2)PARK变换

从两相静止坐标系α、β到两相旋转坐标系d、q的变换称为两相旋转变换，或PARK变换，简称C_2r/2s变换，其中s代表静止，r代表旋转。

i_α、i_β和i_d、i_q之间的关系如下：

写成矩阵形式为：

式中：

则反变换为：

进一步，步骤三中，所述基于有源滤波技术的消谐控制的设计，包括：

当给定一个电机的转速n，则磁通

也随之确定，有：

电枢电流i_T与电枢转矩T_e的关系为：

T_e＝C_eφi_T (20)

磁通电流

与转速n的关系为：

E＝C_eni_φ (21)

先给定一个转速n*和磁通φ*，给定转速n*与电机的实际反馈的转速n_f有一个转速差，通过PI调节器后输出电枢力矩T_e*，并计算出电枢电流i_T*，电枢电流减去反馈的谐波电流就是交轴电流i_q，磁通电流即为直轴电流i_d，i_d、i_q可以经过PARK反变换为两相静止的电流i_α、i_β，接着通过CLARK反变换成三相静止的电流i_a、i_b、i_c，通过PWM来控制IGBT的开断，进而控制电机的转速，电机也会通过电流反馈向系统反馈实际输出的转速，使输出转速接近目标转速；装在电机轴上的绝对值码盘可以测量出钢丝绳的绳长和电机轴上转动的角度，装在钢丝绳末端上的倾角传感器会通过测量出摆动的角度，进而求得摆动的位移和电机轴上的谐振力矩，通过有源滤波装置产生一个与谐振电流大小相等方向相反的电流，通过步骤二中的方法消去了钢丝绳上的谐振。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述的基于有源滤波技术的吊车钢绳消谐控制方法的基于有源滤波技术的吊车钢绳消谐控制装置，所述基于有源滤波技术的吊车钢绳消谐控制装置包括：有源滤波装置、转矩反馈装置、电流反馈装置、PI调节器、CLARK反变换、PARK反变换、PWM、IGBT。

有源滤波装置：基于瞬时无功功率理论来检测出谐波电流，通过产生一个与电机中谐振电流大小相等、方向相反的电流，来抵消电机中的谐振电流

转矩反馈装置：测量出电机轴上的力矩

电流反馈装置：测量出电力轴上的三相电流

PI调节器：一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差，将偏差的比例和积分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。1、比例调节作用:按比例反应系统的偏差,系统一旦出现了偏差,比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。2、积分调节作用:使系统消除稳态误差,提高无误差度。因为有误差,积分调节就进行,直至无差,积分调节停止,积分调节输出一常值。CLARK反变换：从两相静止坐标系α、β到三相静止坐标系a、b、c的变换PARK反变换：从两相旋转坐标系d、q到两相静止坐标系α、β的变换PWM:PWM——脉冲宽度调制技术，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形(含形状和幅值)。脉宽调制(PWM)基本原理：控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次谐波少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。

IGBT:绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，储存有指令，当所述指令在计算机上运行时，使得计算机执行所述的基于有源滤波技术的吊车钢绳消谐控制方法。

本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述的基于有源滤波技术的吊车钢绳消谐控制方法：

本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，其特征在于，所述信息数据处理终端用于实现所述的基于有源滤波技术的吊车钢绳消谐控制方法。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供的基于有源滤波技术的吊车钢绳消谐控制方法，通过运用有源滤波技术来消除重物与钢丝绳的谐振，减小了摆角，达到了快速消谐防摆的效果。本发明能够快速有效地检测出谐波电流，从而有效的抑制钢丝绳与重物之间的谐振，进一步帮助控制器快速精确地实现小车定位，提升防摆性能。

本发明提供的有源滤波装置：基于瞬时无功功率理论来检测出谐波电流，通过产生一个与电机中谐振电流大小相等、方向相反的电流，来抵消电机中的谐振电流转矩反馈装置：测量出电机轴上的力矩电流反馈装置：测量出电力轴上的三相电流PI调节器：一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差，将偏差的比例和积分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。

比例调节作用:按比例反应系统的偏差,系统一旦出现了偏差,比例调节立即产生调节作用用以减少偏差

积分调节作用:使系统消除稳态误差,提高无误差度。因为有误差,积分调节就进行,直至无差,积分调节停止,积分调节输出一常值。

CLARK反变换：从两相静止坐标系α、β到三相静止坐标系a、b、c的变换。

PARK反变换：从两相旋转坐标系d、q到两相静止坐标系α、β的变换。

PWM:PWM——脉冲宽度调制技术，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形(含形状和幅值)。脉宽调制(PWM)基本原理：控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次谐波少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。

