雙起升場橋雙吊具位置同步控制方法研究

摘 要 目前，集裝箱港口作業多采用單箱操作，大大影響了港口的作業效率。文章根據雙吊具的操作原理，在雙電機傳動試驗平臺的基礎上，建立了異步電機矢量控制的Simulink仿真模型，在Simulink仿真的基礎上，提出了半閉環位置跟蹤控制系統方法，實驗結果表明，無論是正常狀況還是干擾作用下，電機2均能可靠跟蹤電機1的運動，兩者同步誤差較小，達到了較好的同步效果。

關鍵詞 雙吊具，雙電機，Simulink，位置跟蹤

中圖分類號：TH21 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）10-0032-02

雙起升場橋雙吊具的同步運動是雙起升場橋雙吊具關鍵技術，而吊具的運動是通過電機驅動的，所以，要控制雙吊具的運動同步，關鍵是控制兩臺電動機的轉速與位置。基于這些問題，本文著重從控制雙場橋雙電機的協調性出發，研究在沒有機械控制和人為設定的情況下，雙電機對實時情況作出自動調整。

1 異步電機速度控制與雙電機位置同步控制

由于將直流標量作為電機外部的控制量，然后又將其變換成交流量去控制交流電機的運行，均是通過矢量坐標變換來實現的。將三相靜止坐標系變換至兩相同步旋轉坐標系。則在兩相同步旋轉坐標系（d-q坐標系）上的數學模型如下。

1.1 磁鏈方程

（1）

式中Lm為d-q坐標系定子與轉子同軸等效繞組間的互感（Lm=3/2Lms），L為d-q坐標系下等效兩相繞組的自感（L=Lm+Ll），下標s，r分別表示定子與轉子。

1.2 轉矩和運動方程

（2）

其中，為電機轉子角速度。構建異步電動機在兩相同步旋轉的d-q坐標系上的數學模型。在此坐標下的w-wr-is狀態方程為

（3）

可得

（4）

（5）

式（3）、（4）、和式（5）構成了矢量控制基本方程。

2 雙電機位置跟蹤控制方法、系統軟件研發

本實驗平臺的驅動電機和負載電機均采用Y2VP系列變頻調速電動機，均是帶有速度傳感器的三相交流異步電機，均采用矢量控制策略進行轉速調節，并且帶有Mp60終端顯示編碼器，可以直接讀得轉矩和電動機實時轉速，驅動電機和實物電機同軸相連，這就方便了后面驅動電機轉速的讀取和界面的控制。實驗平臺所使用的負載電機和驅動電機相關參數如表1所示。

表1 驅動電機和負載電機各參數

額定

電壓（V） 額定電流（A） 額定功率（kW） 額定

轉速

（r/min） 額定轉矩（N·M） 功率因素（cos） 頻率（Hz）

負載電機 400 54.7 30 1475 194 0.86 50

驅動電機 400 66.7 37 1475 240 0.87 50

根據實驗平臺實物電機的相關參數和電機控制算法建立Smulink模型。所搭建的帶速度傳感器的矢量控制系統的電氣原理圖如圖1所示。在圖中，主電路采用了電流滯環控制逆變器。在控制電路中，轉速環后增加了轉矩控制環。轉速調節器ASR的輸出T*e，是轉矩調節器ATR的輸入，而轉矩的反饋信號則是通過矢量控制方程計算得到的Te。電路中的磁鏈調節器ApsiR設置了電流變換和磁鏈觀測環節，用于對電動機定子磁鏈的控制。定子電流的轉矩分量i*st和勵磁分量i*sm分別是ATR和ApsiR的輸出。由圖1可以看出i*st和i*sm經過2r/3r變換后得到i*sA、i*sB、i*sC，并通過電流滯后環控制PWM逆變器控制電動機定子的三相電流。

