文晓娟，岳丽敏

(郑州铁路职业技术学院，河南 郑州 451460)

偏差耦合式同步控制策略在起重机起升机构中的应用

文晓娟，岳丽敏

(郑州铁路职业技术学院，河南 郑州 451460)

针对起重机起升机构多吊钩同步性精度差的问题，采用偏差耦合式同步控制策略，结合PLC(可编程逻辑控制)、光电编码器和变频器，对起重机起升机构控制系统进行方案设计。通过PLC系统软件设计及模拟调试，结果显示控制系统设计合理正确，达到预期设计目标。

偏差耦合式；同步控制；起重机；PLC

应用于高速铁路建设中的起重机，如提梁机、架桥机等，由于工作现场条件复杂，负载较重，相比普通用途的起重机，在吊装精度和工作可靠性方面有着更高的要求。多吊钩的起重机械在进行重型负载作业时，常常因为电动机不同步而引发安全隐患，造成载荷重心偏转、失控散落，钢丝绳断裂等问题。因此，对于多吊钩、重负荷的起重机，高精度的电动机同步控制尤为重要。随着现代科技的发展，多电机的同步控制技术已经在各种机械传动系统中得到广泛应用，大大改善了原有系统自动化程度低、同步精度差的问题，结合了控制理论、可编程逻辑控制技术、传感检测技术的控制方案已成为工业电机同步控制的主流。本设计结合偏差耦合式同步控制策略，采用PLC、变频器及光电编码器等自动控制技术，实现了对起重机起升机构电动机的闭环自动控制，保证了多吊钩联动的同步性，提高了起重机的工作性能。

1 偏差耦合式同步性控制策略

同步控制技术是在多电机驱动系统中，将控制理论、电力电子技术、计算机技术及其他相关技术有机结合在一起的控制技术。在同步控制系统中，控制目的是使系统中被控制电动机的转速、位移等动态性能能够按系统要求协调运行。多电机的同步控制技术有4种经典的控制方案：并行式同步控制方案，主从式同步控制方案，交叉耦合同步控制方案，偏差耦合式同步控制方案。其中，偏差耦合式同步控制方案是由Perez-Pinal[1]等人基于交叉耦合式同步控制方案提出的，控制结构如图1所示。在图1中，参考角速度信号为ω*，各运动轴输出角速度为ωn(n=1,2,3…)。运行时，所控制的运动轴与其他轴的转速差由补偿器求出，将转速差经过补偿算法处理后相加可得到该运动轴的转速补偿信号ωcn。在偏差耦合式同步控制系统中，所有运动轴之间的偏差值均作为补偿输入量写入输入信号中，所以系统中每个轴都可以得到同步误差的信息，最终使各个轴都能够根据自身运动情况以及其他轴的运动情况进行同步调节，控制系统因此具有较好的同步性能[2]。

图1 偏差耦合式同步控制结构

2 起重机起升机构多电机同步控制策略

假设起重机起升机构有4个吊钩，控制系统采用4台变频器分别驱动4台变频电机。起重机起升机构工作时，PLC系统结合变频器向交流电动机发出具体信号，使得电动机按照设定频率运转，经由传动系统实现提升机构卷扬机吊钩的运动。各台变频电机上采用带光电编码器反馈的闭环控制，控制系统框图如图2所示。速度检测装置需检测电动机的实际转动位移，经由信号处理电路向驱动装置反馈电动机运转相关数据，由PLC控制系统对数据进行比较和处理，结合变频器向电动机发出新的运行信号，消除误差，即可实现起升机构多台电机运行的同步性和稳定性。

图2 闭环交流电动机控制系统框图

在起重机起升机构控制系统中，通过与电动机同轴相连的光电编码器将电机角位移转换成脉冲值，利用PLC的高速计数器功能来统计编码器发出的脉冲个数，比较4台电动机的光电编码器发出的脉冲个数，取最大值，将其他3个的脉冲个数与之相比，将得出的偏差值作为反馈驱动信号，由PLC发出新的信号驱动变频器使3台不同步电动机按照高一级频率运行，直至4台电动机编码器脉冲个数相同，从而实现4吊钩联动时吊钩上升或下降运动距离的一致性，保证了提升过程平稳可靠。其控制流程见图3。