IGBT:绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，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这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的基于有源滤波技术的吊车钢绳消谐控制方法流程图。

图2是本发明实施例提供的基于有源滤波技术的吊车钢绳消谐控制方法原理图。

图3是本发明实施例提供的有源滤波器检测谐波电流的原理图。

图4是本发明实施例提供的CLARK变换示意图。

图5是本发明实施例提供的将两个坐标系画在一起的示意图。

图6是本发明实施例提供的基于有源滤波技术的吊车钢绳消谐控制装置原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于有源滤波技术的吊车钢绳消谐控制方法及装置，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的基于有源滤波技术的吊车钢绳消谐控制方法包括以下步骤：

S101，根据拉格朗日方程建立二维桥式吊车动力学模型；通过电流来控制输出力矩，通过电机的输出力矩来控制台车受到的牵引力的大小。

S102，运用有源滤波技术检测谐波的方法。

S103，基于有源滤波技术的消谐控制的设计。

本发明实施例提供的基于有源滤波技术的吊车钢绳消谐控制装置包括：有源滤波装置、转矩反馈装置、电流反馈装置、PI调节器、CLARK反变换、PARK反变换、PWM、IGBT。

下面结合实施例对本发明作进一步描述。

在国家重点研发计划项目“高温熔融金属作业事故预防与控制技术研究”(2017YFC0805100)的资助下，本发明在针对起重机的定位与消摆消谐控制系统的智能化控制问题开展了深入的研究，并通过运用有源滤波技术来消除重物与钢丝绳的谐振，减小了摆角，达到了快速消谐防摆的效果。

本发明实施例提供的基于有源滤波技术的吊车钢绳消谐控制方法原理图如图2所示。其中，M表示台车质量(单位：kg)；m表示吊重质量(单位：kg)；x表示台车位移(单位：m)；l表示钢绳长度(单位：m)；F表示台车受到的牵引力(单位：N)；fl表示台车受到的摩擦力(单位：N)；θ表示负载摆动角度，即一级摆角(单位为：rad)；g表示重力加速度(单位为：N/kg)。

本发明实施例提供的基于有源滤波技术的吊车钢绳消谐控制方法包括：

步骤一：根据拉格朗日方程建立二维桥式吊车动力学模型：

吊车的动力学模型为：

假设电机的输出转矩为T_m，则根据公式T_m＝F*r，得

其中r为电机轴半径；

因此可以通过电机的输出力矩来控制台车受到的牵引力的大小。

而输出力矩都是通过电流反映的，所以可以通过电流来控制输出力矩。

步骤二：运用有源滤波技术检测谐波的方法

连接电源，通过变频器来控制电机的旋转速度，电机旋转产生一个力矩，通过齿轮箱带动小车前进，小车前进会带动负载运动，由于机械臂的不平整、消摆控制以及风、浪等外部干扰，使得重物与钢丝绳发生谐振，会产生一个谐振信号，这个谐振信号会通过机械传动传导到电机轴上，并反映到电机的运行力矩上。

由于钢丝绳和电机之间是机械柔性硬连接的，因而钢丝绳上的力矩与电机轴上的力矩是一一对应关系的，当钢丝绳上发生谐振时，这个谐振信号会通过台车、齿轮箱传导到电机轴上，使得电机轴产生一个谐振力矩，假设机械臂、齿轮箱等机械设备都是平滑的，则钢丝绳上的谐振力矩与电机轴上的谐振力矩是线性的函数关系，但由于台车运动在不光滑的机械臂上，齿轮箱也不可能完全平整，所以当钢丝绳上的谐振力矩传导到电机轴上，可能存在信号衰减，使得电机轴上的谐振力矩不完全等于钢丝绳上的谐振力矩，存在一个非线性的函数关系：

T_zh＝f(T_eh) (1-4)

其中，电机轴上的谐振力矩为T_eh，钢丝绳上的谐振力矩为T_zh。

对与一个固定的吊车系统，可以在电机轴和钢丝绳上各安装一个力矩传感器，通过大量的实验数据将这个函数关系近似拟合出来。

在理想状态下(谐振不存在)，假设给定的电机转速产生的力矩为T_e，带动负载需要的转矩为T_z，则有：

其中，J为转动惯量，n为电机转速。

但在实际情况下，吊物与钢丝绳发生谐振所产生的谐振力矩不可忽略现在要求电机的输出转矩为T_e，但由于谐振的存在，使得电机的实际输出为：

T_eΣ＝T_e+T_eh (1-6)