給定轉速為1400 r/min，空載起動，在6 s時加載60 N·M，系統的Simulink仿真結果如圖2所示。其中圖2（a）為電動機的轉速曲線，圖2（b）為轉矩調節器輸出波形。在下圖波形中可以看到，在矢量控制下，0-3.5 s時間內轉速平穩上升，加載后上升略有下降但很快恢復，在3.5 s時達到給定轉速，在第6 s對系統加載，這兩個時刻系統調節器和電流、轉矩都有相應的響應。由圖1可知由ATR和ApsiR都是帶限幅的PI調節器，因此可以保證定子電流的給定值i*sA、i*sB、i*sC保持不變，實現恒電流起動。根據仿真波形可以看出，此仿真模型很好的模擬了三相異步交流電機在矢量控制方法下的電機特性，并且穩定性良好。

（a）電動機的轉速曲線

（b） 轉矩調節器輸出波形

圖2 帶速度傳感器的矢量控制系統的電機仿真

在Matlab/Simulink環境下，通過對異步電機數學模型的分析推導，建立異步電機半閉環位置跟蹤控制系統的模型，整體的結構框圖如圖3所示。系統包括PID整定控制器模塊、電機推進系統模塊、電機新的位置模塊、位置反饋模塊。

圖3 三相異步電機位置跟蹤控制系統原理框圖

在Matlab/Simulink環境下，通過對異步電機數學模型的分析推導，建立異步電機三閉環位置跟蹤控制系統的模型。電機位置跟蹤系統采用具有位置、速度、電流反饋的三閉環結構，其中電流環、速度環為內環，位置環位外環，這樣的三環結構使系統具有較好的靜態和動態性能。電流環采用PI控制算法，在設置時須考慮電流的快速跟隨性能；速度環同樣采用PI調節，在控制系統中起著承上啟下的作用；位置環的作用是保證整個伺服系統能夠穩定、高效的運行。

位置跟蹤仿真結果如圖4所示。由圖可以看出，仿真模型具有很好的位置跟蹤性能。

圖4 雙電機位置跟蹤控制仿真圖

3 總結與展望

本文在實物電機的特性基礎上，建立帶有速度傳感器的三相異步交流電機Simulink仿真模型，在此模型的基礎上仿真了三相電機的起動特性，其轉速和轉矩特性和實物電機的特性基本類似，啟動加速特性穩定，仿真一段時間后電機達到最高轉速狀態運行，轉矩特性良好，很好的驗證了仿真模型的穩定性和可靠性。

參考文獻

[1]秦憶.現代交流伺服系統[M].武漢：華中理工大學出版社，1995：2-4.

[2]W Bolton.Control Engineering[M].New York：Addison Wesley Longman Limited，1998.89-90

[3]項云韋.多臺電機周步協調運轉的變結構控制[J].電氣傳動自動化，1999，21（3）：33-34.

[4]Zhang W.Design PID controllers for desired time-domain or frequency-domain response[J].ISA Transactions，2002，4l（4）：511-520.

作者簡介

安婷婷（1986-），女，2011年畢業于上海海事大學檢測技術與自動化裝置技術專業，獲碩士研究生學位，研究方向：港口設備檢驗檢測研究。endprint

摘 要 目前，集裝箱港口作業多采用單箱操作，大大影響了港口的作業效率。文章根據雙吊具的操作原理，在雙電機傳動試驗平臺的基礎上，建立了異步電機矢量控制的Simulink仿真模型，在Simulink仿真的基礎上，提出了半閉環位置跟蹤控制系統方法，實驗結果表明，無論是正常狀況還是干擾作用下，電機2均能可靠跟蹤電機1的運動，兩者同步誤差較小，達到了較好的同步效果。

關鍵詞 雙吊具，雙電機，Simulink，位置跟蹤

中圖分類號：TH21 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）10-0032-02

雙起升場橋雙吊具的同步運動是雙起升場橋雙吊具關鍵技術，而吊具的運動是通過電機驅動的，所以，要控制雙吊具的運動同步，關鍵是控制兩臺電動機的轉速與位置。基于這些問題，本文著重從控制雙場橋雙電機的協調性出發，研究在沒有機械控制和人為設定的情況下，雙電機對實時情況作出自動調整。

1 異步電機速度控制與雙電機位置同步控制

由于將直流標量作為電機外部的控制量，然后又將其變換成交流量去控制交流電機的運行，均是通過矢量坐標變換來實現的。將三相靜止坐標系變換至兩相同步旋轉坐標系。則在兩相同步旋轉坐標系（d-q坐標系）上的數學模型如下。

