橋式起重機異步電機驅(qū)動的機電系統(tǒng)建模

摘 要：本文提出了一種基于異步電機驅(qū)動的橋式起重機機電系統(tǒng)建模方法，該方法能快速、準確地校正起重機的偏斜和橫向位移。采用直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)對異步電動機進行控制，4個非接觸式距離傳感器用于分析起重機的位置，并識別起重機相對于軌道的偏斜。利用通用機構(gòu)（UM）中的軟件包，建立了一個具有高度細節(jié)化的橋式起重機力學(xué)模型。在MATLAB/Simulink軟件中對電氣部分和控制系統(tǒng)進行了仿真，通過UM共模擬接口，將所開發(fā)的機械和電氣子系統(tǒng)模型組合成橋式起重機的集成機電模型，以分析動態(tài)過程。

關(guān)鍵詞：橋式起重機；異步電機；轉(zhuǎn)矩控制；系統(tǒng)建模

中圖分類號：TM 343" " " " 文獻標志碼：A

橋式起重機是常用于工業(yè)領(lǐng)域的重型起重裝置，異步電機驅(qū)動系統(tǒng)是其重要部分。系統(tǒng)建模分析是保證橋式起重機高效、穩(wěn)定工作的關(guān)鍵。復(fù)雜機電對象多電機驅(qū)動，如機車、橋式起重機、機械手等現(xiàn)代控制系統(tǒng)的發(fā)展需要分析產(chǎn)品的電氣和機械部件子系統(tǒng)在相互作用和相互影響中的動態(tài)過程。本文通過改進控制方式來減少事故，并延長機器和機構(gòu)的耐用性。為了在設(shè)計階段預(yù)測復(fù)雜機電系統(tǒng)中的動態(tài)過程，需要使用專門的軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)允許以高度的細節(jié)和可視化進行模擬，進行機電過程的聯(lián)合分析時通常使用簡化模型[1-3]。

1 機電系統(tǒng)模型

1.1 機械子系統(tǒng)模型

本節(jié)運用通用機構(gòu)（UM）軟件程序模塊中的UM輸入，開發(fā)了一個強大的橋式起重機的機械模型。該起重機具有橋梁支撐架的單獨驅(qū)動，如圖1所示。建模包括的關(guān)鍵條件為起重機的機械部分，表現(xiàn)為通過彈性耗散連接的剛體系統(tǒng)，包括駕駛室、平衡車和橋梁的跨梁元件等。

模型的所有部分都通過鉸鏈相互連接，鉸鏈決定了物體的位置和可運動方向。維修車間小車的車廂和區(qū)域固定安裝在起重機的框架上，起重機具有6個自由度。車輪、平衡車和車架通過旋轉(zhuǎn)接頭連接，模擬貨物在小車上懸架連接點附近振蕩的物理擺，該過程有一個自由度，可以沿著端梁間的跨度移動，根據(jù)橋梁彈性調(diào)整后的模型總共有104個自由度[4-5]。

采用彈黏軌道模型。軌道在垂直面上的慣性特性被簡化為車輪的質(zhì)量，在水平面上，軌道被視為一個無質(zhì)量的力單元，因此不需要確定軌道上部結(jié)構(gòu)的動載荷。該軌道模型被廣泛用于軌道交通的動力特性評估，集成的UM模塊可實現(xiàn)該模擬。

此外，對于起重機的運動機制和所有軌道車輛模型，UM中都提供了附加參數(shù)的定義，其特征如下：附加模塊蠕變力計算和軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)；在給定光譜密度上產(chǎn)生隨機粗糙度和各種類型的周期性、偶發(fā)性程序；定義車輪和軌道輪廓的視覺媒介、相關(guān)路段的潛在附著力系數(shù)。

1.2 電氣子系統(tǒng)模型

橋式起重機電氣子系統(tǒng)模型分析是建立起重機的電氣模型并對其進行分析的過程。可以評估起重機的電氣性能和工作特性，提高其安全性、穩(wěn)定性和效率，并為設(shè)計和改進橋式起重機的電氣系統(tǒng)提供參考。

