硅谷杂志：装船机俯仰机构控制系统方案 |
| 2012-07-09 15:41 作者：张 树 来源：硅谷网 HV： 编辑： 【搜索试试】
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硅谷网7月9日消息 （原文载于《硅谷》杂志6月刊）以装船机臂架俯仰机构为重点，分析装船机臂架俯仰机构的控制特点，对俯仰机构进行提高控制与运行精度的分析，对变频调速的主回路进行设计。
装船机是专供港口进行散货装船作业的一种具有移动、回转、伸缩等功能的高效连续大型装船机械，目前港口常用轨道移动式连续装船机属于俯仰回转型结构。装船机主体部分包括大车行走、臂架俯仰、伸缩、臂架皮带机等主要装置。其中要求臂架俯仰机构在船舶吨位不同以及装船作业时水位变化是，能够配合船舶高度进行变化，即在一定范围内进行变幅。
1装船机俯仰机构运行特点
装船机俯仰机构从低到高分别设四档速度，对应频率为10Hz、25Hz、35Hz、50Hz，加速减速时间为10秒。理想运行关键取决于控制电动机的运行速度与加减速时间的测量与控制，对三相异步电动机采用矢量控制可以提高调速的控制精度，目前常采用的调速方式是变频器的V/F和闭环矢量控制。
2闭环控制方法
对俯仰机构来说，要保证机构的运行平稳，关键环节在俯仰机构运行曲线的启动阶段，启动时系统的加速度与运行是否平稳直接相关，采用加速度反馈就能够使加速度按照理想曲线变化，因此在启动段采用加速度的时间控制原则。当启动段的上升段速度到达稳态值的90%时，将加速度控制切换到速度控制。为实现系统的测速、调速控制，应选择具有闭环速度矢量控制的变频器[1]。
在制动段，既要对减速度进行必要的控制，以保证系统运行平稳，又要保证运行的精度。在进入减速区间后，系统的转速应降至180r/min。
3装船机俯仰机构测控系统方案
臂架俯仰机构系统硬件由操作杆、现场限位信号、PLC、变频器调速系统、制动器、风机、编码器构成。
俯仰机构测控系统组成
臂架俯仰系统用来完成俯仰电机的起动，停止，加减速，工作方向，工作角度显示，安全保护、故障状态等指令信号的测量和控制功能。图中变频器只进行调速控制，逻辑控制部分由PLC完成。旋转编码器与电动机采用同轴连接，进行速度的检测及反馈，形成速度闭环和位置闭环，当实际速度高于或低于给定速度时，变频器会自动调节输出电压（电流）和频率，使两者相等。电机的速度总是跟理想曲线的变化而变化的。
4变频调速主回路研究
臂架俯仰机构控制系统的变频调速主回路由三相交流输入、变频器、电机和制动单元构成。电动机械传动系统中广泛采用的是交一直一交电压源型变频器。
选用变频器应具备的条件：为降低设备成本，首选通用变频器；所选变频器的类型与被控制异步电动机的参数匹配；变频器带有防止失速功能；变频器具有优良的转矩特性。根据以上条件选用6ES7972-0BA50-0XA0型变频器。
西门子变频器功率范围从0.55KW-2300KW，6ES7972-0BA50-0XA0型变频器，具有良好的低速运行特性，同时还具有转差补偿、负载转矩自适应等先进功能，能够在降低电机运行损耗的同时，最大限度地提高电机功率因数和电机效率，特别适合装船机臂架俯仰机构这种负载频繁变化的场合。最大过载电流允许达到额定电流的1.36倍，零频仍可输出150%力矩的特点。
该变频器CUVC板可插接X9、X101、X102、X103控制端子。输入部分包括三相电源端L1，L2，L3；输出部分包括马达电源端U、V、W。X101与PLC输出信号相连，X102端子用于模拟量输入输出，X103提供脉冲编码器的接线端。
变频器容量计算：
变频器的容量选择可根据电机功率、臂架重量、运行速度进行计算。容量可按1:1配置，亦可采用大一数量级选配，即容量为11kW的电动机选15kW的变频器、容量为15kW的电动机选择18kW的变频器。
4.2臂架速度位置检测
俯仰机构闭环反馈控制系统由变频器驱动部分，PLC控制部分和编码器检测等部分组成。系统运行时通过PLC向变频器发出控制信号，变频器驱动系统按照接收的指令输出，同时利用编码器对电机输出速度进行检测，并通过检测的反馈信号来控制系统。当系统受到来自外界或内部扰动负载的影响，使被控量偏离给定值时，系统能及时发现，并自动纠正偏差，控制其稳定输出。俯仰机构的闭环反馈控制系统的核心部件是检测反馈元件[2]。
目前测速装置有测速发电机和旋转编码器两种[3]。旋转编码器信号输出稳定、精确。其输出的脉冲信号，速度低时产生的脉冲少，速度高时产生的脉冲多，经数-模转换后，变成电压信号。
光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出A、B两相脉冲信号，若以A、B相脉冲的前沿或后沿产生计数脉冲，可以形成代表正向或反向的脉冲序列。通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。
装船机臂架俯仰机构的闭环反馈控制检测元件采用增量型双通道旋转型编码器，其工作电压20V（由变频器提供），分辨率为720P/R，输出相为A、B双通道（A，A-，B，B-）。
设置变频器的主控系统程序为编码器控制，电机输出轴与编码器中心孔进行柔性机械连接，每当电机输出轴转动一周，增量型编码器便提供720个脉冲反馈。编码器的A、B双通道输出脉冲之间的相位差为90度，脉冲波形为方波。同时采用A、B双通道检测，实现电机的双向定位控制。
5变频器的基本参数设定
对于臂架俯仰机构控制系统，变频器参数设置如下：
P60=5系统参数设置；
P071=380电源进线电压；
P095=10电机类型为异步电动机；
P101=额定电压
P102=额定电流
P104=0.8
P107=50额定频率；
P108=910额定转速；
P130=11励磁电流，P60=1后自动设置；
P452=+110%正面速度限制；
P453=-110%反面速度限制；
通讯字设置如下：
P554.01=3100控制字使能；
P571=3111正转控制字；
P572=3112反转控制字；
P443=k3003速度字；
P918=6PROFIBUS站号。
除进行基本参数的设置外，变频器在闭环运行前必须进行电动机参数的自学习，否则由于参数不正确有可能损电机和变频器。
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