1.1 磁鏈方程

（1）

式中Lm為d-q坐標系定子與轉子同軸等效繞組間的互感（Lm=3/2Lms），L為d-q坐標系下等效兩相繞組的自感（L=Lm+Ll），下標s，r分別表示定子與轉子。

1.2 轉矩和運動方程

（2）

其中，為電機轉子角速度。構建異步電動機在兩相同步旋轉的d-q坐標系上的數學模型。在此坐標下的w-wr-is狀態方程為

（3）

可得

（4）

（5）

式（3）、（4）、和式（5）構成了矢量控制基本方程。

2 雙電機位置跟蹤控制方法、系統軟件研發

本實驗平臺的驅動電機和負載電機均采用Y2VP系列變頻調速電動機，均是帶有速度傳感器的三相交流異步電機，均采用矢量控制策略進行轉速調節，并且帶有Mp60終端顯示編碼器，可以直接讀得轉矩和電動機實時轉速，驅動電機和實物電機同軸相連，這就方便了后面驅動電機轉速的讀取和界面的控制。實驗平臺所使用的負載電機和驅動電機相關參數如表1所示。

表1 驅動電機和負載電機各參數

額定

電壓（V） 額定電流（A） 額定功率（kW） 額定

轉速

（r/min） 額定轉矩（N·M） 功率因素（cos） 頻率（Hz）

負載電機 400 54.7 30 1475 194 0.86 50

驅動電機 400 66.7 37 1475 240 0.87 50

根據實驗平臺實物電機的相關參數和電機控制算法建立Smulink模型。所搭建的帶速度傳感器的矢量控制系統的電氣原理圖如圖1所示。在圖中，主電路采用了電流滯環控制逆變器。在控制電路中，轉速環后增加了轉矩控制環。轉速調節器ASR的輸出T*e，是轉矩調節器ATR的輸入，而轉矩的反饋信號則是通過矢量控制方程計算得到的Te。電路中的磁鏈調節器ApsiR設置了電流變換和磁鏈觀測環節，用于對電動機定子磁鏈的控制。定子電流的轉矩分量i*st和勵磁分量i*sm分別是ATR和ApsiR的輸出。由圖1可以看出i*st和i*sm經過2r/3r變換后得到i*sA、i*sB、i*sC，并通過電流滯后環控制PWM逆變器控制電動機定子的三相電流。

給定轉速為1400 r/min，空載起動，在6 s時加載60 N·M，系統的Simulink仿真結果如圖2所示。其中圖2（a）為電動機的轉速曲線，圖2（b）為轉矩調節器輸出波形。在下圖波形中可以看到，在矢量控制下，0-3.5 s時間內轉速平穩上升，加載后上升略有下降但很快恢復，在3.5 s時達到給定轉速，在第6 s對系統加載，這兩個時刻系統調節器和電流、轉矩都有相應的響應。由圖1可知由ATR和ApsiR都是帶限幅的PI調節器，因此可以保證定子電流的給定值i*sA、i*sB、i*sC保持不變，實現恒電流起動。根據仿真波形可以看出，此仿真模型很好的模擬了三相異步交流電機在矢量控制方法下的電機特性，并且穩定性良好。

（a）電動機的轉速曲線

（b） 轉矩調節器輸出波形

圖2 帶速度傳感器的矢量控制系統的電機仿真

在Matlab/Simulink環境下，通過對異步電機數學模型的分析推導，建立異步電機半閉環位置跟蹤控制系統的模型，整體的結構框圖如圖3所示。系統包括PID整定控制器模塊、電機推進系統模塊、電機新的位置模塊、位置反饋模塊。

圖3 三相異步電機位置跟蹤控制系統原理框圖

在Matlab/Simulink環境下，通過對異步電機數學模型的分析推導，建立異步電機三閉環位置跟蹤控制系統的模型。電機位置跟蹤系統采用具有位置、速度、電流反饋的三閉環結構，其中電流環、速度環為內環，位置環位外環，這樣的三環結構使系統具有較好的靜態和動態性能。電流環采用PI控制算法，在設置時須考慮電流的快速跟隨性能；速度環同樣采用PI調節，在控制系統中起著承上啟下的作用；位置環的作用是保證整個伺服系統能夠穩定、高效的運行。