首先，需要建立起重機電機模型。起重機電機是起重機的動力源，重點是確定電機的動態(tài)特性，包括起動、制動、負載變化等情況下的速度、力矩和電流響應(yīng)。通過分析電機模型，可以了解電機性能，并優(yōu)化電機控制系統(tǒng)。其次，需要建立電源模型。電源模型考慮供電系統(tǒng)對起重機的影響，包括電壓頻率、穩(wěn)定性等因素。通過分析電源模型，可以確定合適的電源參數(shù)，并保證供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。再次，需要建立控制系統(tǒng)模型?？刂葡到y(tǒng)模型考慮起重機的控制器結(jié)構(gòu)、控制策略和閉環(huán)控制等因素。通過分析控制系統(tǒng)模型，可以評估控制系統(tǒng)的性能。最后，需要建立傳感器模型。傳感器模型考慮傳感器的性能、精度以及傳感器輸出信號對起重機控制的影響。通過分析傳感器模型，可以選擇合適的傳感器，并優(yōu)化傳感器參數(shù)，提高起重機的定位和測量精度。

利用MATLAB/Simulink主庫軟件包建立電氣子系統(tǒng)的模型，包括鼠籠轉(zhuǎn)子異步驅(qū)動橋式起重機的電氣驅(qū)動控制系統(tǒng)。直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）用于控制異步電機（AD）。DTC系統(tǒng)具有高速度和高精度，能夠克服橋式起重機運行中發(fā)生的擾動，因此該系統(tǒng)可以用于控制橋式起重機運動的異步電力驅(qū)動機構(gòu)。起重機行走機構(gòu)中的電氣驅(qū)動控制系統(tǒng)可保證動態(tài)偏斜校正和橫向位移校正。

起重機行走機構(gòu)中的感應(yīng)電機控制系統(tǒng)是一種雙回路結(jié)構(gòu)速度控制系統(tǒng)，包括速度的外部輪廓和DTC的內(nèi)部電路。從轉(zhuǎn)子側(cè)電壓Ur1/Ur2參考信號中減去與速度傳感器成比例的反饋電壓Uf1/Uf2信號反饋。所得誤差信號被反饋到產(chǎn)生預(yù)轉(zhuǎn)矩信號的速度控制器的輸入端，并被饋送到設(shè)定點的輸入側(cè)，該設(shè)定點產(chǎn)生具有限制的發(fā)動機扭矩的參考信號。根據(jù)直接轉(zhuǎn)矩控制原理，每個電機定子側(cè)的轉(zhuǎn)矩參考信號和磁鏈出現(xiàn)在DTC塊上。該DTC塊形成逆變器（UVT1-UVT6）的控制信號。強度控制裝置用于根據(jù)所需原理平穩(wěn)地改變所設(shè)置的Ur1/Ur2值，DTC系統(tǒng)中的磁鏈和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器為繼電器。速度控制器根據(jù)比例選擇，實現(xiàn)了系統(tǒng)的高動態(tài)特性。非接觸式傳感器布置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

傳感器測量起重機框架指定點到軌道的距離，允許計算所需的差值如公式（1）、公式（2）所示。

Δ12=LD1-LD2 （1）

Δ34=LD3-LD4 （2）

式中：Δ12、Δ34分別為差值；LD1～LD4為D1～D4傳感器的測試距離。

校正措施的值根據(jù)最大值Δ12和Δ34的比例計算，如公式（3）所示。

Uk=k·max（Δ12；Δ34） （3）

式中：Uk是校正的值；k是根據(jù)信號電平和允許的起重機橫向位移選擇的比例系數(shù)。

測量的微分值可正確識別起重機相對于軌道的偏斜，并在此基礎(chǔ)上為起重機移動方向調(diào)整的值形成校正信號，從而在當前情況下提供抽頭的對準。在橫向位移情況下，為了消除偏差，必須形成變形，如果Uk信號超過指定閾值，則保存先前的信號。偏斜部分的校正基于MATLAB代碼文本并在電氣部件的模型中實現(xiàn)。

通過控制系統(tǒng)的綜合，對基于廣義兩相電機的感應(yīng)電機進行數(shù)學(xué)分析，在S函數(shù)的基礎(chǔ)上，建立感應(yīng)電機變流器靜態(tài)饋電工作的數(shù)學(xué)模型。繼電器控制器塊的模型由MATLAB/Simulink庫中的繼電器元件模型組成，三位開關(guān)點采用2個并聯(lián)的繼電器元件實現(xiàn)。運用基本MATLAB/Simulink庫中的多端口開關(guān)和查找表元素來執(zhí)行實現(xiàn)自主電壓逆變器開關(guān)表的單元邏輯機的模型。

