CN113014176B - 一种塔式起重机回转机构控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种塔式起重机回转机构控制方法及系统，其中方法包括：根据电机目标速度和电机加减速时间计算得到电机给定速度；根据电机三相电流计算得到电机转矩电流，并将电机转矩电流进行低通滤波计算得到电机转矩电流；根据电机转矩电流计算得到电机调整速度；根据电机给定速度与电机调整速度之和计算得到电机实际给定速度；根据电机实际给定速度实时调整电机运行速度，以实时调整塔式起重机大臂的回转速度。本发明通过实时调整电机运行速度以抑制塔身形变振荡，防止了大臂回转速度超调和振荡，可使大臂回转速度控制平稳，从而显著提高了回转系统舒适性、可靠性、安全性和运行效率；且本发明不依赖回转系统控制模型参数，算法鲁棒性强，适用性好。

Description

一种塔式起重机回转机构控制方法及系统

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机构控制方法及系统。

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的特点，容易造成大臂速度超调、振荡，进而导致回转机构出现走走停停、就位不准、停机大臂回弹、所吊重物摇晃、大臂抖动等问题，严重降低了回转机构的舒适性、可靠性、安全性和运行效率。

针对上述塔式起重机回转机构控制存在的技术问题，行业内目前主要采用涡流制动抑制大臂速度超调和振荡。但涡流制动需要增加涡流制动器，这不仅增加了系统成本和系统故障点，而且增加了系统能源损耗，另外，回转机构控制舒适性也有所欠缺。

为完全解决塔式起重机回转机构大臂速度超调与振荡的技术问题，同时去除涡流制动，行业内有人提出以回转机构数学模型为基础进行控制，此控制方法虽然从理论上可以解决回转机构大臂速度超调与振荡的问题，但需要准确获取回转机构系统的大臂转动惯量和塔身抗扭曲刚度。但在实际应用中，大臂转动惯量和塔身抗扭曲刚度难以准确获取，且两者随着载荷和塔身高度变化而改变，尤其是大臂转动惯量，其随载荷变化会有很大范围的改变，这给控制带来了很大的困难。故以回转机构数学模型为基础的控制方法在实际应用中存在控制系统鲁棒性不强、适用性差的技术问题，而且也不具有实用价值。

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机构控制方法及系统，以解决现有技术的塔式起重机回转机构控制不稳定的技术问题。

