重載開啟橋多點驅動系統的同步性研究

施力可，戴松貴

（寧波梅山島開發投資有限公司，浙江 寧波 315832）

0 引言

寧波紅橋的下層橋架重達1200t，懸掛于主橋下方，采用多點驅動系統實現水平開啟和閉合。由于機械結構、受力狀態和經濟性等多種原因，需要在移動橋架上安裝多臺電機[1,2]，用于共同驅動機械系統的負載，這種傳動系統通常稱為多點驅動系統[3,4]。

由于電機結構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，每臺電機的實際轉速都不可能絕對相同。在實際工作時，多點驅動傳動系統中電機的負載情況是不一樣的。這種電機輸出功率上的不平衡，會影響系統驅動能力的正常發揮，嚴重時會導致電機過載、燒毀等一系列問題的出現，引起機械系統的其它故障，使生產系統無法正常運行。因此，在多點驅動時必須保證電機的實際轉速能實時控制調節，保證各電機轉速保持一致。

本文針對重載開啟橋的多點同步驅動系統，提出了重載開啟橋多點驅動系統的設計方案和同步控制算法，開發了實時網絡控制系統，通過計算機控制、傳感及變頻技術，實現多點驅動的同步控制，并進行了實際測試。

1 重載開啟橋多點驅動系統

如圖1所示，下層移動橋架懸掛于主橋下方，通過驅動機構實現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

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

如圖2所示，鏈驅動裝置采用了懸掛在驅動軌道上，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的上下調整量。 鏈驅動裝置上的水平導向輪和銷軸除保證鏈傳動嚙合的精度與自適應之外，還主要用于承受移動橋架的側向載荷（風載荷）。

圖2 驅動機構Fig.2 Driving mechanism

2 多點驅動系統的同步控制算法

在多電機傳動鏈同步驅動系統中，各電機一般通過減速機構與傳動鏈進行機械連接，各電機的同步要求比獨立電機同步驅動嚴格得多。但由于電機之間存在柔性連接，因而不能僅以各電機的速度反饋信號為同步控制依據。更要引入各電機的負荷大小進行負荷均衡控制，以達到真正的同步傳動。因為在傳動鏈運動過程中，各傳動電機實際上或主動或被動地都處于同一轉速下運行，能夠迅速、準確反映各電機同步狀態的信息主要是各電機的負載電流。當某電機的轉速較其它同步運行電機轉速快時，其負載電流必加大，反之負載必減小。此外，柔性連接的多驅動電機之間存在著嚴重的耦合關系，當某臺電機的轉速降低時，該電機在系統中不僅失去了拖動作用，還要作為負載被傳動鏈上其它電機拖著同步運轉，這導致其它電機的負載立即加重。因此，對這類柔性連接同步驅動的多臺電機，其控制原則應是以電機運行轉速信息為參考，以電機的負載電流信息為依據。

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

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

在控制系統中，uR為速度給定，由轉速反饋構成閉環穩速控制，速度控制輸出為udj（j=1,2），同步控制主要靠電流反饋進行負荷均衡補償。第k時刻負荷均衡補償量uij，按下式計算：

式（1）中，kj為補償系數，由現場工藝決定，i1(k)，i2(k)為兩驅動電機的反饋電流，計算系數cj(k)，dj(k)按下式計算：

式中，Sing(x)為符號函數，其定義為：

icj(k)和idj(k)按下式計算：

式中，Δi為驅動電機的負載允許工作帶寬。

由于驅動下層橋架的12個電機為柔性同步驅動，依據上述雙級柔性電機驅動同步控制方式，驅動電機同步控制框圖如圖4所示，以變頻器的電流反饋構成負荷均衡補償環節。

圖4 多點驅動電機同步控制框圖Fig.4 Synchronous control block diagram of multipoint drive motor

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

系統的速度控制采用常規PID算法，同步驅動控制算法為：

其中，ucj(k)為第j臺電機變頻器控制輸入；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個驅動電機轉速與給定轉速的差，unj(k)為第j臺電機負荷均衡補償量，按式（1）～式（6）計算。

3 多點驅動系統的同步控制算法

多點驅動系統的電控系統通過計算機控制、傳感及變頻技術，實現多點驅動的同步控制。電控系統是基于CAN總線組建實時網絡控制系統和基于TCP/IP組建實時網絡控制系統，其電控系統框圖如圖5所示。

圖5 電控系統框圖Fig.5 Block diagram of electric control system

基于CAN總線組建的實時網絡控制系統由主控制柜、泵站控制系統、電機控制系統組成。

主控制柜是實時網絡控制系統的核心，其通過CAN_A端口與泵站控制系統和電機控制系統通信，發送控制數據給泵站和電機控制箱，并接收泵站和電機控制箱反饋的數據；通過CAN_B端口與計算機通信，發送狀態數據給計算機。

泵站控制系統一方面作為驅動單元，根據控制數據控制電磁閥狀態，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端口發送給主控制柜。

電機控制系統一方面作為驅動單元，其根據控制數據控制變頻器狀態，從而控制電機運動，并在電機工作過程中驅動警示燈達到安全警示作用；另一方面作為信號采集單元，采集電機的運行行程信號，并通過CAN_A端口發送給主控制柜。

基于TCP/IP組建的實時網絡監測系統由攝像頭組和計算機組成。

攝像頭組用于監測關鍵位置，實現監控可視化。

計算機一方面通過USB端口讀取USB-CAN模塊所接收的控制系統數據并進行實時顯示；另一方面通過網絡端口接收圖像數據并進行顯示。

上述電控系統具備以下安全保護：

1）供電保障：采用市電和柴油發電機組共同供電，ATS切換，保證電源供應。

2）電機驅動：采用變頻調速和工頻調速并聯工作，若變頻調速出現故障，手動操作50Hz電源直接驅動橋架運行。

3）電機停止：一方面將限位開關常閉觸點接入電機驅動回路中，當限位開關生效時，電機驅動回路斷電，電機停止；另一方面將限位開關常開觸點接入控制器，當限位開關生效時，控制器斷開電機驅動回路中的某個觸點，電機停止。

4）電氣互鎖：若處于鎖定工況，則驅動機構無效；為防止某個限位開關損壞，引起的誤判斷，并聯安裝多個限位開關。

5）聲光警示：安裝多個聲光報警燈，橋架移動時進行聲光警示。

6）多重限位：在兩端終點處安裝多重限位開關，當靠近時，分級先減速后停止。

7）通信保護：實時檢測控制系統的通信狀態，出現通信故障時停機并報警。

4 多點驅動系統的實際運行

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

圖6 驅動系統試驗Fig.6 Driving system test

測試結果表明：

1）驅動機構沿軌道行走時平穩無障礙，齒輪鏈條嚙合正常，無異常響聲。

2） 驅動機構與活動橋架連接后，行走狀態時每對齒輪鏈條處于承載狀態。

3）驅動機構的導向裝置能夠有效防止驅動機構或齒輪與鏈條脫離嚙合，限制齒輪的軸向和徑向運動。

4）8個點位同時驅動時，同步精度可保持在1mm以內。

5 結論

本文提出了重載開啟橋多點驅動系統的設計方案移動橋架，實現重載開啟系統的水平驅動與側向承載，并具有整體的上下調整余量和自適應特征。設計開發了重載開啟橋多點驅動系統的同步控制算法和電控系統，通過計算機控制、傳感及變頻技術，實現多點驅動的同步控制。測試結果表明，驅動機構沿軌道行走時平穩無障礙，能按預期實現移動橋架的開啟與閉合；8個點位同時驅動時，同步精度可保持在1mm以內。