摘 要 目前，集装箱港口作业多采用单箱操作，大大影响了港口的作业效率。文章根据双吊具的操作原理，在双电机传动试验平台的基础上，建立了异步电机矢量控制的Simulink仿真模型，在Simulink仿真的基础上，提出了半闭环位置跟踪控制系统方法，实验结果表明，无论是正常状况还是干扰作用下，电机2均能可靠跟踪电机1的运动，两者同步误差较小，达到了较好的同步效果。

关键词 双吊具，双电机，Simulink，位置跟踪

中图分类号：TH21 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）10-0032-02

双起升场桥双吊具的同步运动是双起升场桥双吊具关键技术，而吊具的运动是通过电机驱动的，所以，要控制双吊具的运动同步，关键是控制两台电动机的转速与位置。基于这些问题，本文着重从控制双场桥双电机的协调性出发，研究在没有机械控制和人为设定的情况下，双电机对实时情况作出自动调整。

1 异步电机速度控制与双电机位置同步控制

由于将直流标量作为电机外部的控制量，然后又将其变换成交流量去控制交流电机的运行，均是通过矢量坐标变换来实现的。将三相静止坐标系变换至两相同步旋转坐标系。则在两相同步旋转坐标系（d-q坐标系）上的数学模型如下。

1.1 磁链方程

（1）

式中Lm为d-q坐标系定子与转子同轴等效绕组间的互感（Lm=3/2Lms），L为d-q坐标系下等效两相绕组的自感（L=Lm+Ll），下标s，r分别表示定子与转子。

1.2 转矩和运动方程

（2）

其中，为电机转子角速度。构建异步电动机在两相同步旋转的d-q坐标系上的数学模型。在此坐标下的w-wr-is状态方程为

（3）

可得

（4）

（5）

式（3）、（4）、和式（5）构成了矢量控制基本方程。

2 双电机位置跟踪控制方法、系统软件研发

本实验平台的驱动电机和负载电机均采用Y2VP系列变频调速电动机，均是带有速度传感器的三相交流异步电机，均采用矢量控制策略进行转速调节，并且带有Mp60终端显示编码器，可以直接读得转矩和电动机实时转速，驱动电机和实物电机同轴相连，这就方便了后面驱动电机转速的读取和界面的控制。实验平台所使用的负载电机和驱动电机相关参数如表1所示。

表1 驱动电机和负载电机各参数

额定

电压（V） 额定电流（A） 额定功率（kW） 额定

转速

（r/min） 额定转矩（N·M） 功率因素（cos） 频率（Hz）

负载电机 400 54.7 30 1475 194 0.86 50

驱动电机 400 66.7 37 1475 240 0.87 50

根据实验平台实物电机的相关参数和电机控制算法建立Smulink模型。所搭建的带速度传感器的矢量控制系统的电气原理图如图1所示。在图中，主电路采用了电流滞环控制逆变器。在控制电路中，转速环后增加了转矩控制环。转速调节器ASR的输出T*e，是转矩调节器ATR的输入，而转矩的反馈信号则是通过矢量控制方程计算得到的Te。电路中的磁链调节器ApsiR设置了电流变换和磁链观测环节，用于对电动机定子磁链的控制。定子电流的转矩分量i*st和励磁分量i*sm分别是ATR和ApsiR的输出。由图1可以看出i*st和i*sm经过2r/3r变换后得到i*sA、i*sB、i*sC，并通过电流滞后环控制PWM逆变器控制电动机定子的三相电流。

给定转速为1400 r/min，空载起动，在6 s时加载60 N·M，系统的Simulink仿真结果如图2所示。其中图2（a）为电动机的转速曲线，图2（b）为转矩调节器输出波形。在下图波形中可以看到，在矢量控制下，0-3.5 s时间内转速平稳上升，加载后上升略有下降但很快恢复，在3.5 s时达到给定转速，在第6 s对系统加载，这两个时刻系统调节器和电流、转矩都有相应的响应。由图1可知由ATR和ApsiR都是带限幅的PI调节器，因此可以保证定子电流的给定值i*sA、i*sB、i*sC保持不变，实现恒电流起动。根据仿真波形可以看出，此仿真模型很好的模拟了三相异步交流电机在矢量控制方法下的电机特性，并且稳定性良好。