一种塔式起重机回转机构控制方法，该方法包括以下步骤：

S101、根据电机目标速度和电机加减速时间计算得到电机给定速度f₁；

S102、根据电机三相电流计算得到电机转矩电流i₁，并将电机转矩电流i₁进行低通滤波计算得到电机转矩电流i₂；

S103、根据电机转矩电流i₂计算得到电机调整速度f₂；

S104、根据电机给定速度f₁与电机调整速度f₂之和计算得到电机实际给定速度f；

S105、根据电机实际给定速度f实时调整电机运行速度，以实时调整塔式起重机大臂的回转速度。

作为本发明的进一步优选技术方案，所述步骤S102之前还包括以下步骤：

通过传感器采集并获取电机三相电流i_a、i_b和i_c。

作为本发明的进一步优选技术方案，所述步骤S102中电机转矩电流i₁的计算公式为：

其中，s为微分算子，i_a、i_b、i_c为电机三相电流，ω_r为电机转子角速度，ω_slip为电机转差角速度。

作为本发明的进一步优选技术方案，所述步骤S102中电机转矩电流i₂的计算公式为：

其中，T为滤波时间，s为微分算子。

作为本发明的进一步优选技术方案，所述步骤S103中电机调整速度f₂由电机转矩电流i₂通过PID运算得到，该PID运算的公式为：

其中，k_p为比例系数，k_i为积分系数，k_d为微分系数，s为微分算子。

根据本发明的另一方面，本发明还提供了一种塔式起重机回转机构控制系统，该系统包括：

第一计算模块，用于根据电机目标速度和电机加减速时间计算得到电机给定速度f₁；

第二计算模块，用于根据电机三相电流计算得到电机转矩电流i₁，并将电机转矩电流i₁进行低通滤波计算得到电机转矩电流i₂；

第三计算模块，用于根据电机转矩电流i₂计算得到电机调整速度f₂；

第四计算模块，用于根据电机给定速度f₁与电机调整速度f₂之和计算得到电机实际给定速度f；以及

执行模块，用于根据电机实际给定速度f实时调整电机运行速度，以实时调整塔式起重机大臂的回转速度。

作为本发明的进一步优选技术方案，所述系统还包括：

获取模块，用于通过传感器获取电机三相电流i_a、i_b和i_c。

作为本发明的进一步优选技术方案，所述电机转矩电流i₁的计算公式为：

其中，s为微分算子，i_a、i_b、i_c为电机三相电流，ω_r为电机转子角速度，ω_slip为电机转差角速度。

作为本发明的进一步优选技术方案，所述电机转矩电流i₂的计算公式为：

其中，T为滤波时间，s为微分算子。

作为本发明的进一步优选技术方案，所述电机调整速度f₂由电机转矩电流i₂通过PID运算得到，该PID运算的公式为：

其中，k_p为比例系数，k_i为积分系数，k_d为微分系数，s为微分算子。

本发明提出的一种塔式起重机回转机构控制方法及系统，通过实时调整电机运行速度以抑制塔身形变振荡，防止了大臂回转速度超调和振荡，可使大臂回转速度控制平稳，从而显著提高了回转系统舒适性、可靠性、安全性和运行效率；且本发明不依赖回转系统控制模型参数，算法鲁棒性强，适用性好；另外，无需涡流制动器辅助调速，不仅降低了系统成本，并减少了系统故障点。

附图说明

图1为塔式起重机回转机构控制方法提供的一实例的方法流程图；

图2为未采用本发明控制方法的仿真结果；

图3为采用本发明控制方法的仿真结果；

图4为塔式起重机回转机构控制系统的结构框图。

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。

塔式起重机的塔身是在其回转机构的驱动下进行转动，该回转机构包括绕塔身的转动中心并固定在塔身上的大齿圈，与大齿圈啮合的小齿圈，驱动小齿圈转动的减速机，以及与减速机传动连接的电机，通过该电机运行从而带动整个回转机构运行，进而使塔身及连接在塔身上的大臂旋转。

电机运行过程中会使塔身产生形变，塔身形变会产生塔身弹性转矩，而塔身形变振荡会使塔身弹性转矩振荡，进而使塔身上大臂回转速度超调和振荡。因此，如何在电机运行过程中抑制塔身形变振荡是解决大臂回转速度超调和振荡的关键，塔身形变与电机的转矩电流存在的关系如下：

电机侧满足如下计算公式：

其中，T_e为电机电磁转矩，T_l为电机负载转矩，J_m为电机转动惯量，ω_m为电机机械角速度，k₁为减速箱的减速比，r₁为小齿圈的齿数，r₂为大齿圈的齿数，T_t为塔身弹性转矩，k_t为塔身抗扭曲刚度，

为塔身形变角度，C_T为电磁转矩计算常数，φ为电机磁通，i₁为电机转矩电流。

由公式(1)可得：

由于电机转动惯量相对于大臂的转动惯量很小，电机惯性转矩相对于塔身的弹性转矩可以忽略不计，故可得如下公式：

其中，电机磁通在电机实时控制过程中保持恒定，即电机磁通为一常数。

由公式(3)可知，电机的转矩电流与塔身形变角度(即塔身形变)成正比，即电机转矩电流包含了塔身形变信息。

本发明的总体思路为：通过获取电机三相电流计算电机转矩电流(电机转矩电流包含了塔身形变信息)，根据转矩电流实时调整电机运行速度，改变电机运行速度可改变电机转矩电流，进而改变塔式起重机的塔身形变，最终改变大臂的回转速度。

