0 引言

吊車廣泛應用于國民生產(chǎn)的各個行業(yè)對于新型吊車的研發(fā)、制造、控制理論研究也進入了一個新階段。此新型吊車從設(shè)計原理上進行觀念性的改進由原先建筑設(shè)備靜臂吊車的絞纜提升改為動臂的俯仰、提升同時動作完成重載提升的功能。這項改進將明顯降低設(shè)備的制造和運行成本與傳統(tǒng)吊車設(shè)備相比預計將達到近50%的節(jié)能效果。

新型吊車的特點是節(jié)能、控制簡便、靈活調(diào)速、精準定位、安全可靠性高等。為了實現(xiàn)上述功能尤其適應國家提出的可持續(xù)發(fā)展、節(jié)能降耗。新型吊車采用了觸摸屏協(xié)助操作并顯示、PLC控制、變頻器執(zhí)行的控制方法。筆者有幸參與大連佳云高層建筑機械有限公司研制國內(nèi)首創(chuàng)的動臂吊車的開發(fā)過程.負責電氣設(shè)計、安裝及調(diào)試工作在這個項目中采用歐姆龍觸摸屏、PLC、變頻器。現(xiàn)將控制方式和過程介紹一下，力求能夠拋磚引玉。

1動臂吊車調(diào)速基本原理

根據(jù)電機學理論，文流電動機的轉(zhuǎn)速公式為：

n=60f (1-s)/p

上式中:f為定子的電源頻率，P為極對數(shù)，s為轉(zhuǎn)差率，n為轉(zhuǎn)速。

因此交流電機可有以下幾種調(diào)速方法：

(1)改變電機極對數(shù)P，可以改變電機轉(zhuǎn)速。這是交流雙速梯采用的調(diào)速方法；

(2)通過調(diào)整定子繞組電壓大小來改變轉(zhuǎn)差率s，以達到調(diào)速目的這是交流調(diào)速梯采用的調(diào)速方法；

(3)改變定子電源頻率f也可達到調(diào)速目的，但f最大不能超過電機額定頻率；

(4)吊車作為恒轉(zhuǎn)矩負載調(diào)速時為保持最大轉(zhuǎn)矩不變根據(jù)轉(zhuǎn)矩公式M=CmΦlcosφ中式中Cm為電機常數(shù)，I為轉(zhuǎn)子電流，Φ為電機氣隙磁通，cosφ中為轉(zhuǎn)子功率因數(shù)。必須保持Φ恒定。又根據(jù)電壓公式U=4.44fWkΦ式中U為定子電壓f為定子電壓頻率，W為定子繞組匝數(shù)，k為電機常數(shù)必須保持U/f為常數(shù).即變頻器必須兼?zhèn)渥儔鹤冾l兩種功能簡稱為VVVF(Vary Voltage Vary Frequency)型變頻器，這就是動臂吊車的基本控制原理。

2系統(tǒng)組成

2.1  PLC

可編程控制器PLC完成系統(tǒng)邏輯控制部分負責處理各種信號的邏輯關(guān)系從變頻器及其它被控設(shè)備接收開關(guān)和模擬量信號，通過運算控制信號送給變頻器及其它被控設(shè)備，形成雙向聯(lián)絡關(guān)系是系統(tǒng)的核心。本系統(tǒng)采用歐姆龍CJ系列PLC進行控制。

2.2觸摸屏

本例中觸摸屏是作為顯示和控制的終端設(shè)備顯示各被控設(shè)備的工作狀態(tài)。選用歐姆龍的NS系列觸摸屏。

2.3變頻器

變頻器實現(xiàn)電動機調(diào)速。歐姆龍3G3RV-B4450-ZV1通用變頻器可實現(xiàn)平穩(wěn)操作和精確控制使電動機達到理想輸出并將無PG的Ulf控制、無PG矢量控制、有PG的U/f控制、有PG矢量控制的四種控制方式融為一體其中有PG矢量控制是最適合吊車控制要求的。容量選擇最好是采用大一數(shù)量級選配。本例中吊車電動機采用37kW的異步電動機即37kW的電動機選45kW的變頻器。電氣原理圖如圖1.

2.4旋轉(zhuǎn)編碼器和PG卡

為滿足吊車的要求變頻器要通過與電動機同軸連接的旋轉(zhuǎn)編碼器和戶G卡完成速度檢測及反饋形成閉環(huán)系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)編碼器與電動機同軸連接.對電動機進行測速。旋轉(zhuǎn)編碼器輸出A、B兩相脈沖，根據(jù)A、B脈沖的相序可判斷電動機轉(zhuǎn)動方向并根據(jù)其頻率測得電動機的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)編碼器將此脈沖輸出給PG卡PG卡將此反饋信號送給變頻器內(nèi)部進行運算調(diào)節(jié)。

PG卡選擇PG-B2光電編碼器選用增量式600p/r、推挽放大輸出、A相B相Z相原點信號、軸徑8mm中空型的編碼器。

2.5制動單元

在變頻器應用中當?shù)蹉^空載上升或重載下降時，拖動系統(tǒng)存在位能負荷下放.電動機將處于再生發(fā)電制動運行狀態(tài)使回饋的能量通過逆變環(huán)節(jié)中并聯(lián)的二極管流向直流環(huán)節(jié)給濾波電容器充電。當回饋能量較大時會引起直流環(huán)節(jié)電壓升高發(fā)生故障，電動機急速減速也會造成上述現(xiàn)象。解決辦法是在變頻器直流環(huán)節(jié)并聯(lián)制動單元和制動電阻。制動單元是變頻器一個可選組件內(nèi)設(shè)檢測和控制電路.工作時對變頻器的直流回路電壓進行在線檢測當電壓超過設(shè)定允許值時.觸發(fā)制動器晶體管導通經(jīng)電阻釋放能量維持變頻器的直流母線電壓在正常值內(nèi)。一個制動單元可并聯(lián)幾個電阻，視工況而定。

