重載開啟橋多點驅(qū)動系統(tǒng)的同步性研究

施力可，戴松貴

（寧波梅山島開發(fā)投資有限公司，浙江 寧波 315832）

0 引言

寧波紅橋的下層橋架重達(dá)1200t，懸掛于主橋下方，采用多點驅(qū)動系統(tǒng)實現(xiàn)水平開啟和閉合。由于機(jī)械結(jié)構(gòu)、受力狀態(tài)和經(jīng)濟(jì)性等多種原因，需要在移動橋架上安裝多臺電機(jī)[1,2]，用于共同驅(qū)動機(jī)械系統(tǒng)的負(fù)載，這種傳動系統(tǒng)通常稱為多點驅(qū)動系統(tǒng)[3,4]。

由于電機(jī)結(jié)構(gòu)和特性上不可避免的差異性，即使使用相同品牌和相同型號的電機(jī)，每臺電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速都不可能絕對相同。在實際工作時，多點驅(qū)動傳動系統(tǒng)中電機(jī)的負(fù)載情況是不一樣的。這種電機(jī)輸出功率上的不平衡，會影響系統(tǒng)驅(qū)動能力的正常發(fā)揮，嚴(yán)重時會導(dǎo)致電機(jī)過載、燒毀等一系列問題的出現(xiàn)，引起機(jī)械系統(tǒng)的其它故障，使生產(chǎn)系統(tǒng)無法正常運(yùn)行。因此，在多點驅(qū)動時必須保證電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速能實時控制調(diào)節(jié)，保證各電機(jī)轉(zhuǎn)速保持一致。

本文針對重載開啟橋的多點同步驅(qū)動系統(tǒng)，提出了重載開啟橋多點驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計方案和同步控制算法，開發(fā)了實時網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，通過計算機(jī)控制、傳感及變頻技術(shù)，實現(xiàn)多點驅(qū)動的同步控制，并進(jìn)行了實際測試。

1 重載開啟橋多點驅(qū)動系統(tǒng)

如圖1所示，下層移動橋架懸掛于主橋下方，通過驅(qū)動機(jī)構(gòu)實現(xiàn)水平方向的開啟與閉合。

圖1 寧波紅橋布置圖Fig.1 Layout of Ningbo Red Bridge

驅(qū)動機(jī)構(gòu)主要由驅(qū)動軌道和鏈驅(qū)動裝置組成。鏈驅(qū)動裝置采用“電機(jī)+直角行星減速器+鏈傳動”方式；驅(qū)動軌道與上部固定結(jié)構(gòu)連接，鏈驅(qū)動裝置與下部移動橋架采用銷軸連接，且掛在驅(qū)動軌道上。

如圖2所示，鏈驅(qū)動裝置采用了懸掛在驅(qū)動軌道上，與下部移動橋架采用銷軸連接的安裝方式。其作用是限制了其水平面內(nèi)與移動橋架的自由度，但允許其豎向與移動橋架之間的自由度，從而確保移動橋架整體±25mm的上下調(diào)整量。 鏈驅(qū)動裝置上的水平導(dǎo)向輪和銷軸除保證鏈傳動嚙合的精度與自適應(yīng)之外，還主要用于承受移動橋架的側(cè)向載荷（風(fēng)載荷）。

圖2 驅(qū)動機(jī)構(gòu)Fig.2 Driving mechanism

2 多點驅(qū)動系統(tǒng)的同步控制算法

在多電機(jī)傳動鏈同步驅(qū)動系統(tǒng)中，各電機(jī)一般通過減速機(jī)構(gòu)與傳動鏈進(jìn)行機(jī)械連接，各電機(jī)的同步要求比獨立電機(jī)同步驅(qū)動嚴(yán)格得多。但由于電機(jī)之間存在柔性連接，因而不能僅以各電機(jī)的速度反饋信號為同步控制依據(jù)。更要引入各電機(jī)的負(fù)荷大小進(jìn)行負(fù)荷均衡控制，以達(dá)到真正的同步傳動。因為在傳動鏈運(yùn)動過程中，各傳動電機(jī)實際上或主動或被動地都處于同一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，能夠迅速、準(zhǔn)確反映各電機(jī)同步狀態(tài)的信息主要是各電機(jī)的負(fù)載電流。當(dāng)某電機(jī)的轉(zhuǎn)速較其它同步運(yùn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速快時，其負(fù)載電流必加大，反之負(fù)載必減小。此外，柔性連接的多驅(qū)動電機(jī)之間存在著嚴(yán)重的耦合關(guān)系，當(dāng)某臺電機(jī)的轉(zhuǎn)速降低時，該電機(jī)在系統(tǒng)中不僅失去了拖動作用，還要作為負(fù)載被傳動鏈上其它電機(jī)拖著同步運(yùn)轉(zhuǎn)，這導(dǎo)致其它電機(jī)的負(fù)載立即加重。因此，對這類柔性連接同步驅(qū)動的多臺電機(jī)，其控制原則應(yīng)是以電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速信息為參考，以電機(jī)的負(fù)載電流信息為依據(jù)。

