摘要 本文介紹了以ARM7芯片為核心并配合變頻拖動技術的橋式起重機新型控制系統(tǒng)的軟、硬件設計方案，闡述了其速度控制策略。系統(tǒng)采用帶脈沖監(jiān)視輸出卡（PG卡）速度反饋的閉環(huán)控制方式，通過旋轉編碼器對起升機構的運行速度和運行方向進行監(jiān)控。系統(tǒng)實現了對起重機的可靠控制和平穩(wěn)調速。

關鍵詞 拖動控制；嵌入式；變頻變壓調速；旋轉編碼器

中圖分類號 TP273 文獻標識碼 A 文章編號 1673-9671-(2012)051-0158-02

目前橋式起重機廣泛采用的控制系統(tǒng)以繼電器為邏輯控制元件，采用繼電器—接觸器進行控制。這種控制系統(tǒng)通過繞線轉子異步電動機轉子回路中串聯電阻的方法進行起動和調速，帶來的機械沖擊嚴重，容易造成金屬結構損傷，電氣元件頻繁損壞，機械制動磨損嚴重，設備經常故障大修，且保護性能差，能源損耗大，影響起重機的工作效率和作業(yè)安全。而以PLC為核心的控制系統(tǒng)，其端口數量少，通信能力弱，且功能有限，譬如沒有模擬量輸出的功能，無法實現對起重機的精確控制。

本文在采用變頻拖動技術的基礎上，提出以基于ARM7TDMI-S內核的嵌入式微處理器LPC2378作為橋式起重機控制系統(tǒng)的CPU，擺脫橋式起重機舊式控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定性和功能局限性，提高了起重機的自動化和智能化程度，簡化了系統(tǒng)結構，減少了硬件開銷，提高了起重機的運行與安全性能。變頻技術的采用則實現了起重機的無級調速，起制動平穩(wěn)，制動器磨損小，并具有電機發(fā)熱量小、節(jié)能高效、噪聲等污染小的優(yōu)點。

1 系統(tǒng)總體設計

本文設計的橋式起重機控制系統(tǒng)的核心部件是安裝在其控制柜內的以微處理器LPC2378作為核心的嵌入式主控制器和4臺安川G7系列變頻器，它們與橋式起重機各運行機構的電機構成了一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。橋式起重機的主鉤、副鉤、大車、小車電機都需要獨立運行，其中主鉤、副鉤、小車電機分別由3臺變頻器單獨控制，大車兩臺電機共用1臺變頻器控制。本設計采用嵌入式微處理器LPC2378代替原來的繼電器-接觸器控制方式，完成系統(tǒng)邏輯控制部分的功能，電機的正反轉、調速等控制信號進入LPC2378，經其處理后向變頻器發(fā)出起停、調速等信號，控制電機的工作。控制系統(tǒng)結構如圖1所示。

橋式起重機的主控制器主要完成各運行機構動作指令的登記與執(zhí)行、各運行機構速度控制、安全保護裝置檢查、故障檢測與處理等功能。主控制器通過CAN串行總線通信的方式與各運行機構變頻器、主/副鉤起升重量限制器實現信息與數據的實時、有效交換。主控制器采集到控制盒或者司機操縱室發(fā)送的主/副鉤升降、大車行走以及小車行走等動作請求后，按照程序制定的控制策略，經過邏輯與算術運算做出控制決策，向變頻器和電動機、制動器發(fā)出相關的速度指令與控制指令，實現橋式起重機主、副鉤升降運行和大、小車行走運行的控制。同時主控制器還根據主/副鉤起升高度限位器、主/副鉤下降限位器、大車行程限位器、小車行程限位器、急停和門聯鎖開關、變頻器反饋的運行狀態(tài)、接觸器反饋的動作狀態(tài)、以及起升重量限制器反饋的稱重信號等信息判斷當前橋式起重機各運行機構的位置、安全和故障狀態(tài)。

本文設計的主、副鉤電機采用高性能的變頻專用電機，代替原繞線轉子異步電機，并且配置變頻器，裝設有旋轉編碼器，采用帶PG卡速度反饋的閉環(huán)控制方式，通過旋轉編碼器對主、副鉤的運行速度和運行方向進行監(jiān)控，可實現對其運行的精確控制，并能實現超速保護和防逆轉保護功能。大、小車的拖動采用普通的籠型異步電動機代替原繞線轉子異步電動機，采用開環(huán)控制

方式。

2 嵌入式主控制器的設計

2.1 主控制器硬件設計方案

橋式起重機主控制器的硬件整體設計方案如圖2所示。

本文設計的變頻拖動橋式起重機嵌入式主控制器，根據其硬件功能可劃分為如下五個模塊。

1）微處理器模塊：嵌入式微處理器是橋式起重機主控制器的CPU，本文采用恩智浦公司以ARM7TDMI-S為內核的32位RISC芯片LPC2378。該芯片具有強大的運算處理能力以及豐富的片上硬件資源，可簡化主控制器的硬件結構，降低軟件設計的復雜性，并提高主控制器的穩(wěn)定性和可靠性。

2）輸入模塊：橋式起重機主控制器的輸入主要包括各個行程限位器狀態(tài)輸入、主/副鉤起升重量限制器檢測輸入、急停開關輸入、司機操縱室和橋架通道的門聯鎖開關輸入、變頻器運行狀態(tài)輸入、接觸器動作狀態(tài)輸入、速度檢測脈沖輸入。

