基于外轉子PMSM的直驅起升機構控制系統設計

向斌，許名熠

（1.江西工埠機械有限責任公司，江西 宜春 331200；2.湖南安全技術職業學院防災與救援學院，湖南 長沙 410151）

現代工業生產吊裝、物流轉運都需要大量的工業起重機，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］，其作業安全及工作效率直接關系到企業的經濟效益。其中的起升機構是起重機最重要的部件，其技術數據決定了起重機的性能優劣及安全性。傳統的起重機的起升機構由電動機、聯軸器、傳動軸、減速機、卷筒等組成［2］（見圖1）。傳動系統結構復雜，存在傳動環節長、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 傳統平行式起升機構結構圖

基于一種新型的無齒輪傳動裝置［4］，結合外轉子永磁電機的結構，利用其低速、大扭矩的特點，設計了基于外轉子永磁同步電機（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）的直驅起升機構控制系統。

1 直驅式PMSM起升機構結構形式

直驅式PMSM起升裝置取消了減速機、聯軸器和補償軸等，實現了起重機起升機構的簡化及輕量化，縮短了傳統起重機力的傳遞路線，避免傳動環節可能出現的斷齒、漏油、斷軸、噪音大問題。其外形結構如圖2所示，PMSM的外轉子（永磁體）部分與起重機的卷筒合二為一，內部是永磁同步電動機的定子（線圈），卷筒作為PMSM的外轉子帶動鋼絲繩低速運行，實現起重機的起升動作［5］。

圖2 外轉子PMSG結構

2 直驅式PMSM起升控制系統設計

2.1 直驅式PMSM起升控制系統結構

起升控制系統實現對PMSM及相關輔助設備控制，并實現對外部的安全性采集處理［6］。PMSM電機的驅動采用永磁同步驅動變頻器進行速度及轉矩的控制。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、電機溫度等信號，經PLC內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、系統啟動及急停信號等，實現對起升系統的控制。

2.2 基于旋轉變壓器轉子位置檢測的PMSM矢量變頻控制設計

PMSM起升控制系統采用旋轉變壓器作為PMSM的轉子位置檢測，實現PMSM矢量控制。圖3為PMSM轉子磁場定向的矢量控制系統原理框圖。PMSM矢量變頻控制是由電流內環、轉速外環組成的雙閉環控制結構［7］。兩相d，q坐標系與轉子磁鏈同步旋轉，如果d軸在轉子磁鏈方向，則轉子磁鏈與轉矩分別由定子電流的勵磁分量isd和轉矩分量isq單獨控制，由此實現對轉矩與轉子磁鏈的解耦控制。通過旋轉變壓器檢測到PMSM外轉子的實際轉速，并與給定轉速nref進行比較，實現轉速環的控制，同時利用轉速與轉矩之間的關系，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變換將它們轉換到定子兩相坐標系中，然后使用Park變換，將它們轉換到d，q旋轉坐標系中，將d，q坐標系中的電流信號與isqref和isdref相比較，設定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。速度外環產生定子電流的參考值，電流內環得到實際控制信號，從而構成速度矢量雙閉環控制系統。

圖3 PMSM轉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原理圖

基于直驅式PMSM起升控制系統的結構，設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。控制信號包括操作臺的信號給定輸入、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反饋等信號。核心控制器PLC接收外部的輸入信號，同時經過邏輯處理后控制變頻器的檔位，以及故障復位、制動器狀態。電磁制動器的開閉動作由變頻器直接控制。電動機轉子安裝旋轉變壓器進行位置檢測，反饋PMSM的實時轉速信號，信號由變頻器的擴展卡接收，提供給變頻器的內部速度閉環矢量算法。變頻器外接制動單元，實現能耗制動。

圖4 PMSM起升控制原理圖

3 直驅式PMSM起升控制系統測試及應用

結合橋式起重機工程應用項目實際情況，設計一臺外轉子PMSM，其設計參數見表1。

表1 5005307型PMSM參數

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，檢測該直驅式PMSM性能及控制效果，是否滿足設計的要求。

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）不同轉速下重物向上提升時的PMSM電壓及電流值（見表2）。由數據可以看出PMSM在雙閉環矢量空載方式下，電機運行滿足設計的要求，不同載荷下運行電流穩定，電流隨負載的增加而增大，電壓隨轉速的提高而增大，在滿載的情況下，還有一定的裕量，可以滿足現場重載情況下載荷沖擊要求，保證起升機構安全穩定運行。

圖5 直驅式PMSM起升性能測試臺

表2 5005307型PMSM不同載荷測試數據

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

4 結論

外轉子PMSM直驅起升機構控制系統實現了起重機新型無齒輪傳動裝置的控制功能。在起重機應用特點的基礎上，結合先進的雙閉環的矢量控制技術，完成了系統結構、電氣原理圖的設計，并在實驗臺架上進行了直驅式PMSM起升機構完整測試，分析了在不同載荷不同轉速下的電壓、電流數據，證明了該控制系統能夠滿足起重機起升機構的控制要求，實現了設計的各種功能，并成功應用在QD5＋5t橋式起重機現場使用工作中，滿足了起重設備的工況要求。

圖6 QD5＋5t橋式起重機起升機構