單側(cè)橋架布置12個電機(jī)，驅(qū)動橋架時只需其中8個電機(jī)，其他4個為備用電機(jī)。電機(jī)通過直角行星減速器及鏈傳動方式驅(qū)動橋架同步開啟和閉合，此驅(qū)動系統(tǒng)為柔性連接電機(jī)同步驅(qū)動控制系統(tǒng)。因而，不能僅以各電機(jī)的速度反饋信號為同步控制依據(jù)，更要引入各電機(jī)的負(fù)荷大小進(jìn)行負(fù)荷均衡控制，以達(dá)到真正的同步傳動。以同步控制兩個電機(jī)為例，描述此柔性連接同步驅(qū)動系統(tǒng)，其控制框圖如圖3所示。

圖3 雙級柔性連接同步控制系統(tǒng)Fig.3 Two stage flexible connection synchronous control system

在控制系統(tǒng)中，uR為速度給定，由轉(zhuǎn)速反饋構(gòu)成閉環(huán)穩(wěn)速控制，速度控制輸出為udj（j=1,2），同步控制主要靠電流反饋進(jìn)行負(fù)荷均衡補(bǔ)償。第k時刻負(fù)荷均衡補(bǔ)償量uij，按下式計算：

式（1）中，kj為補(bǔ)償系數(shù)，由現(xiàn)場工藝決定，i1(k)，i2(k)為兩驅(qū)動電機(jī)的反饋電流，計算系數(shù)cj(k)，dj(k)按下式計算：

式中，Sing(x)為符號函數(shù)，其定義為：

icj(k)和idj(k)按下式計算：

式中，Δi為驅(qū)動電機(jī)的負(fù)載允許工作帶寬。

由于驅(qū)動下層橋架的12個電機(jī)為柔性同步驅(qū)動，依據(jù)上述雙級柔性電機(jī)驅(qū)動同步控制方式，驅(qū)動電機(jī)同步控制框圖如圖4所示，以變頻器的電流反饋構(gòu)成負(fù)荷均衡補(bǔ)償環(huán)節(jié)。

圖4 多點驅(qū)動電機(jī)同步控制框圖Fig.4 Synchronous control block diagram of multipoint drive motor

采用前述的柔性連接多級電機(jī)同步控制方案，在測速方法上，采用T法與M法相結(jié)合切換測速，以達(dá)到較高精度的速度測量，即在低速時采用T法，測取旋轉(zhuǎn)編碼器兩相鄰脈沖之間的時間計算電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度，在高速時采用M法測速，在相等的時間間隔內(nèi)測取脈沖個數(shù)計算轉(zhuǎn)速。

系統(tǒng)的速度控制采用常規(guī)PID算法，同步驅(qū)動控制算法為：

其中，ucj(k)為第j臺電機(jī)變頻器控制輸入；a分別為比例因子，積分因子和微分因子；e(k)、e(k-1)和e(k-2)為第k，k-1次和k-2時刻8個驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速的差，unj(k)為第j臺電機(jī)負(fù)荷均衡補(bǔ)償量，按式（1）～式（6）計算。

3 多點驅(qū)動系統(tǒng)的同步控制算法

多點驅(qū)動系統(tǒng)的電控系統(tǒng)通過計算機(jī)控制、傳感及變頻技術(shù)，實現(xiàn)多點驅(qū)動的同步控制。電控系統(tǒng)是基于CAN總線組建實時網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)和基于TCP/IP組建實時網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，其電控系統(tǒng)框圖如圖5所示。

圖5 電控系統(tǒng)框圖Fig.5 Block diagram of electric control system

基于CAN總線組建的實時網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)由主控制柜、泵站控制系統(tǒng)、電機(jī)控制系統(tǒng)組成。

主控制柜是實時網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的核心，其通過CAN_A端口與泵站控制系統(tǒng)和電機(jī)控制系統(tǒng)通信，發(fā)送控制數(shù)據(jù)給泵站和電機(jī)控制箱，并接收泵站和電機(jī)控制箱反饋的數(shù)據(jù)；通過CAN_B端口與計算機(jī)通信，發(fā)送狀態(tài)數(shù)據(jù)給計算機(jī)。

