基于外轉(zhuǎn)子PMSM的直驅(qū)起升機構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)計

向斌，許名熠

（1.江西工埠機械有限責(zé)任公司，江西 宜春 331200；2.湖南安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院防災(zāi)與救援學(xué)院，湖南 長沙 410151）

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)吊裝、物流轉(zhuǎn)運都需要大量的工業(yè)起重機，包括各類橋式起重機、港口起重機、集裝箱起重機、造船門式起重機等等［1］，其作業(yè)安全及工作效率直接關(guān)系到企業(yè)的經(jīng)濟效益。其中的起升機構(gòu)是起重機最重要的部件，其技術(shù)數(shù)據(jù)決定了起重機的性能優(yōu)劣及安全性。傳統(tǒng)的起重機的起升機構(gòu)由電動機、聯(lián)軸器、傳動軸、減速機、卷筒等組成［2］（見圖1）。傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在傳動環(huán)節(jié)長、斷齒、漏油、噪音大等多個難以解決的問題［3］，并存在斷軸、制動器失效后的失速等安全隱患。

圖1 傳統(tǒng)平行式起升機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

基于一種新型的無齒輪傳動裝置［4］，結(jié)合外轉(zhuǎn)子永磁電機的結(jié)構(gòu)，利用其低速、大扭矩的特點，設(shè)計了基于外轉(zhuǎn)子永磁同步電機（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）的直驅(qū)起升機構(gòu)控制系統(tǒng)。

1 直驅(qū)式PMSM起升機構(gòu)結(jié)構(gòu)形式

直驅(qū)式PMSM起升裝置取消了減速機、聯(lián)軸器和補償軸等，實現(xiàn)了起重機起升機構(gòu)的簡化及輕量化，縮短了傳統(tǒng)起重機力的傳遞路線，避免傳動環(huán)節(jié)可能出現(xiàn)的斷齒、漏油、斷軸、噪音大問題。其外形結(jié)構(gòu)如圖2所示，PMSM的外轉(zhuǎn)子（永磁體）部分與起重機的卷筒合二為一，內(nèi)部是永磁同步電動機的定子（線圈），卷筒作為PMSM的外轉(zhuǎn)子帶動鋼絲繩低速運行，實現(xiàn)起重機的起升動作［5］。

圖2 外轉(zhuǎn)子PMSG結(jié)構(gòu)

2 直驅(qū)式PMSM起升控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 直驅(qū)式PMSM起升控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

起升控制系統(tǒng)實現(xiàn)對PMSM及相關(guān)輔助設(shè)備控制，并實現(xiàn)對外部的安全性采集處理［6］。PMSM電機的驅(qū)動采用永磁同步驅(qū)動變頻器進行速度及轉(zhuǎn)矩的控制。可編程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）做為主要的邏輯控制部件，采集外部操作指令、限位開關(guān)、電機溫度等信號，經(jīng)PLC內(nèi)部邏輯運算及故障檢測處理后，PLC輸出檔位信號、起升制動器開閉閘信號、起升短路接觸器控制信號、故障報警信號、系統(tǒng)啟動及急停信號等，實現(xiàn)對起升系統(tǒng)的控制。

2.2 基于旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子位置檢測的PMSM矢量變頻控制設(shè)計

PMSM起升控制系統(tǒng)采用旋轉(zhuǎn)變壓器作為PMSM的轉(zhuǎn)子位置檢測，實現(xiàn)PMSM矢量控制。圖3為PMSM轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制系統(tǒng)原理框圖。PMSM矢量變頻控制是由電流內(nèi)環(huán)、轉(zhuǎn)速外環(huán)組成的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)［7］。兩相d，q坐標系與轉(zhuǎn)子磁鏈同步旋轉(zhuǎn)，如果d軸在轉(zhuǎn)子磁鏈方向，則轉(zhuǎn)子磁鏈與轉(zhuǎn)矩分別由定子電流的勵磁分量isd和轉(zhuǎn)矩分量isq單獨控制，由此實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子磁鏈的解耦控制。通過旋轉(zhuǎn)變壓器檢測到PMSM外轉(zhuǎn)子的實際轉(zhuǎn)速，并與給定轉(zhuǎn)速nref進行比較，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速環(huán)的控制，同時利用轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，通過速度PI控制器得到定子電流ia，ib的參考輸入給定isqref和isdref。通過相電流檢測電路提取ia和ib，再通過Clark變換將它們轉(zhuǎn)換到定子兩相坐標系中，然后使用Park變換，將它們轉(zhuǎn)換到d，q旋轉(zhuǎn)坐標系中，將d，q坐標系中的電流信號與isqref和isdref相比較，設(shè)定isdref＝0，通過PI控制器計算的控制量。控制信號再通過Park逆變換送到三相逆變器，從而得到控制定子三相對稱繞組的實際電流。速度外環(huán)產(chǎn)生定子電流的參考值，電流內(nèi)環(huán)得到實際控制信號，從而構(gòu)成速度矢量雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。