（a）电动机的转速曲线

（b） 转矩调节器输出波形

图2 带速度传感器的矢量控制系统的电机仿真

在Matlab/Simulink环境下，通过对异步电机数学模型的分析推导，建立异步电机半闭环位置跟踪控制系统的模型，整体的结构框图如图3所示。系统包括PID整定控制器模块、电机推进系统模块、电机新的位置模块、位置反馈模块。

图3 三相异步电机位置跟踪控制系统原理框图

在Matlab/Simulink环境下，通过对异步电机数学模型的分析推导，建立异步电机三闭环位置跟踪控制系统的模型。电机位置跟踪系统采用具有位置、速度、电流反馈的三闭环结构，其中电流环、速度环为内环，位置环位外环，这样的三环结构使系统具有较好的静态和动态性能。电流环采用PI控制算法，在设置时须考虑电流的快速跟随性能；速度环同样采用PI调节，在控制系统中起着承上启下的作用；位置环的作用是保证整个伺服系统能够稳定、高效的运行。

位置跟踪仿真结果如图4所示。由图可以看出，仿真模型具有很好的位置跟踪性能。

图4 双电机位置跟踪控制仿真图

3 总结与展望

本文在实物电机的特性基础上，建立带有速度传感器的三相异步交流电机Simulink仿真模型，在此模型的基础上仿真了三相电机的起动特性，其转速和转矩特性和实物电机的特性基本类似，启动加速特性稳定，仿真一段时间后电机达到最高转速状态运行，转矩特性良好，很好的验证了仿真模型的稳定性和可靠性。

参考文献

[1]秦忆.现代交流伺服系统[M].武汉：华中理工大学出版社，1995：2-4.

[2]W Bolton.Control Engineering[M].New York：Addison Wesley Longman Limited，1998.89-90

[3]项云韦.多台电机周步协调运转的变结构控制[J].电气传动自动化，1999，21（3）：33-34.

[4]Zhang W.Design PID controllers for desired time-domain or frequency-domain response[J].ISA Transactions，2002，4l（4）：511-520.

作者简介

安婷婷（1986-），女，2011年毕业于上海海事大学检测技术与自动化装置技术专业，获硕士研究生学位，研究方向：港口设备检验检测研究。endprint

摘 要 目前，集装箱港口作业多采用单箱操作，大大影响了港口的作业效率。文章根据双吊具的操作原理，在双电机传动试验平台的基础上，建立了异步电机矢量控制的Simulink仿真模型，在Simulink仿真的基础上，提出了半闭环位置跟踪控制系统方法，实验结果表明，无论是正常状况还是干扰作用下，电机2均能可靠跟踪电机1的运动，两者同步误差较小，达到了较好的同步效果。

关键词 双吊具，双电机，Simulink，位置跟踪

中图分类号：TH21 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）10-0032-02

双起升场桥双吊具的同步运动是双起升场桥双吊具关键技术，而吊具的运动是通过电机驱动的，所以，要控制双吊具的运动同步，关键是控制两台电动机的转速与位置。基于这些问题，本文着重从控制双场桥双电机的协调性出发，研究在没有机械控制和人为设定的情况下，双电机对实时情况作出自动调整。

1 异步电机速度控制与双电机位置同步控制

由于将直流标量作为电机外部的控制量，然后又将其变换成交流量去控制交流电机的运行，均是通过矢量坐标变换来实现的。将三相静止坐标系变换至两相同步旋转坐标系。则在两相同步旋转坐标系（d-q坐标系）上的数学模型如下。

