一种港口桥式起重机调速系统的设计方法技术方案

本发明专利技术提供一种港口桥式起重机调速系统的设计方法，选择处理功能强大的ARM7控制器，控制策略采用低速电流斩波控制和高速角度位置控制的双闭环调速系统，并引入模糊自适应控制，通过仿真和实验分析，调速系统能够在动态运行中能保持高效率，具有较大的节能空间；且小电流启动时能够保证桥式起重机调速系统稳定运行；同时通过优化设计简化了调速系统结构，提高了系统调速性能，以及系统的稳定性和可靠性，对港口设备节能减排和系统的优化改善有着指导意义。

A design method of speed control system for port bridge crane

【技术实现步骤摘要】
一种港口桥式起重机调速系统的设计方法
本专利技术涉及一种控制调速技术，具体涉及一种港口桥式起重机调速系统的设计方法。
技术介绍
现行传统的港口桥式起重机调速系统主要采用变频调速方式，一般由工控机或触摸屏监控单元、PLC控制单元和变频器单元及其他机械结构等组成，如图1所示为传统港口桥式起重机调速系统。随着信息技术的进步，先进的控制调速技术已经广泛应用于港口装卸作业过程中，国家以及交通部也要求对于港口工程项目，应选用自动化程度高、能源消耗低以及高效率的装卸设备。目前SRD调速系统已成功应用于油田抽油机系统、电动车用驱动系统、井下煤矿运输系统等众多工业领域中，成为交流电机、直流电机以及无刷直流电机调速系统的有力替代者。因此研究港口桥式起重机SRD调速系统，不但能够解决由于港口起重机械使用变频器带来的高次谐波问题，而且可以提高起重机系统的调速性能，且使得系统效率在很宽调速和负载范围内能保持在90％以上，与一般的调速系统相比具有很大的优越性。由此SRD调速系统在起重机上的应用可以在节约电能、提高调速性能方面有着很好的效果，对港口节能减排和系统的优化控制有着实际意义。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种港口桥式起重机调速系统的设计方法，系统结构简单，调速性能得到提升，同时也降低了变频器使用的影响，电能质量得到提高。为解决上述技术问题，本专利技术的实施例提供一种港口桥式起重机调速系统的设计方法，包括如下步骤：(1)模糊自适应控制桥式起重机SRD调速方案设计(1-1)SRD调速系统数学模型的控制参数分析假定SRD驱动调速系统主电路电源电压稳定、主开关器件为理想开关器件、同时忽略铁耗，根据基尔霍夫电压电流定律和电磁感应定律，得到m相定子绕组的开关磁阻电机系统图和下述方程：(1-1-1)电压和功率平衡方程通过分析m相定子绕组的开关磁阻电机系统图的简化电路得到电压平衡方程为：式中：Us为外供给直流电压；将式(1)两边同时乘以i，即能得瞬时功率方程：(1-1-2)机械方程根据力学原理及定律分析可得到开关磁阻电机的机械方程为：式中，D为粘性摩擦系数，J为转子与负载间的转动惯量，TL为电机负载转矩；(1-1-3)电磁转矩利用线性化动态模型可以近似推导平均输出电磁转矩公式为：式中，Nr为开关磁阻电机转子极数；由式(4)可知θon是控制开关磁阻电机转矩的重要参数，则在θon一定时，若增大θoff，即可以增大θc(θc＝θoff-θon)，其为导通角，从而可推得平均转矩也增大；通过分析可知：θc有极值点，超过该点后，随着θc导通角的增大Tav则会降低；(1-2)调速系统控制策略研究为保证桥式起重机调速系统的调速性能稳定性和时效性，采用电流内环控制、转速外环控制双闭环的控制策略，根据双闭环策略控制策略及桥式起重机本身的调速设计要求，在低速运行时采用电流斩波控制，高速运行时采用角位置控制；(1-3)仿真研究及分析基于步骤(1-2)中桥式起重机调速控制策略的分析，建立Matlab仿真模型来分析模糊自适应控制策略的有效性，得到如下曲线：模糊控制下转速的响应曲线、模糊自适应控制下转速响应曲线、模糊控制下转矩响应曲线、模糊自适应控制下转矩响应曲线，通过仿真分析，桥式起重机SRD调速系统采用速度外环模糊自适应的控制方式，能够获得