圖3 PMSM轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制原理圖

2.3 PMSM變頻控制起升控制系統(tǒng)原理圖

基于直驅(qū)式PMSM起升控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，設(shè)計了電氣原理圖如圖4所示。主動力部分包括變頻器及電磁制動器由主電源供電?？刂菩盘柊ú僮髋_的信號給定輸入、限位器、安全保護、超載信號、變頻器故障反饋、制動器故障、電機超溫保護及其他狀態(tài)反饋等信號。核心控制器PLC接收外部的輸入信號，同時經(jīng)過邏輯處理后控制變頻器的檔位，以及故障復(fù)位、制動器狀態(tài)。電磁制動器的開閉動作由變頻器直接控制。電動機轉(zhuǎn)子安裝旋轉(zhuǎn)變壓器進行位置檢測，反饋PMSM的實時轉(zhuǎn)速信號，信號由變頻器的擴展卡接收，提供給變頻器的內(nèi)部速度閉環(huán)矢量算法。變頻器外接制動單元，實現(xiàn)能耗制動。

圖4 PMSM起升控制原理圖

3 直驅(qū)式PMSM起升控制系統(tǒng)測試及應(yīng)用

結(jié)合橋式起重機工程應(yīng)用項目實際情況，設(shè)計一臺外轉(zhuǎn)子PMSM，其設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 5005307型PMSM參數(shù)

在實驗臺架上進行測試，記錄在不同負載的時候的電流及電壓值，檢測該直驅(qū)式PMSM性能及控制效果，是否滿足設(shè)計的要求。

實驗臺如圖5所示。將測試電機安裝固定在臺架上，纏繞單根鋼絲繩，準備不同重量的砝碼，進行不同載荷下的吊載實驗。用多功能萬用表記錄不同載荷（空載、半載、滿載）不同轉(zhuǎn)速下重物向上提升時的PMSM電壓及電流值（見表2）。由數(shù)據(jù)可以看出PMSM在雙閉環(huán)矢量空載方式下，電機運行滿足設(shè)計的要求，不同載荷下運行電流穩(wěn)定，電流隨負載的增加而增大，電壓隨轉(zhuǎn)速的提高而增大，在滿載的情況下，還有一定的裕量，可以滿足現(xiàn)場重載情況下載荷沖擊要求，保證起升機構(gòu)安全穩(wěn)定運行。

圖5 直驅(qū)式PMSM起升性能測試臺

表2 5005307型PMSM不同載荷測試數(shù)據(jù)

該臺PMSM起升機構(gòu)安裝在某造紙廠QD5＋5t橋式起重機上（見圖6），設(shè)備運行正常，滿足使用工況要求。

4 結(jié)論

外轉(zhuǎn)子PMSM直驅(qū)起升機構(gòu)控制系統(tǒng)實現(xiàn)了起重機新型無齒輪傳動裝置的控制功能。在起重機應(yīng)用特點的基礎(chǔ)上，結(jié)合先進的雙閉環(huán)的矢量控制技術(shù)，完成了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、電氣原理圖的設(shè)計，并在實驗臺架上進行了直驅(qū)式PMSM起升機構(gòu)完整測試，分析了在不同載荷不同轉(zhuǎn)速下的電壓、電流數(shù)據(jù)，證明了該控制系統(tǒng)能夠滿足起重機起升機構(gòu)的控制要求，實現(xiàn)了設(shè)計的各種功能，并成功應(yīng)用在QD5＋5t橋式起重機現(xiàn)場使用工作中，滿足了起重設(shè)備的工況要求。

圖6 QD5＋5t橋式起重機起升機構(gòu)