1.1 磁链方程

（1）

式中Lm为d-q坐标系定子与转子同轴等效绕组间的互感（Lm=3/2Lms），L为d-q坐标系下等效两相绕组的自感（L=Lm+Ll），下标s，r分别表示定子与转子。

1.2 转矩和运动方程

（2）

其中，为电机转子角速度。构建异步电动机在两相同步旋转的d-q坐标系上的数学模型。在此坐标下的w-wr-is状态方程为

（3）

可得

（4）

（5）

式（3）、（4）、和式（5）构成了矢量控制基本方程。

2 双电机位置跟踪控制方法、系统软件研发

本实验平台的驱动电机和负载电机均采用Y2VP系列变频调速电动机，均是带有速度传感器的三相交流异步电机，均采用矢量控制策略进行转速调节，并且带有Mp60终端显示编码器，可以直接读得转矩和电动机实时转速，驱动电机和实物电机同轴相连，这就方便了后面驱动电机转速的读取和界面的控制。实验平台所使用的负载电机和驱动电机相关参数如表1所示。

表1 驱动电机和负载电机各参数

额定

电压（V） 额定电流（A） 额定功率（kW） 额定

转速

（r/min） 额定转矩（N·M） 功率因素（cos） 频率（Hz）

负载电机 400 54.7 30 1475 194 0.86 50

驱动电机 400 66.7 37 1475 240 0.87 50

根据实验平台实物电机的相关参数和电机控制算法建立Smulink模型。所搭建的带速度传感器的矢量控制系统的电气原理图如图1所示。在图中，主电路采用了电流滞环控制逆变器。在控制电路中，转速环后增加了转矩控制环。转速调节器ASR的输出T*e，是转矩调节器ATR的输入，而转矩的反馈信号则是通过矢量控制方程计算得到的Te。电路中的磁链调节器ApsiR设置了电流变换和磁链观测环节，用于对电动机定子磁链的控制。定子电流的转矩分量i*st和励磁分量i*sm分别是ATR和ApsiR的输出。由图1可以看出i*st和i*sm经过2r/3r变换后得到i*sA、i*sB、i*sC，并通过电流滞后环控制PWM逆变器控制电动机定子的三相电流。

给定转速为1400 r/min，空载起动，在6 s时加载60 N·M，系统的Simulink仿真结果如图2所示。其中图2（a）为电动机的转速曲线，图2（b）为转矩调节器输出波形。在下图波形中可以看到，在矢量控制下，0-3.5 s时间内转速平稳上升，加载后上升略有下降但很快恢复，在3.5 s时达到给定转速，在第6 s对系统加载，这两个时刻系统调节器和电流、转矩都有相应的响应。由图1可知由ATR和ApsiR都是带限幅的PI调节器，因此可以保证定子电流的给定值i*sA、i*sB、i*sC保持不变，实现恒电流起动。根据仿真波形可以看出，此仿真模型很好的模拟了三相异步交流电机在矢量控制方法下的电机特性，并且稳定性良好。

（a）电动机的转速曲线

（b） 转矩调节器输出波形

图2 带速度传感器的矢量控制系统的电机仿真

在Matlab/Simulink环境下，通过对异步电机数学模型的分析推导，建立异步电机半闭环位置跟踪控制系统的模型，整体的结构框图如图3所示。系统包括PID整定控制器模块、电机推进系统模块、电机新的位置模块、位置反馈模块。

图3 三相异步电机位置跟踪控制系统原理框图

在Matlab/Simulink环境下，通过对异步电机数学模型的分析推导，建立异步电机三闭环位置跟踪控制系统的模型。电机位置跟踪系统采用具有位置、速度、电流反馈的三闭环结构，其中电流环、速度环为内环，位置环位外环，这样的三环结构使系统具有较好的静态和动态性能。电流环采用PI控制算法，在设置时须考虑电流的快速跟随性能；速度环同样采用PI调节，在控制系统中起着承上启下的作用；位置环的作用是保证整个伺服系统能够稳定、高效的运行。