本发明根据电机转矩电流实时调整电机的运行速度以达到抑制塔身形变振荡的目的，从而解决大臂回转速度超调和振荡的技术问题，具体方案如下：

如图1所示，本发明公开了一种塔式起重机回转机构控制方法，包括以下步骤：

步骤S101、根据电机目标速度和电机加减速时间计算得到电机给定速度f₁；

具体地，根据电机目标速度和电机加减速时间计算电机的给定速度，属于电机控制领域的通用技术，此处不再赘述。

步骤S102、根据电机三相电流计算得到电机转矩电流i₁，并将电机转矩电流i₁进行低通滤波计算得到电机转矩电流i₂；

具体实施中，电机转矩电流i₁的计算公式为：

其中，s为微分算子，i_a、i_b、i_c为电机三相电流，ω_r为电机转子角速度，ω_slip为电机转差角速度，电机转子角速度和电机转差角速度的计算属于电机控制领域的通用技术，此处不再赘述；

优选地，根据电机转矩电流i₁，通过低通滤波计算电机转矩电流i₂，计算公式为：

其中，T为滤波时间，s为微分算子，滤波时间T可根据实际需要设定。

具体实施中，所述步骤S102中在电机转矩电流i₁之前，还需获取电机三相电流i_a、i_b和i_c；该电机三相电流可通过传感器采集获取，如通过两个传感器采集获取其中任意两相的电流，然后通过采集得到两相电流计算出第三相电流，该计算电机控制领域的通用技术，此处不再赘述；当然也可通过三个传感器直接采集获取三相的电流。

该传感器可为电流互感器，当然，还可以为其他类型的传感器。

步骤S103、根据电机转矩电流i₂计算得到电机调整速度f₂；

具体实施中电机调整速度f₂由电机转矩电流i₂通过PID运算得到，该PID运算的公式为：

其中，k_p为比例系数，k_i为积分系数，k_d为微分系数，s为微分算子。k_p、k_i、k_d可根据实际需要设定。

步骤S104、根据电机给定速度f₁与电机调整速度f₂之和计算得到电机实际给定速度f；

步骤S105、根据电机实际给定速度f实时调整电机运行速度，以实时调整塔式起重机大臂的回转速度。

为了让本领域的技术人员进一步了解本发明的技术方案，下面通过仿真实验对本发明的控制方法与现有控制方法进行对比。

未采用本发明控制方法的仿真结果如图2所示，图中平滑的曲线表示给定的大臂回转速度，严重震荡且收敛较慢的曲线表示实际的大臂回转速度。由图可知，大臂回转速度出现了严重的超调和振荡。

采用本发明控制方法的仿真结果如图3所示，图中平滑的曲线表示给定的大臂回转速度，始终跟随平滑的曲线并可快速收敛曲线表示实际的大臂回转速度。由图可知，大臂回转速度控制平稳，未出现超调和振荡，充分证明了本专利控制方法的正确性和有效性。

本发明的控制方法，通过实时调整电机运行速度以抑制塔身形变振荡，防止大臂回转速度超调和振荡，可使大臂回转速度控制平稳，显著提高回转系统舒适性、可靠性、安全性和运行效率；不依赖回转系统控制模型参数，算法鲁棒性强，适用性好；无需涡流制动器辅助调速，不仅降低系统成本，并可减少系统故障点。

如图4所示，基于同一发明构思，本发明还公开了一种塔式起重机回转机构控制系统，该控制系统用于对塔式起重机回转机构中电机的运行进行控制，进而对整个回转机构进行控制，该系统包括：