较好的调速性能和响应特性，具有强的抗干扰性和稳定性；(2)基于ARM平台的调速系统硬件和软件设计以ARM为控制平台，开发基于模糊自适应的电流内环控制、转速外环控制双闭环控制策略的SRD调速系统；(2-1)调速控制系统的硬件设计(2-1-1)功率变换电路设计A、B、C、D为开关磁阻电机相绕组，任意两相需要同时通电，并且循环导通，D1～D4是系统的续流二极管，V1～V4为系统选用的IGBT绝缘栅型晶体管；若V1、V3同时导通，则A、B相通电；若V1关断，V2闭合，则A相关断，C相开始导通，此时，A相绕组将通过二极管D1续流，C相绕组这时构成了电流回路，从而使得B相电流变大，导致中性点的电位升高，促使A相续流电流快速的衰减，从而强行换相；紧接着关断V3，开通V4，则C、D相导通，依次循环导通，电机就连续工作起来；(2-1-2)基于LPC2210的控制器设计在港口桥式起重机调速系统中，采用LPC2210芯片作为主控制器，在此芯片上设计了电源电路、系统复位电路和片外Flash存储器电路，并针对系统控制要求，使用了LPC2210外围接口电路中的两路PWM口、一路A/D转换输入口和两路捕获输入口；(2-1-3)驱动电路设计(2-1-4)位置传感器电路设计(2-1-5)电流传感器检测电路设计(2-2)调速控制系统的软件设计针对控制策略中提出的控制方程结合控制结构图，系统应用软件主要完成以下程序设计环节：主控制程序、转速控制程序、电流反馈控制程序、相位中断及角度计算程序；(2-2-1)主控制程序为了实现系统的初始化运行，实现系统的平稳有效的启动，设计调速控制系统的主控制程序，其主要功能步骤如下：1)判断桥式起重机SRD调速系统的位置传感器输入是否准确，若读入位置传感器的信号全为“1”或全为“0”，则可以判定位置传感器错误，立即封锁IGBT；2)预测调速电机转子的下一时候的位置关系，并将该时刻的位置关系作为电机运行时的位置参考，在开关磁阻电机平稳运行过程中，需要将位置传感单元获得的输入信号与预测输入值进行比较，如果实测值与预测值不一致，则需要再次进行预测估计；若反复多次仍然不一致，则可判定位置传感器错误；(2-2-2)转速控制程序根据位置传感器的输入信号和给定输入量，实现模糊自适应的速度外环控制，同时通过模糊自适应调节后的电流将其引入至内环比较环节，完成PWM波形对开关磁阻电机的速度控制；(2-2-3)电流反馈控制程序电流反馈控制程序主要实现对开关磁阻电机相电流的检测，由于电机控制策略要求在低速时采用电流斩波控制，因此系统电流反馈控制流程为：在θ＝θon的时候，使电机的相绕组开始导通，当电流增长到峰值ir(ir＝0.8IN)时，此时将关断开关器件IGBT；经过一段时间T1后，则对相绕组重新通电，此时再次打开IGBT，反复操作该过程一直到θ＝θoff时，实现相关断过程；(2-2-4)相位中断和角度计算程序相位中断和角度计算程序主要完成相逻辑的判断、以及角度的开通与关断计算，调速控制系统将相位中断控制程序设计为一个主进程，而角度计算程序设计为在该主进程中的一个子进程，即一个线程的形式；(3)实验系统测试分析通过对基于ARM平台的桥式起重机SRD调速系统的控制策略分析及软硬件设计，建立实验调试系统平台，进行如下实验系统测试分析：(3-1)低速运行控制相电流运行分析当调速控制本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种港口桥式起重机调速系统的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：/n(1)模糊自适应控制桥式起重机SRD调速方案设计/n(1-1)SRD调速系统数学模型的控制参数分析/n假定SRD驱动调速系统主电路电源电压稳定、主开关器件为理想开关器件、同时忽略铁耗，根据基尔霍夫电压电流定律和电磁感应定律，得到m相定子绕组的开关磁阻电机系统图和下述方程：/n(1-1-1)电压和功率平衡方程/n通过分析m相定子绕组的开关磁阻电机系统图的简化电路得到电压平衡方程为：/n