位置跟踪仿真结果如图4所示。由图可以看出，仿真模型具有很好的位置跟踪性能。

图4 双电机位置跟踪控制仿真图

3 总结与展望

本文在实物电机的特性基础上，建立带有速度传感器的三相异步交流电机Simulink仿真模型，在此模型的基础上仿真了三相电机的起动特性，其转速和转矩特性和实物电机的特性基本类似，启动加速特性稳定，仿真一段时间后电机达到最高转速状态运行，转矩特性良好，很好的验证了仿真模型的稳定性和可靠性。

参考文献

[1]秦忆.现代交流伺服系统[M].武汉：华中理工大学出版社，1995：2-4.

[2]W Bolton.Control Engineering[M].New York：Addison Wesley Longman Limited，1998.89-90

[3]项云韦.多台电机周步协调运转的变结构控制[J].电气传动自动化，1999，21（3）：33-34.

[4]Zhang W.Design PID controllers for desired time-domain or frequency-domain response[J].ISA Transactions，2002，4l（4）：511-520.

作者简介

安婷婷（1986-），女，2011年毕业于上海海事大学检测技术与自动化装置技术专业，获硕士研究生学位，研究方向：港口设备检验检测研究。endprint

摘 要 目前，集装箱港口作业多采用单箱操作，大大影响了港口的作业效率。文章根据双吊具的操作原理，在双电机传动试验平台的基础上，建立了异步电机矢量控制的Simulink仿真模型，在Simulink仿真的基础上，提出了半闭环位置跟踪控制系统方法，实验结果表明，无论是正常状况还是干扰作用下，电机2均能可靠跟踪电机1的运动，两者同步误差较小，达到了较好的同步效果。

关键词 双吊具，双电机，Simulink，位置跟踪

中图分类号：TH21 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）10-0032-02

双起升场桥双吊具的同步运动是双起升场桥双吊具关键技术，而吊具的运动是通过电机驱动的，所以，要控制双吊具的运动同步，关键是控制两台电动机的转速与位置。基于这些问题，本文着重从控制双场桥双电机的协调性出发，研究在没有机械控制和人为设定的情况下，双电机对实时情况作出自动调整。

1 异步电机速度控制与双电机位置同步控制

由于将直流标量作为电机外部的控制量，然后又将其变换成交流量去控制交流电机的运行，均是通过矢量坐标变换来实现的。将三相静止坐标系变换至两相同步旋转坐标系。则在两相同步旋转坐标系（d-q坐标系）上的数学模型如下。

1.1 磁链方程

（1）

式中Lm为d-q坐标系定子与转子同轴等效绕组间的互感（Lm=3/2Lms），L为d-q坐标系下等效两相绕组的自感（L=Lm+Ll），下标s，r分别表示定子与转子。

1.2 转矩和运动方程

（2）

其中，为电机转子角速度。构建异步电动机在两相同步旋转的d-q坐标系上的数学模型。在此坐标下的w-wr-is状态方程为

（3）

可得

（4）

（5）

式（3）、（4）、和式（5）构成了矢量控制基本方程。

2 双电机位置跟踪控制方法、系统软件研发

本实验平台的驱动电机和负载电机均采用Y2VP系列变频调速电动机，均是带有速度传感器的三相交流异步电机，均采用矢量控制策略进行转速调节，并且带有Mp60终端显示编码器，可以直接读得转矩和电动机实时转速，驱动电机和实物电机同轴相连，这就方便了后面驱动电机转速的读取和界面的控制。实验平台所使用的负载电机和驱动电机相关参数如表1所示。