式(1-6)依然满足(1-5)，则有：

所以要想使电机的输出转矩仍然为T_e，就需要消除谐振产生的力矩T_eh，则经过消谐控制之后的电机输出转矩为：

T’_eΣ＝T_eΣ-T_eh＝T_e+T_eh-T_eh＝T_e (1-8)

而实际电机输出的力矩都是通过电流反映的：

T_eΣ＝C_mφi_Σ＝C_mφ(i_T+i_h) (1-9)

其中，i_T为电枢力矩电流，i_h为谐振产生的谐波电流，C_m为转矩系数。

谐振产生的谐波电流会叠加到电机的运行力矩电流中，可以利用电流连续不可突变的特性，将电机输出的总力矩通过电流i_∑反馈回系统，其中：

i_Σ＝i_T+i_h (1-10)

因此，可以通过测量电机轴上的总力矩，来得到钢丝绳上的总力矩。所以如果消去电机轴上的谐振，也就能消去钢丝绳上的谐振。现在要消去谐振信号，就需要把谐振信号检测出来，以下即为检测谐振信号的方法。

在电力系统中，常采用有源电力滤波器对谐波进行过滤。该滤波器的原理与平常的交流滤波器完全不同，通过产生与补偿谐波形状一致、相位相反的电流，来抵消非线性负荷产生的谐波电流，以保证谐波不会流入公共供电回路。现在将这种思想运用到控制系统中，当重物与钢丝绳产生谐振时，会产生一个谐振信号，将其视作外部的一种干扰，只需要知道这个干扰信号的相位和幅度，然后可以完全的再现这个干扰信号，使原信号减去这个干扰信号，就可以得到想要的信号成分。

有源滤波器检测谐波电流的原理如图3所示。

该方法需要与a相电网电压u_a同相位的正弦信号sinwt和余弦信号-coswt，它们由一个锁相环和一个正弦、余弦信号发生电路产生。将电机电流i_a、i_b、i_c通过CLARK变换和PARK变换，得出i_d、i_q，再经LPF滤波可得出i_d、i_q的直流分量i_d、i_q。再将i_d、i_q通过CLARK反变换和PARK反变换，得到基波分量i_a、i_b、i_c，再将i_a、i_b、i_c与i_a、i_b、i_c相减，即可得出i_a、i_b、i_c的谐波分量i_ah、i_bh、i_ch。

本发明通过测量出当前电机轴上的谐振电流i_h(k)，由于电流连续不可突变可导，因而可以预估出下一个采样周期电机轴上的谐振电流i_h(k+1)：

其中，T为电机运动控制的采样周期。

台车运作时是采取矢量控制的，按恒磁通调节，则磁通电流是恒定不变的，所以使电枢电流i_T加上一个与谐振电流大小相等、方向相反的电流，即可以达到消谐防摆的目的：

i’_T(k+1)＝i_T(k+1)+[-i_h(k+1)] (1-12)

为了方便控制，需要将电机输出的三相电流转换为直轴和交轴电流，并且也需要通过矢量变换将两相旋转电流转换为能够控制PWM的三相电流，所以需要用到矢量变换。

矢量变换控制是基于坐标变换，其原则有三条：

1.在不同坐标下产生的磁动势相同

2.变换前后功率不变

3.电流变换矩阵和电压变换矩阵统一

(1)CLARK变换

在三相静止绕组A,B,C和两相静止绕组α、β之间的变换，或称三相静止坐标系和两相静止坐标系间的变换，称为CLARK变换，简称3/2变换，如图4所示。

取α轴和A轴重合，两套绕组瞬时磁动势在α、β轴上相等。

写成矩阵形式为：

其反变换为：

(2)PARK变换

从两相静止坐标系α、β到两相旋转坐标系d、q的变换称为两相旋转变换，或PARK变换，简称C_2r/2s变换，其中s代表静止，r代表旋转。

把两个坐标系画在一起，即得图5。

如图可知，i_α、i_β和i_d、i_q之间的关系如下：

写成矩阵形式为：

式中：

则反变换为：

步骤二当中详细介绍了如何用电流控制电机的输出转矩，进而控制步骤一当中的吊车模型，使其快速达到防摆消谐的效果，同时也介绍了有源滤波器如何检测出谐振电流，而步骤三则是具体的通过有源滤波达到消谐的方法。