【技术特征摘要】
1.一种港口桥式起重机调速系统的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)模糊自适应控制桥式起重机SRD调速方案设计
(1-1)SRD调速系统数学模型的控制参数分析
假定SRD驱动调速系统主电路电源电压稳定、主开关器件为理想开关器件、同时忽略铁耗，根据基尔霍夫电压电流定律和电磁感应定律，得到m相定子绕组的开关磁阻电机系统图和下述方程：
(1-1-1)电压和功率平衡方程
通过分析m相定子绕组的开关磁阻电机系统图的简化电路得到电压平衡方程为：



式中：Us为外供给直流电压；
将式(1)两边同时乘以i，即能得瞬时功率方程：



(1-1-2)机械方程
根据力学原理及定律分析可得到开关磁阻电机的机械方程为：



式中，D为粘性摩擦系数，J为转子与负载间的转动惯量，TL为电机负载转矩；
(1-1-3)电磁转矩
利用线性化动态模型可以近似推导平均输出电磁转矩公式为：



式中，Nr为开关磁阻电机转子极数；由式(4)可知θon是控制开关磁阻电机转矩的重要参数，则在θon一定时，若增大θoff，即可以增大θc(θc＝θoff-θon)，其为导通角，从而可推得平均转矩也增大；
通过分析可知：θc有极值点，超过该点后，随着θc导通角的增大Tav则会降低；
(1-2)调速系统控制策略研究
为保证桥式起重机调速系统的调速性能稳定性和时效性，采用电流内环控制、转速外环控制双闭环的控制策略，根据双闭环策略控制策略及桥式起重机本身的调速设计要求，在低速运行时采用电流斩波控制，高速运行时采用角位置控制；
(1-3)仿真研究及分析
基于步骤(1-2)中桥式起重机调速控制策略的分析，建立Matlab仿真模型来分析模糊自适应控制策略的有效性，得到如下曲线：模糊控制下转速的响应曲线、模糊自适应控制下转速响应曲线、模糊控制下转矩响应曲线、模糊自适应控制下转矩响应曲线，通过仿真分析，桥式起重机SRD调速系统采用速度外环模糊自适应的控制方式，能够获得较好的调速性能和响应特性，具有强的抗干扰性和稳定性；
(2)基于ARM平台的调速系统硬件和软件设计
以ARM为控制平台，开发基于模糊自适应的电流内环控制、转速外环控制双闭环控制策略的SRD调速系统；
(2-1)调速控制系统的硬件设计
(2-1-1)功率变换电路设计
A、B、C、D为开关磁阻电机相绕组，任意两相需要同时通电，并且循环导通，D1～D4是系统的续流二极管，V1～V4为系统选用的IGBT绝缘栅型晶体管；若V1、V3同时导通，则A、B相通电；若V1关断，V2闭合，则A相关断，C相开始导通，此时，A相绕组将通过二极管D1续流，C相绕组这时构成了电流回路，从而使得B相电流变大，导致中性点的电位升高，促使A相续流电流快速的衰减，从而强行换相；紧接着关断V3，开通V4，则C、D相导通，依次循环导通，电机就连续工作起来；
(2-1-2)基于LPC2210的控制器设计
在港口桥式起重机调速系统中，采用LPC2210芯片作为主控制器，在此芯片上设计了电源电路、系统复位电路和片外Flash存储器电路，并针对系统控制要求，使用了LPC2210外围接口电路中的两路PWM口、一路A/D转换输入口和两路捕获输入口；
(2-1-3)驱动电路设计
(2-1-4)位置传感器电路设计
(2-1-5)电流传感器检测电路设计
(2-2)调速控制系统的软件设计
针对控制策略中提出的控制方程结合控制结构图，系统应用软...

【专利技术属性】
技术研发人员：张智华，朱永祥，徐勇，李胜永，
申请(专利权)人：江苏航运职业技术学院，
类型：发明
国别省市：江苏;32