位置跟蹤仿真結果如圖4所示。由圖可以看出，仿真模型具有很好的位置跟蹤性能。

圖4 雙電機位置跟蹤控制仿真圖

3 總結與展望

本文在實物電機的特性基礎上，建立帶有速度傳感器的三相異步交流電機Simulink仿真模型，在此模型的基礎上仿真了三相電機的起動特性，其轉速和轉矩特性和實物電機的特性基本類似，啟動加速特性穩定，仿真一段時間后電機達到最高轉速狀態運行，轉矩特性良好，很好的驗證了仿真模型的穩定性和可靠性。

參考文獻

[1]秦憶.現代交流伺服系統[M].武漢：華中理工大學出版社，1995：2-4.

[2]W Bolton.Control Engineering[M].New York：Addison Wesley Longman Limited，1998.89-90

[3]項云韋.多臺電機周步協調運轉的變結構控制[J].電氣傳動自動化，1999，21（3）：33-34.

[4]Zhang W.Design PID controllers for desired time-domain or frequency-domain response[J].ISA Transactions，2002，4l（4）：511-520.

作者簡介

安婷婷（1986-），女，2011年畢業于上海海事大學檢測技術與自動化裝置技術專業，獲碩士研究生學位，研究方向：港口設備檢驗檢測研究。endprint

摘 要 目前，集裝箱港口作業多采用單箱操作，大大影響了港口的作業效率。文章根據雙吊具的操作原理，在雙電機傳動試驗平臺的基礎上，建立了異步電機矢量控制的Simulink仿真模型，在Simulink仿真的基礎上，提出了半閉環位置跟蹤控制系統方法，實驗結果表明，無論是正常狀況還是干擾作用下，電機2均能可靠跟蹤電機1的運動，兩者同步誤差較小，達到了較好的同步效果。

關鍵詞 雙吊具，雙電機，Simulink，位置跟蹤

中圖分類號：TH21 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）10-0032-02

雙起升場橋雙吊具的同步運動是雙起升場橋雙吊具關鍵技術，而吊具的運動是通過電機驅動的，所以，要控制雙吊具的運動同步，關鍵是控制兩臺電動機的轉速與位置。基于這些問題，本文著重從控制雙場橋雙電機的協調性出發，研究在沒有機械控制和人為設定的情況下，雙電機對實時情況作出自動調整。

1 異步電機速度控制與雙電機位置同步控制

由于將直流標量作為電機外部的控制量，然后又將其變換成交流量去控制交流電機的運行，均是通過矢量坐標變換來實現的。將三相靜止坐標系變換至兩相同步旋轉坐標系。則在兩相同步旋轉坐標系（d-q坐標系）上的數學模型如下。

1.1 磁鏈方程

（1）

式中Lm為d-q坐標系定子與轉子同軸等效繞組間的互感（Lm=3/2Lms），L為d-q坐標系下等效兩相繞組的自感（L=Lm+Ll），下標s，r分別表示定子與轉子。

1.2 轉矩和運動方程

（2）

其中，為電機轉子角速度。構建異步電動機在兩相同步旋轉的d-q坐標系上的數學模型。在此坐標下的w-wr-is狀態方程為

（3）

可得

（4）

（5）

式（3）、（4）、和式（5）構成了矢量控制基本方程。

2 雙電機位置跟蹤控制方法、系統軟件研發

本實驗平臺的驅動電機和負載電機均采用Y2VP系列變頻調速電動機，均是帶有速度傳感器的三相交流異步電機，均采用矢量控制策略進行轉速調節，并且帶有Mp60終端顯示編碼器，可以直接讀得轉矩和電動機實時轉速，驅動電機和實物電機同軸相連，這就方便了后面驅動電機轉速的讀取和界面的控制。實驗平臺所使用的負載電機和驅動電機相關參數如表1所示。