步骤三：基于有源滤波技术的消谐控制的设计

系统原理图如图6所示。

其中，n*为给定转速标幺值，n_f为反馈转速标幺值，T_e*为电枢转矩标幺值，i_T*为电枢电流标幺值，

为磁通标幺值，

为磁通电流标幺值，T_f为反馈转矩，i_f为反馈电流。

当给定一个电机的转速n，则磁通

也随之确定，有：

电枢电流i_T与电枢转矩T_e的关系为：

T_e＝C_eφi_T (1-20)

磁通电流

与转速n的关系为：

E＝C_eni_φ (1-21)

由图6可知，先给定一个转速，与电机的实际转速间有一个转速差，通过PI调节器后输出电枢力矩，电枢电流减去反馈的谐波电流就是直轴电流i_d，磁通电流即为交轴电流i_q，i_d、i_q可以经过PARK反变换为两相静止的电流i_α、i_β，接着通过CLARK反变换成三相静止的电流i_a、i_b、i_c，通过PWM来控制IGBT的开断，进而控制电机的转速，电机也会通过电流反馈向系统反馈实际输出的转速，使输出转速接近目标转速。反馈装置也会将检测出通过有源滤波器的谐波电流，通过步骤二中的方法消去了钢丝绳上的谐振。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘SolidState Disk(SSD))等。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于有源滤波技术的吊车钢绳消谐控制方法，其特征在于，所述基于有源滤波技术的吊车钢绳消谐控制方法包括以下步骤：

根据拉格朗日方程建立二维桥式吊车动力学模型；通过电流控制电机的输出力矩，通过所述电机的输出力矩控制台车受到的牵引力大小；

运用有源滤波技术检测谐波，以及进行消谐；

根据拉格朗日方程建立二维桥式吊车动力学模型：

吊车的动力学模型为：

假设电机的输出转矩为T_m，则根据公式T_m＝F*r，得

其中r为电机轴半径；

所述运用有源滤波技术检测谐波的方法，包括：

连接电源，通过变频器来控制电机的旋转速度，电机旋转产生一个力矩，通过齿轮箱带动小车前进，小车前进会带动负载运动，重物与钢丝绳发生谐振，产生谐振信号，所述谐振信号通过机械传动传导到电机轴上，并反映到电机的运行力矩上；

钢丝绳上的力矩与电机轴上的力矩是一一对应关系，当钢丝绳上发生谐振时，这个谐振信号会通过台车、齿轮箱传导到电机轴上，使得电机轴产生一个谐振力矩，假设机械臂、齿轮箱等机械设备都是平滑的，则钢丝绳上的谐振力矩与电机轴上的谐振力矩是线性的函数关系，但由于台车运动在不光滑的机械臂上，齿轮箱不完全平整，所以当钢丝绳上的谐振力矩传导到电机轴上，存在信号衰减，使得电机轴上的谐振力矩不完全等于钢丝绳上的谐振力矩，存在一个非线性的函数关系：

T_zh＝f(T_eh) (4)

其中，电机轴上的谐振力矩为T_eh，钢丝绳上的谐振力矩为T_zh；

对与一个固定的吊车系统，在电机轴和钢丝绳上各安装力矩传感器，通过实验数据将函数关系拟合出来；

在吊车系统不产生谐振状态下，给定的电机转速产生的力矩为T_e，带动负载转矩为T_z，则有：

其中，J为转动惯量，n为电机转速；

在实际情况下，吊物与钢丝绳发生谐振所产生的谐振力矩在要求电机的输出转矩为T_e，谐振的存在，使电机的实际输出为：

T_eΣ＝T_e+T_eh

则有：

电机的输出转矩仍为T_e，消除谐振产生的力矩T_eh，则经过消谐控制后的电机输出转矩为：

T_e'_Σ＝T_eΣ-T_eh＝T_e+T_eh-T_eh＝T_e

而实际电机输出的力矩都通过电流反映的：

T_eΣ＝C_mφi_Σ＝C_mφ(i_T+i_h)

其中，i_T为电枢力矩电流，i_h为谐振产生的谐波电流，C_m为转矩系数；

谐振产生的谐波电流会叠加到电机的运行力矩电流中，利用电流连续不可突变的特性，将电机输出的总力矩通过电流i_∑反馈回系统，其中：

i_Σ＝i_T+i_h

通过测量电机轴上的总力矩，得到钢丝绳上的总力矩；消去电机轴上的谐振，消去钢丝绳上的谐振；

所述运用有源滤波技术检测谐波的方法，进一步包括：

与a相电网电压u_a同相位的正弦信号sinwt和余弦信号-coswt，由一个锁相环和一个正弦、余弦信号发生电路产生；将电机电流i_a、i_b、i_c通过CLARK变换和PARK变换，得出i_d、i_q，再经LPF滤波得出i_d、i_q的直流分量i_d、i_q；再将i_d、i_q通过CLARK反变换和PARK反变换，得到基波分量i_a、i_b、i_c，再将i_a、i_b、i_c与i_a、i_b、i_c相减，得出i_a、i_b、i_c的谐波分量i_ah、i_bh、i_ch；