表1 驱动电机和负载电机各参数

额定

电压（V） 额定电流（A） 额定功率（kW） 额定

转速

（r/min） 额定转矩（N·M） 功率因素（cos） 频率（Hz）

负载电机 400 54.7 30 1475 194 0.86 50

驱动电机 400 66.7 37 1475 240 0.87 50

根据实验平台实物电机的相关参数和电机控制算法建立Smulink模型。所搭建的带速度传感器的矢量控制系统的电气原理图如图1所示。在图中，主电路采用了电流滞环控制逆变器。在控制电路中，转速环后增加了转矩控制环。转速调节器ASR的输出T*e，是转矩调节器ATR的输入，而转矩的反馈信号则是通过矢量控制方程计算得到的Te。电路中的磁链调节器ApsiR设置了电流变换和磁链观测环节，用于对电动机定子磁链的控制。定子电流的转矩分量i*st和励磁分量i*sm分别是ATR和ApsiR的输出。由图1可以看出i*st和i*sm经过2r/3r变换后得到i*sA、i*sB、i*sC，并通过电流滞后环控制PWM逆变器控制电动机定子的三相电流。

给定转速为1400 r/min，空载起动，在6 s时加载60 N·M，系统的Simulink仿真结果如图2所示。其中图2（a）为电动机的转速曲线，图2（b）为转矩调节器输出波形。在下图波形中可以看到，在矢量控制下，0-3.5 s时间内转速平稳上升，加载后上升略有下降但很快恢复，在3.5 s时达到给定转速，在第6 s对系统加载，这两个时刻系统调节器和电流、转矩都有相应的响应。由图1可知由ATR和ApsiR都是带限幅的PI调节器，因此可以保证定子电流的给定值i*sA、i*sB、i*sC保持不变，实现恒电流起动。根据仿真波形可以看出，此仿真模型很好的模拟了三相异步交流电机在矢量控制方法下的电机特性，并且稳定性良好。

（a）电动机的转速曲线

（b） 转矩调节器输出波形

图2 带速度传感器的矢量控制系统的电机仿真

在Matlab/Simulink环境下，通过对异步电机数学模型的分析推导，建立异步电机半闭环位置跟踪控制系统的模型，整体的结构框图如图3所示。系统包括PID整定控制器模块、电机推进系统模块、电机新的位置模块、位置反馈模块。

图3 三相异步电机位置跟踪控制系统原理框图

在Matlab/Simulink环境下，通过对异步电机数学模型的分析推导，建立异步电机三闭环位置跟踪控制系统的模型。电机位置跟踪系统采用具有位置、速度、电流反馈的三闭环结构，其中电流环、速度环为内环，位置环位外环，这样的三环结构使系统具有较好的静态和动态性能。电流环采用PI控制算法，在设置时须考虑电流的快速跟随性能；速度环同样采用PI调节，在控制系统中起着承上启下的作用；位置环的作用是保证整个伺服系统能够稳定、高效的运行。

位置跟踪仿真结果如图4所示。由图可以看出，仿真模型具有很好的位置跟踪性能。

图4 双电机位置跟踪控制仿真图

3 总结与展望

本文在实物电机的特性基础上，建立带有速度传感器的三相异步交流电机Simulink仿真模型，在此模型的基础上仿真了三相电机的起动特性，其转速和转矩特性和实物电机的特性基本类似，启动加速特性稳定，仿真一段时间后电机达到最高转速状态运行，转矩特性良好，很好的验证了仿真模型的稳定性和可靠性。

参考文献

[1]秦忆.现代交流伺服系统[M].武汉：华中理工大学出版社，1995：2-4.

[2]W Bolton.Control Engineering[M].New York：Addison Wesley Longman Limited，1998.89-90

[3]项云韦.多台电机周步协调运转的变结构控制[J].电气传动自动化，1999，21（3）：33-34.

[4]Zhang W.Design PID controllers for desired time-domain or frequency-domain response[J].ISA Transactions，2002，4l（4）：511-520.

作者简介

安婷婷（1986-），女，2011年毕业于上海海事大学检测技术与自动化装置技术专业，获硕士研究生学位，研究方向：港口设备检验检测研究。endprint