2 試驗機電模型分析

本文將開發(fā)的機械和電氣子系統(tǒng)模型組合成橋式起重機的集成機電模型來分析動態(tài)過程。該組合是通過UM共模擬接口實現(xiàn)的，電氣子系統(tǒng)的模型中包括在UM中實現(xiàn)的機械子系統(tǒng)模型，該模型使用MATLAB/Simulink S函數(shù)的標準塊在MATLAB/Simuink中開發(fā)，如圖3所示。該標準塊在UM中使用了一個特殊的仿真接口，稱為“導(dǎo)出口”。該輸出被分配給S函數(shù)，在計算過程中，2個子系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)，包括單個機電模型，交互功能通過COM技術(shù)實現(xiàn)。

在相應(yīng)的范圍內(nèi)選擇計算電氣和機械子系統(tǒng)的步驟，以保證達到要求精度并減少模擬時間。感應(yīng)電機的電磁矩是機械部件的輸入量，在電氣子系統(tǒng)中對其進行計算并傳遞到機械子系統(tǒng)中，需要計算出速度、運動、來自4個距離傳感器的信號以及從機械子系統(tǒng)傳輸?shù)诫姎庾酉到y(tǒng)的受控作用力?？刂葡到y(tǒng)使用傳感器信號在橋式起重機的相應(yīng)支架發(fā)動機上形成校正偏斜信號。通過比較單個驅(qū)動模式的模擬結(jié)果與分析計算結(jié)果，可驗證起重機橋架模型的充分性。

3 實例分析

試驗結(jié)果如圖4～圖6所示。運用構(gòu)建的控制系統(tǒng)對橋式起重機運動研究建模的變化。在該模型試驗中，使用了模型的變量，該變量排除了橋梁的彈性。假設(shè)提升小車位于支架右側(cè)，即移動方向附近。移動開始時，起重機相對于軌道對稱安裝。為了進行比較，仿真圖顯示了存在校正和不存在校正的情況下的結(jié)果，仿真控制系統(tǒng)能快速、準確地校正起重機的偏斜及其橫向位移。

偏置抽頭仿真角度如圖4所示，橫向位移如圖5所示，可以得出調(diào)整能夠順利進行，無驟變量。準穩(wěn)態(tài)模式下的校正動作以幾乎相等的頻率進行，如圖6所示。在校正的情況下，發(fā)動機電磁力矩將相應(yīng)的軸承電機速度穩(wěn)定在指定水平，而不校正則可能出現(xiàn)錯位和橫向移動。

由于右側(cè)為橫向位移，法蘭與軌道接觸發(fā)生在22s時，而未校正抽頭位置。因此，偏置為最大值-21.5×10-4rad，該情況下的失真是抽頭縱軸相對于軌道軸的角度，進而偏置幾乎減至零，但橫向位移變?yōu)樽畲?，起重機的進一步移動會隨著軌道上凸緣的摩擦。在進行校正的情況下駕駛，模擬時間內(nèi)沒有固定凸緣與軌道的接觸，起重機相對于軌道實際為對稱移動。控制系統(tǒng)根據(jù)開發(fā)的算法，并通過交替改變驅(qū)動支撐電機的速度來調(diào)節(jié)橫向運動，來防止起重機向右移動，起重機相對于中心位置的橫向位移不超過3mm。

4 結(jié)論

本文采用MATLAB/Simulink軟件產(chǎn)品與通用結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方法對起重機的機電系統(tǒng)進行建模。結(jié)果表明，所提供的異步電機驅(qū)動控制系統(tǒng)限制了起重機的變形，可切實防止輪緣與起重機軌道接觸，從而減輕了懸索橋起重機和運行軌道的負荷。所提出的技術(shù)允許通過使用仿真軟件對機械和電氣子系統(tǒng)的相互作用進行詳細模擬。該技術(shù)可以實現(xiàn)分析控制系統(tǒng)和機電過程，模擬各種軌道不規(guī)則性、牽引條件等，運用新算法可實現(xiàn)軌道上的設(shè)定點位運行，并可在負載移動時考慮并測試起重機和轉(zhuǎn)向架的移動控制。

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