2.6制動電阻

制動電阻消耗回饋電能抑制直流電壓升高。當?shù)踯嚋p速運行時，電動機處于發(fā)電狀態(tài)，向變頻器回饋電能這時，同步轉(zhuǎn)速下降交一直一交變頻器的直流母線電壓升高，為了能消耗回饋電能.抑制直流電壓升高必須配置制動電阻。

電阻的選擇非常重要，電阻選擇過大則制動力矩不足；選擇過小則電流過大、電阻發(fā)熱等問題難以解決。一般我們推薦電阻功率和阻值內(nèi)選擇對于提升高度較大、電機轉(zhuǎn)速較高的情況可以適當減小電阻以得到較高的制動力矩:如果最小值不能滿足制動力矩的話，要更換大一級功率的變頻器。

制動單元和制動電阻應根據(jù)回饋最大能量及時間來選用。一般制動電阻器的選擇應使制動電流Is不超過變頻器的額定電流1e制動電阻最大功率Pmax要小于，5倍的變頻器功率然后與過載系數(shù)相乘。過載系數(shù)與減速時間和持續(xù)制動時間有關(guān)，具體要廠家提供電阻器過載系數(shù)及參數(shù)樣本。采用制動電阻消耗電機再生制動時送回直流回路的電能.制動過程中.當直流電路電壓高于正常電壓70V時制動單元中的IGB丁進行直流斬波使制動電阻流過電流消耗再生電能。

3其它配件選擇

(1)交流電機：

三相異步電機

銘牌:50Hz, 70A, 37KW, 380V, 1470r/min

(2)旋轉(zhuǎn)編碼器：

渡邊旋轉(zhuǎn)編碼器600p/r、電壓DC17-30V

輸出信號:A+、B+、Z+、 A-,、B-、Z-

(3)液壓制動器

(4)引電磁制動器

(5)電磁離合器

4控制方法及變頻器設(shè)置

4.1  PLC控制方法

本系統(tǒng)采用歐姆龍PLC數(shù)字量及模擬量控制.具體控制方式如下：

輸入信號:變頻器運行信號、報警信號、頻率模擬量、手柄模擬量輸入、外部制動信號輸入等；

控制對象：變頻器運行信號、零伺服信號、頻率模

擬量;外部制動開關(guān)信號等；

串行通訊:與歐姆龍NS觸摸屏進行數(shù)據(jù)通訊。

4.2變頻器設(shè)置

根據(jù)實際應用的歐姆龍變頻器3G3RV一B4450-ZV 1系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點及程序設(shè)計要點。

采用PLC作為邏輯控制部件變頻器和PLC通訊時采用模擬量。由于3G3RV-B84450-ZV，為通用型變頻器因而用在吊車控制上為了滿足運行效率、靈活調(diào)速、精準定位和安全可靠的要求.其參數(shù)設(shè)置比專用型變頻器要復雜得多。下面僅介紹幾個主要參數(shù)的設(shè)置：

曳引電動機的轉(zhuǎn)速控制應是閉環(huán)的其轉(zhuǎn)速的檢測由和電動機同軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)編碼器完成必須保證旋轉(zhuǎn)編碼器和電動機連接時的同心度和可靠性.以保證速度采樣的準確度。

變頻器其它常用參數(shù)可根據(jù)電網(wǎng)電壓和電機銘牌參數(shù)直接輸入，也可通過自學實現(xiàn)，本例是采用自學方法數(shù)直接輸入。也可通過自學實現(xiàn)，本例是采用自學方法讀入電機參數(shù)，可以使變頻器工作在最佳狀態(tài)。具體方
法：在完成參數(shù)設(shè)置后，使變頻器對所驅(qū)動的電動機進行自學習，將曳引機制動輪與電動機軸脫離.使電動機
處于空載狀態(tài)然后啟動電動機，變頻器便可自動識別并存儲電動機有關(guān)參數(shù)，使變頻器能對該電動機進行最佳控制至此，變頻器參數(shù)設(shè)置完畢。

軟件設(shè)計主要參數(shù)設(shè)置如表1：

其他參數(shù)按變頻器出廠值設(shè)置。部分現(xiàn)場情況如圖2一4.

5設(shè)備調(diào)試出現(xiàn)的問題分析及解決

上述系統(tǒng)在整機調(diào)試過程中遇到以下問題，經(jīng)討論及技術(shù)改動現(xiàn)場問題已經(jīng)全部解決。出現(xiàn)的問題簡單
列舉如下：

(1)開始開機送模擬t緩慢.運行不正常

解決方法：PLC先提供給變頻器正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)信號，然后提供模擬量。

6結(jié)束語

設(shè)備經(jīng)過調(diào)試，并經(jīng)過遼寧省建設(shè)機械城市車輛檢測中心專家現(xiàn)場檢測，達到預期效果證明歐姆龍控制系統(tǒng)在動臂吊車控制的應用是成功的，具有廣闊的前景。