泵站控制系統(tǒng)一方面作為驅(qū)動單元，根據(jù)控制數(shù)據(jù)控制電磁閥狀態(tài)，從而控制油缸動作；另一方面作為信號采集單元，采集移動橋架開啟到位信號、關(guān)閉到位信號、插銷到位信號、鎖定到位信號和懸掛油缸的載荷信號，并將這些信號通過CAN_A端口發(fā)送給主控制柜。

電機(jī)控制系統(tǒng)一方面作為驅(qū)動單元，其根據(jù)控制數(shù)據(jù)控制變頻器狀態(tài)，從而控制電機(jī)運(yùn)動，并在電機(jī)工作過程中驅(qū)動警示燈達(dá)到安全警示作用；另一方面作為信號采集單元，采集電機(jī)的運(yùn)行行程信號，并通過CAN_A端口發(fā)送給主控制柜。

基于TCP/IP組建的實時網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)由攝像頭組和計算機(jī)組成。

攝像頭組用于監(jiān)測關(guān)鍵位置，實現(xiàn)監(jiān)控可視化。

計算機(jī)一方面通過USB端口讀取USB-CAN模塊所接收的控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)并進(jìn)行實時顯示；另一方面通過網(wǎng)絡(luò)端口接收圖像數(shù)據(jù)并進(jìn)行顯示。

上述電控系統(tǒng)具備以下安全保護(hù)：

1）供電保障：采用市電和柴油發(fā)電機(jī)組共同供電，ATS切換，保證電源供應(yīng)。

2）電機(jī)驅(qū)動：采用變頻調(diào)速和工頻調(diào)速并聯(lián)工作，若變頻調(diào)速出現(xiàn)故障，手動操作50Hz電源直接驅(qū)動橋架運(yùn)行。

3）電機(jī)停止：一方面將限位開關(guān)常閉觸點接入電機(jī)驅(qū)動回路中，當(dāng)限位開關(guān)生效時，電機(jī)驅(qū)動回路斷電，電機(jī)停止；另一方面將限位開關(guān)常開觸點接入控制器，當(dāng)限位開關(guān)生效時，控制器斷開電機(jī)驅(qū)動回路中的某個觸點，電機(jī)停止。

4）電氣互鎖：若處于鎖定工況，則驅(qū)動機(jī)構(gòu)無效；為防止某個限位開關(guān)損壞，引起的誤判斷，并聯(lián)安裝多個限位開關(guān)。

5）聲光警示：安裝多個聲光報警燈，橋架移動時進(jìn)行聲光警示。

6）多重限位：在兩端終點處安裝多重限位開關(guān)，當(dāng)靠近時，分級先減速后停止。

7）通信保護(hù)：實時檢測控制系統(tǒng)的通信狀態(tài)，出現(xiàn)通信故障時停機(jī)并報警。

4 多點驅(qū)動系統(tǒng)的實際運(yùn)行

在橋架開啟時，懸掛油缸承受橋架恒重，由于液壓系統(tǒng)的泄漏、執(zhí)行元件的非線性摩擦阻力、控制元件和系統(tǒng)的制造誤差等因素，系統(tǒng)的同步性能將受到影響。本文進(jìn)行了下層橋架多點驅(qū)動系統(tǒng)的安裝和測試，如圖6所示。

圖6 驅(qū)動系統(tǒng)試驗Fig.6 Driving system test

測試結(jié)果表明：

1）驅(qū)動機(jī)構(gòu)沿軌道行走時平穩(wěn)無障礙，齒輪鏈條嚙合正常，無異常響聲。

2） 驅(qū)動機(jī)構(gòu)與活動橋架連接后，行走狀態(tài)時每對齒輪鏈條處于承載狀態(tài)。

3）驅(qū)動機(jī)構(gòu)的導(dǎo)向裝置能夠有效防止驅(qū)動機(jī)構(gòu)或齒輪與鏈條脫離嚙合，限制齒輪的軸向和徑向運(yùn)動。

4）8個點位同時驅(qū)動時，同步精度可保持在1mm以內(nèi)。

5 結(jié)論

本文提出了重載開啟橋多點驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計方案移動橋架，實現(xiàn)重載開啟系統(tǒng)的水平驅(qū)動與側(cè)向承載，并具有整體的上下調(diào)整余量和自適應(yīng)特征。設(shè)計開發(fā)了重載開啟橋多點驅(qū)動系統(tǒng)的同步控制算法和電控系統(tǒng)，通過計算機(jī)控制、傳感及變頻技術(shù)，實現(xiàn)多點驅(qū)動的同步控制。測試結(jié)果表明，驅(qū)動機(jī)構(gòu)沿軌道行走時平穩(wěn)無障礙，能按預(yù)期實現(xiàn)移動橋架的開啟與閉合；8個點位同時驅(qū)動時，同步精度可保持在1mm以內(nèi)。