图3 4吊钩联动电动机工作同步控制流程

3 PLC程序及模拟调试

目前很多超小型PLC都具备高数计数器的功能，以松下电工FP0-C32型PLC为例，它具有CH0、CH1、CH2、CH3等4个输入通道，可作为起重机起升机构4台电动机运行反馈信号的采集端口，DT9044—DT9109为4个输入通道的经过值寄存器，里面的数值反映出当前4通道采集的电动机运行的位置信号。控制部分的局部梯形图见图4。

图4 控制系统局部梯形图

利用实验室FP0-C32型PLC设备对控制系统软件设计进行模拟调试。硬件接线正确后，通过RS232数据接口将程序下载给PLC。 程序运行时，将寄存器DT9044写入K60数值，其他数据寄存器写入K30数值,表示1#吊钩电动机超前运行，将程序下载给PLC后执行，此时代表1#、2#、3#、4#吊钩电动机主电路接通的输出Y0、 Y1、Y2、Y3指示灯亮；利用开关模拟速度选择挡位操作后，此时1#、2#、3#、4#变频器接通的Y4、Y5、Y6、Y7指示灯亮，4个变频器按设定值输出10 Hz频率，驱动4个电动机以固定速度速运行；由于程序里对数据寄存器DT9044、DT9048、DT9104、DT9108初始值的写入不同，Y5、Y6、Y7指示灯很快灭掉，代表2#、3#、4#电动机变频器端口6接通的Y8、Y9、YA指示灯亮，表示此时变频器按照设定值输出20 Hz频率驱动2#、3#、4#吊钩电动机运转。当4个数据寄存器初始值中写入相同时，表示4个吊钩电动机运行同步，代表变频器输出频率保持初始值不变的Y4、Y5、Y6、Y7指示灯持续亮。模拟结果显示，PLC控制程序的执行符合前述对4个电动机联动运行的控制要求。

4 结语

本着简单易行的原则，提出一种基于偏差耦合式的多电机同步控制方案，用来实现对起重机起升机构多电机的同步控制。采用闭环的速度检测机构配置，利用光电编码器与PLC高速计数器的配合实现多吊钩联动时电动机同步性的控制，改善了起重机起升机构的工作性能，提高了工作的可靠性和稳定性。PLC软件模拟调试表明控制系统程序设计正确，能够满足起重机起升机构现场工作需求，可应用于工业现场。

[1] Perez-Pinal J，Calderon C，Araujo I. Relative coupling strategy [C]. Proceeding of IEEE International Electric Machines and Drives Conference. Madison：IEEE，2003：1162-1166.

[2]姚武军.多电机同步控制策略研究[D].湘潭：湘潭大学，2013.

[3]张君霞.电气控制及PLC[M] .北京：机械工业出版社, 2013.

[责任编辑：赵 伟]

Application of Relative Coupling Synchronous Control Strategy to Crane Lifting Mechanism

WEN Xiaojuan, YUE Limin

(Zhengzhou Railway Vocational and Technical College, Zhengzhou 451460,China)

As to the problem of the synchronization performance of crane lifting mechanism being at a low level，a synchronization strategy based on relative coupling strategy is proposed. The control system of crane lifting mechanism combines PLC、photoelectric encoder and frequency converter. The result of PLC system design and simulation debugging shows that the control system design is appropriate，with attaining the expected object.

relative coupling; synchronous control; crane; PLC

2015-12-18

文晓娟(1982—)，女，河南西平人，郑州铁路职业技术学院机电工程系讲师，研究方向为机电一体化技术。 岳丽敏(1980—)，女，河南新乡人，郑州铁路职业技术学院机电工程系讲师，研究方向为机电一体化技术。

TH21

A

1008-6811(2017)01-0010-03