第一计算模块401，用于根据电机目标速度和电机加减速时间计算得到电机给定速度f₁；

第二计算模块402，用于根据电机三相电流计算得到电机转矩电流i₁，并将电机转矩电流i₁进行低通滤波计算得到电机转矩电流i₂；

第三计算模块403，用于根据电机转矩电流i₂计算得到电机调整速度f₂；

第四计算模块404，用于根据电机给定速度f₁与电机调整速度f₂之和计算得到电机实际给定速度f；以及

执行模块405，用于根据电机实际给定速度f实时调整电机运行速度，以实时调整塔式起重机大臂的回转速度。

具体实施中，所述系统还包括：

获取模块，用于通过传感器采集并获取电机三相电流i_a、i_b和i_c。

具体实施中，所述电机转矩电流i₁的计算公式为：

其中，s为微分算子，i_a、i_b、i_c为电机三相电流，ω_r为电机转子角速度，ω_slip为电机转差角速度。

所述电机转矩电流i₂的计算公式为：

其中，T为滤波时间，s为微分算子。

具体地，所述电机调整速度f₂由电机转矩电流i₂通过PID运算得到，该PID运算的公式为：

其中，k_p为比例系数，k_i为积分系数，k_d为微分系数，s为微分算子。

本发明的控制系统，通过实时调整电机运行速度以抑制塔身形变振荡，防止大臂回转速度超调和振荡，可使大臂回转速度控制平稳，显著提高回转系统舒适性、可靠性、安全性和运行效率；不依赖回转系统控制模型参数，算法鲁棒性强，适用性好；无需涡流制动器辅助调速，不仅降低系统成本，并可减少系统故障点。

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机构控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S101、根据电机目标速度和电机加减速时间计算得到电机给定速度f₁；

S102、通过传感器采集并获取电机三相电流i_a、i_b和i_c，根据电机三相电流计算得到电机转矩电流i₁，并将电机转矩电流i₁进行低通滤波计算得到电机转矩电流i₂，所述电机转矩电流i₁的计算公式为：

其中，s为微分算子，i_a、i_b、i_c为电机三相电流，ω_r为电机转子角速度，ω_slip为电机转差角速度；

S103、根据电机转矩电流i₂计算得到电机调整速度f₂；

S104、根据电机给定速度f₁与电机调整速度f₂之和计算得到电机实际给定速度f；

S105、根据电机实际给定速度f实时调整电机运行速度，以实时调整塔式起重机大臂的回转速度。

2.根据权利要求1所述的塔式起重机回转机构控制方法，其特征在于，所述步骤S102中电机转矩电流i₂的计算公式为：

其中，T为滤波时间，s为微分算子。

3.根据权利要求1所述的塔式起重机回转机构控制方法，其特征在于，所述步骤S103中电机调整速度f₂由电机转矩电流i₂通过PID运算得到，该PID运算的公式为：

其中，k_p为比例系数，k_i为积分系数，k_d为微分系数，s为微分算子。

4.一种塔式起重机回转机构控制系统，其特征在于，包括：

第一计算模块，用于根据电机目标速度和电机加减速时间计算得到电机给定速度f₁；

获取模块，用于通过传感器获取电机三相电流i_a、i_b和i_c；

第二计算模块，用于根据电机三相电流计算得到电机转矩电流i₁，并将电机转矩电流i₁进行低通滤波计算得到电机转矩电流i₂，所述电机转矩电流i₁的计算公式为：

其中，s为微分算子，i_a、i_b、i_c为电机三相电流，ω_r为电机转子角速度，ω_slip为电机转差角速度；

第三计算模块，用于根据电机转矩电流i₂计算得到电机调整速度f₂；

第四计算模块，用于根据电机给定速度f₁与电机调整速度f₂之和计算得到电机实际给定速度f；以及

执行模块，用于根据电机实际给定速度f实时调整电机运行速度，以实时调整塔式起重机大臂的回转速度。

5.根据权利要求4所述的塔式起重机回转机构控制系统，其特征在于，所述电机转矩电流i₂的计算公式为：

其中，T为滤波时间，s为微分算子。

6.根据权利要求4所述的塔式起重机回转机构控制系统，其特征在于，所述电机调整速度f₂由电机转矩电流i₂通过PID运算得到，该PID运算的公式为：

其中，k_p为比例系数，k_i为积分系数，k_d为微分系数，s为微分算子。

Images