通过测量出当前电机轴上的谐振电流i_h(k)，由于电流连续不可突变可导，因而预估出下一个采样周期电机轴上的谐振电流i_h(k+1)：

其中，T为电机运动控制的采样周期；

台车运作时采取矢量控制的，按恒磁通调节，则磁通电流是恒定不变的，所以使电枢电流i_T加上一个与谐振电流大小相等、方向相反的电流，达到消谐防摆的目的：

i'_T(k+1)＝i_T(k+1)+[-i_h(k+1)]

将电机输出的三相电流转换为直轴和交轴电流，并且通过矢量变换将两相旋转电流转换为控制PWM的三相电流，需用矢量变换；

所述基于有源滤波技术的消谐控制，包括：

当给定一个电机的转速n，则磁通Φ也随之确定，有：

电枢电流i_T与电枢转矩T_e的关系为：

T_e＝C_eφi_T

磁通电流

与转速n的关系为：

E＝C_eni_φ

先给定一个转速n*和磁通φ*，给定转速n*与电机的实际反馈的转速n_f有一个转速差，通过PI调节器后输出电枢力矩T_e*，并计算出电枢电流i_T*，电枢电流减去反馈的谐波电流就是交轴电流i_q，磁通电流即为直轴电流i_d，i_d、i_q可以经过PARK反变换为两相静止的电流i_α、i_β，接着通过CLARK反变换成三相静止的电流i_a、i_b、i_c，通过PWM来控制IGBT的开断，进而控制电机的转速，电机也会通过电流反馈向系统反馈实际输出的转速，使输出转速接近目标转速；装在电机轴上的绝对值码盘可以测量出钢丝绳的绳长和电机轴上转动的角度，装在钢丝绳末端上的倾角传感器会通过测量出摆动的角度，进而求得摆动的位移和电机轴上的谐振力矩，通过有源滤波装置产生一个与谐振电流大小相等方向相反的电流，通过步骤二中的方法消去了钢丝绳上的谐振。

2.如权利要求1所述的基于有源滤波技术的吊车钢绳消谐控制方法，其特征在于，所述矢量变换控制是基于坐标变换包括：

CLARK变换：

在三相静止绕组A,B,C和两相静止绕组α、β之间的变换，或称三相静止坐标系和两相静止坐标系间的变换，称为CLARK变换，简称3/2变换；

取α轴和A轴重合，两套绕组瞬时磁动势在α、β轴上相等；

写成矩阵形式为：

反变换为：

PARK变换：

从两相静止坐标系α、β到两相旋转坐标系d、q的变换称为两相旋转变换，或PARK变换，简称C_2r/2s变换，其中s代表静止，r代表旋转；

i_α、i_β和i_d、i_q之间的关系如下：

写成矩阵形式为：

式中：

则反变换为：

3.一种实施如权利要求1～2任意一项所述的基于有源滤波技术的吊车钢绳消谐控制方法的基于有源滤波技术的吊车钢绳消谐控制装置，所述基于有源滤波技术的吊车钢绳消谐控制装置包括：

有源滤波装置，用于基于瞬时无功功率理论来检测出谐波电流，通过产生一个与电机中谐振电流大小相等、方向相反的电流，抵消电机中的谐振电流；

转矩反馈装置，用于测量出电机轴上的力矩；

电流反馈装置：测量出电力轴上的三相电流；

PI调节器，为线性控制器，用于根据给定值与实际输出值构成控制偏差，将偏差的比例和积分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制；

CLARK反变换，用于从两相静止坐标系α、β到三相静止坐标系a、b、c的变换；

PARK反变换，用于从两相旋转坐标系d、q到两相静止坐标系α、β的变换；

PWM，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，等效地获得所需要波形；

IGBT，为绝缘栅双极型晶体管，由BJT和MOS组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，用于MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降。

4.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行权利要求1～2任意一项所述的基于有源滤波技术的吊车钢绳消谐控制方法。

5.一种计算机可读存储介质，储存有指令，当所述指令在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求1～2任意一项所述的基于有源滤波技术的吊车钢绳消谐控制方法。

6.一种信息数据处理终端，其特征在于，所述信息数据处理终端用于实现权利要求1～2任意一项所述的基于有源滤波技术的吊车钢绳消谐控制方法。

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