表1 驅動電機和負載電機各參數

額定

電壓（V） 額定電流（A） 額定功率（kW） 額定

轉速

（r/min） 額定轉矩（N·M） 功率因素（cos） 頻率（Hz）

負載電機 400 54.7 30 1475 194 0.86 50

驅動電機 400 66.7 37 1475 240 0.87 50

根據實驗平臺實物電機的相關參數和電機控制算法建立Smulink模型。所搭建的帶速度傳感器的矢量控制系統的電氣原理圖如圖1所示。在圖中，主電路采用了電流滯環控制逆變器。在控制電路中，轉速環后增加了轉矩控制環。轉速調節器ASR的輸出T*e，是轉矩調節器ATR的輸入，而轉矩的反饋信號則是通過矢量控制方程計算得到的Te。電路中的磁鏈調節器ApsiR設置了電流變換和磁鏈觀測環節，用于對電動機定子磁鏈的控制。定子電流的轉矩分量i*st和勵磁分量i*sm分別是ATR和ApsiR的輸出。由圖1可以看出i*st和i*sm經過2r/3r變換后得到i*sA、i*sB、i*sC，并通過電流滯后環控制PWM逆變器控制電動機定子的三相電流。

給定轉速為1400 r/min，空載起動，在6 s時加載60 N·M，系統的Simulink仿真結果如圖2所示。其中圖2（a）為電動機的轉速曲線，圖2（b）為轉矩調節器輸出波形。在下圖波形中可以看到，在矢量控制下，0-3.5 s時間內轉速平穩上升，加載后上升略有下降但很快恢復，在3.5 s時達到給定轉速，在第6 s對系統加載，這兩個時刻系統調節器和電流、轉矩都有相應的響應。由圖1可知由ATR和ApsiR都是帶限幅的PI調節器，因此可以保證定子電流的給定值i*sA、i*sB、i*sC保持不變，實現恒電流起動。根據仿真波形可以看出，此仿真模型很好的模擬了三相異步交流電機在矢量控制方法下的電機特性，并且穩定性良好。

（a）電動機的轉速曲線

（b） 轉矩調節器輸出波形

圖2 帶速度傳感器的矢量控制系統的電機仿真

在Matlab/Simulink環境下，通過對異步電機數學模型的分析推導，建立異步電機半閉環位置跟蹤控制系統的模型，整體的結構框圖如圖3所示。系統包括PID整定控制器模塊、電機推進系統模塊、電機新的位置模塊、位置反饋模塊。

圖3 三相異步電機位置跟蹤控制系統原理框圖

在Matlab/Simulink環境下，通過對異步電機數學模型的分析推導，建立異步電機三閉環位置跟蹤控制系統的模型。電機位置跟蹤系統采用具有位置、速度、電流反饋的三閉環結構，其中電流環、速度環為內環，位置環位外環，這樣的三環結構使系統具有較好的靜態和動態性能。電流環采用PI控制算法，在設置時須考慮電流的快速跟隨性能；速度環同樣采用PI調節，在控制系統中起著承上啟下的作用；位置環的作用是保證整個伺服系統能夠穩定、高效的運行。

位置跟蹤仿真結果如圖4所示。由圖可以看出，仿真模型具有很好的位置跟蹤性能。

圖4 雙電機位置跟蹤控制仿真圖

3 總結與展望

本文在實物電機的特性基礎上，建立帶有速度傳感器的三相異步交流電機Simulink仿真模型，在此模型的基礎上仿真了三相電機的起動特性，其轉速和轉矩特性和實物電機的特性基本類似，啟動加速特性穩定，仿真一段時間后電機達到最高轉速狀態運行，轉矩特性良好，很好的驗證了仿真模型的穩定性和可靠性。

參考文獻

[1]秦憶.現代交流伺服系統[M].武漢：華中理工大學出版社，1995：2-4.

[2]W Bolton.Control Engineering[M].New York：Addison Wesley Longman Limited，1998.89-90

[3]項云韋.多臺電機周步協調運轉的變結構控制[J].電氣傳動自動化，1999，21（3）：33-34.

[4]Zhang W.Design PID controllers for desired time-domain or frequency-domain response[J].ISA Transactions，2002，4l（4）：511-520.

作者簡介

安婷婷（1986-），女，2011年畢業于上海海事大學檢測技術與自動化裝置技術專業，獲碩士研究生學位，研究方向：港口設備檢驗檢測研究。endprint