3）輸出模塊：DA模擬量輸出是指負載補償模擬量輸出。負載補償輸出用于電機啟動時的轉矩補償，作用是防止橋式起重機的主、副鉤啟動起升時發(fā)生反轉，避免因為“溜鉤”而導致的安全事故。主控制器向變頻器輸出多段速數字量，實現對各運行機構的速度控制。主控制器輸出的變頻器控制信號與接觸器控制輸出信號均是繼電器輸出信號，用于實現對變頻器的控制和制動器松、抱閘的操作。

4）通信模塊：主要是指CAN通信電路，它是橋式起重機主控制器與其它控制器，如各運行機構變頻器控制器、主/副鉤起升重量限制器控制器等的通信接口電路。

5）人機交互模塊：本文設計的人機交互模塊主要用來操作橋式起重機的運行，并實時獲取橋式起重機的載荷狀態(tài)和警報信號，其由控制按鈕電路、液晶顯示接口電路和聲光報警器電路

組成。

2.2 主控制器軟件設計方案

本文設計的橋式起重機主控制器軟件，其結構分為三個層次，分別為：底層硬件驅動層、中間接口層、應用層。本文采用模塊化的軟件設計方法編寫各個程序函數，方便軟件的調試和

維護。

底層作為硬件驅動層，其各模塊的函數主要作用是實現對嵌入式微處理器LPC2378片上硬件資源的配置，并完成基本的操作。中間層是介于應用層和底層硬件驅動層之間的接口層，其主要實現橋式起重機基本配置參數的保存和讀寫、獲取和處理橋式起重機主控制器的各種輸入、實現橋式起重機各運行機構的速度控制、實現CAN通信協議等。本文采用了防抖動的軟件設計方式，并應用在對輸入信號的讀取，有助于提高系統(tǒng)的軟件抗干擾能力，使本文的程序更適應用于橋式起重機的工作環(huán)境。應用層的軟件設計主要是控制程序設計。控制程序實現對橋式起重機各運行機構的運行控制，針對主/副鉤、大車和小車不同的工作性能和安全保護要求，設計了相對應的程序模塊。

3 速度控制策略的設計

本文的橋式起重機主控制器對橋式起重機各運行機構的速度控制是一種間接控制的過程。主控制器通過控制變頻器，再經變頻器對電機的運轉速度和運轉方向進行控制。這就從根本上改變了目前橋式起重機中廣泛采用的以繞線轉子異步電動機轉子回路中串聯電阻的方法進行調速控制的方式，利用嵌入式主控制器強大的邏輯處理能力和變頻器優(yōu)異的調速性能，使橋式起重機各運行機構電機的調速和起、制動更加平穩(wěn)，減少運行中的機械沖擊以及制動磨損。

主控制器向變頻器輸出多段速數字量來實現對電機的速度控制，其運行速度曲線完全由變頻器產生，這既可充分利用變頻器的強大功能，又可減少對主控制器資源的占用，并可通過預設速度參數的方式使起重機各運行機構的工作速度更符合工業(yè)現場的應用需要。在多段速數字量控制方式下，橋式起重機主控制器控制變頻器的速度指令是變頻器3個速度控制端子的二進制組合，每一個組合代表了一種速度。變頻器的3個速度控制端子信號來自主控制器的3個繼電器輸出端口。除了零速，橋式起重機各運行機構最多可有7段自小到大的運行速度選擇。

本文設計的橋式起重機主、副鉤升降速度控制采用7段速度，即當起重機的主鉤或副鉤運行時，最多有7條速度曲線可供選擇。在起重機主、副鉤運行前，主控制器將根據主、副鉤的升降行程和換速距離選擇7段速度中某一段速度運行。其中，換速距離需要對應7段速度中的每一段速度，根據變頻器端設定的時間曲線參數經過計算后得出，并需在主控制器上進行設定。而主、副鉤的升降行程h行程可由如下的計算方法確定：

當主、副鉤啟動上升的運行，其上升行程h行程由公式（1）算得。當主、副鉤啟動下降的運行，其下降行程h行程由公式（2）算得。其中H額定是主、副鉤的額定起升高度，其定義為主、副鉤起升高度限位器與下降限位器之間的垂直距離，亦即實際可供主、副鉤升降運行的最大行程，它為程序中預設定的參數；h則是主、副鉤當前所處位置與其下降限位器之間的垂直距離，可由程序算法對主、副鉤電機自下降限位器進行起升運行至主副、鉤當前所處位置產生的速度脈沖計數得出。算法中對脈沖的計數采取“上升則加、下降則減”的規(guī)則進行。

h行程=H額定-h （1）

h行程=h （2）

根據主、副鉤的升降行程和換速距離選擇某一段速度運行，例如當升降行程和換速距離較大的時候就選擇7段速度中較高的速度運行，這樣的速度控制策略，可使得主、副鉤的起動加速和制動減速更加平滑，并能選擇更合適的速度運行至預定位置，實現平穩(wěn)而高效的調速控制。

4 結論

隨著社會經濟的不斷發(fā)展和科學技術的飛速進步，生產應用上對橋式起重機的工作性能、安全保障和低耗節(jié)能等方面的要求越來越高，橋式起重機的控制技術正朝著自動化、智能化和網絡化等方向發(fā)展。本文設計的嵌入式橋式起重機變頻拖動控制系統(tǒng)，尤其適合于對起重機的運行性能和控制精度有較高要求的工業(yè)應用。

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