橋式起重機異步電機驅動的機電系統建模

摘 要：本文提出了一種基于異步電機驅動的橋式起重機機電系統建模方法，該方法能快速、準確地校正起重機的偏斜和橫向位移。采用直接轉矩控制系統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（UM）中的軟件包，建立了一個具有高度細節化的橋式起重機力學模型。在MATLAB/Simulink軟件中對電氣部分和控制系統進行了仿真，通過UM共模擬接口，將所開發的機械和電氣子系統模型組合成橋式起重機的集成機電模型，以分析動態過程。

關鍵詞：橋式起重機；異步電機；轉矩控制；系統建模

中圖分類號：TM 343" " " " 文獻標志碼：A

橋式起重機是常用于工業領域的重型起重裝置，異步電機驅動系統是其重要部分。系統建模分析是保證橋式起重機高效、穩定工作的關鍵。復雜機電對象多電機驅動，如機車、橋式起重機、機械手等現代控制系統的發展需要分析產品的電氣和機械部件子系統在相互作用和相互影響中的動態過程。本文通過改進控制方式來減少事故，并延長機器和機構的耐用性。為了在設計階段預測復雜機電系統中的動態過程，需要使用專門的軟件系統。該系統允許以高度的細節和可視化進行模擬，進行機電過程的聯合分析時通常使用簡化模型[1-3]。

1 機電系統模型

1.1 機械子系統模型

本節運用通用機構（UM）軟件程序模塊中的UM輸入，開發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動，如圖1所示。建模包括的關鍵條件為起重機的機械部分，表現為通過彈性耗散連接的剛體系統，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，根據橋梁彈性調整后的模型總共有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量，在水平面上，軌道被視為一個無質量的力單元，因此不需要確定軌道上部結構的動載荷。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的定義，其特征如下：附加模塊蠕變力計算和軌道結構參數；在給定光譜密度上產生隨機粗糙度和各種類型的周期性、偶發性程序；定義車輪和軌道輪廓的視覺媒介、相關路段的潛在附著力系數。

1.2 電氣子系統模型

橋式起重機電氣子系統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?？梢栽u估起重機的電氣性能和工作特性，提高其安全性、穩定性和效率，并為設計和改進橋式起重機的電氣系統提供參考。

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。通過分析電機模型，可以了解電機性能，并優化電機控制系統。其次，需要建立電源模型。電源模型考慮供電系統對起重機的影響，包括電壓頻率、穩定性等因素。通過分析電源模型，可以確定合適的電源參數，并保證供電系統的穩定性和可靠性。再次，需要建立控制系統模型?？刂葡到y模型考慮起重機的控制器結構、控制策略和閉環控制等因素。通過分析控制系統模型，可以評估控制系統的性能。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，并優化傳感器參數，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的模型，包括鼠籠轉子異步驅動橋式起重機的電氣驅動控制系統。直接轉矩控制（DTC）用于控制異步電機（AD）。DTC系統具有高速度和高精度，能夠克服橋式起重機運行中發生的擾動，因此該系統可以用于控制橋式起重機運動的異步電力驅動機構。起重機行走機構中的電氣驅動控制系統可保證動態偏斜校正和橫向位移校正。

起重機行走機構中的感應電機控制系統是一種雙回路結構速度控制系統，包括速度的外部輪廓和DTC的內部電路。從轉子側電壓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生預轉矩信號的速度控制器的輸入端，并被饋送到設定點的輸入側，該設定點產生具有限制的發動機扭矩的參考信號。根據直接轉矩控制原理，每個電機定子側的轉矩參考信號和磁鏈出現在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所需原理平穩地改變所設置的Ur1/Ur2值，DTC系統中的磁鏈和轉矩調節器為繼電器。速度控制器根據比例選擇，實現了系統的高動態特性。非接觸式傳感器布置結構如圖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是根據信號電平和允許的起重機橫向位移選擇的比例系數。

測量的微分值可正確識別起重機相對于軌道的偏斜，并在此基礎上為起重機移動方向調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。

通過控制系統的綜合，對基于廣義兩相電機的感應電機進行數學分析，在S函數的基礎上，建立感應電機變流器靜態饋電工作的數學模型。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，三位開關點采用2個并聯的繼電器元件實現。運用基本MATLAB/Simulink庫中的多端口開關和查找表元素來執行實現自主電壓逆變器開關表的單元邏輯機的模型。

2 試驗機電模型分析

本文將開發的機械和電氣子系統模型組合成橋式起重機的集成機電模型來分析動態過程。該組合是通過UM共模擬接口實現的，電氣子系統的模型中包括在UM中實現的機械子系統模型，該模型使用MATLAB/Simulink S函數的標準塊在MATLAB/Simuink中開發，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“導出口”。該輸出被分配給S函數，在計算過程中，2個子系統交換數據，包括單個機電模型，交互功能通過COM技術實現。

在相應的范圍內選擇計算電氣和機械子系統的步驟，以保證達到要求精度并減少模擬時間。感應電機的電磁矩是機械部件的輸入量，在電氣子系統中對其進行計算并傳遞到機械子系統中，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傳輸到電氣子系統的受控作用力?？刂葡到y使用傳感器信號在橋式起重機的相應支架發動機上形成校正偏斜信號。通過比較單個驅動模式的模擬結果與分析計算結果，可驗證起重機橋架模型的充分性。

3 實例分析

試驗結果如圖4～圖6所示。運用構建的控制系統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。假設提升小車位于支架右側，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果，仿真控制系統能快速、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，可以得出調整能夠順利進行，無驟變量。準穩態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，發動機電磁力矩將相應的軸承電機速度穩定在指定水平，而不校正則可能出現錯位和橫向移動。

由于右側為橫向位移，法蘭與軌道接觸發生在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，但橫向位移變為最大，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。控制系統根據開發的算法，并通過交替改變驅動支撐電機的速度來調節橫向運動，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 結論

本文采用MATLAB/Simulink軟件產品與通用結構相結合的方法對起重機的機電系統進行建模。結果表明，所提供的異步電機驅動控制系統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。所提出的技術允許通過使用仿真軟件對機械和電氣子系統的相互作用進行詳細模擬。該技術可以實現分析控制系統和機電過程，模擬各種軌道不規則性、牽引條件等，運用新算法可實現軌道上的設定點位運行，并可在負載移動時考慮并測試起重機和轉向架的移動控制。

參考文獻

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