桥式起重机异步电机驱动的机电系统建模

摘 要：本文提出了一种基于异步电机驱动的桥式起重机机电系统建模方法，该方法能快速、准确地校正起重机的偏斜和横向位移。采用直接转矩控制系统对异步电动机进行控制，4个非接触式距离传感器用于分析起重机的位置，并识别起重机相对于轨道的偏斜。利用通用机构（UM）中的软件包，建立了一个具有高度细节化的桥式起重机力学模型。在MATLAB/Simulink软件中对电气部分和控制系统进行了仿真，通过UM共模拟接口，将所开发的机械和电气子系统模型组合成桥式起重机的集成机电模型，以分析动态过程。

关键词：桥式起重机；异步电机；转矩控制；系统建模

中图分类号：TM 343" " " " 文献标志码：A

桥式起重机是常用于工业领域的重型起重装置，异步电机驱动系统是其重要部分。系统建模分析是保证桥式起重机高效、稳定工作的关键。复杂机电对象多电机驱动，如机车、桥式起重机、机械手等现代控制系统的发展需要分析产品的电气和机械部件子系统在相互作用和相互影响中的动态过程。本文通过改进控制方式来减少事故，并延长机器和机构的耐用性。为了在设计阶段预测复杂机电系统中的动态过程，需要使用专门的软件系统。该系统允许以高度的细节和可视化进行模拟，进行机电过程的联合分析时通常使用简化模型[1-3]。

1 机电系统模型

1.1 机械子系统模型

本节运用通用机构（UM）软件程序模块中的UM输入，开发了一个强大的桥式起重机的机械模型。该起重机具有桥梁支撑架的单独驱动，如图1所示。建模包括的关键条件为起重机的机械部分，表现为通过弹性耗散连接的刚体系统，包括驾驶室、平衡车和桥梁的跨梁元件等。

模型的所有部分都通过铰链相互连接，铰链决定了物体的位置和可运动方向。维修车间小车的车厢和区域固定安装在起重机的框架上，起重机具有6个自由度。车轮、平衡车和车架通过旋转接头连接，模拟货物在小车上悬架连接点附近振荡的物理摆，该过程有一个自由度，可以沿着端梁间的跨度移动，根据桥梁弹性调整后的模型总共有104个自由度[4-5]。

采用弹黏轨道模型。轨道在垂直面上的惯性特性被简化为车轮的质量，在水平面上，轨道被视为一个无质量的力单元，因此不需要确定轨道上部结构的动载荷。该轨道模型被广泛用于轨道交通的动力特性评估，集成的UM模块可实现该模拟。

此外，对于起重机的运动机制和所有轨道车辆模型，UM中都提供了附加参数的定义，其特征如下：附加模块蠕变力计算和轨道结构参数；在给定光谱密度上产生随机粗糙度和各种类型的周期性、偶发性程序；定义车轮和轨道轮廓的视觉媒介、相关路段的潜在附着力系数。

1.2 电气子系统模型

桥式起重机电气子系统模型分析是建立起重机的电气模型并对其进行分析的过程。可以评估起重机的电气性能和工作特性，提高其安全性、稳定性和效率，并为设计和改进桥式起重机的电气系统提供参考。

首先，需要建立起重机电机模型。起重机电机是起重机的动力源，重点是确定电机的动态特性，包括起动、制动、负载变化等情况下的速度、力矩和电流响应。通过分析电机模型，可以了解电机性能，并优化电机控制系统。其次，需要建立电源模型。电源模型考虑供电系统对起重机的影响，包括电压频率、稳定性等因素。通过分析电源模型，可以确定合适的电源参数，并保证供电系统的稳定性和可靠性。再次，需要建立控制系统模型。控制系统模型考虑起重机的控制器结构、控制策略和闭环控制等因素。通过分析控制系统模型，可以评估控制系统的性能。最后，需要建立传感器模型。传感器模型考虑传感器的性能、精度以及传感器输出信号对起重机控制的影响。通过分析传感器模型，可以选择合适的传感器，并优化传感器参数，提高起重机的定位和测量精度。

利用MATLAB/Simulink主库软件包建立电气子系统的模型，包括鼠笼转子异步驱动桥式起重机的电气驱动控制系统。直接转矩控制（DTC）用于控制异步电机（AD）。DTC系统具有高速度和高精度，能够克服桥式起重机运行中发生的扰动，因此该系统可以用于控制桥式起重机运动的异步电力驱动机构。起重机行走机构中的电气驱动控制系统可保证动态偏斜校正和横向位移校正。

起重机行走机构中的感应电机控制系统是一种双回路结构速度控制系统，包括速度的外部轮廓和DTC的内部电路。从转子侧电压Ur1/Ur2参考信号中减去与速度传感器成比例的反馈电压Uf1/Uf2信号反馈。所得误差信号被反馈到产生预转矩信号的速度控制器的输入端，并被馈送到设定点的输入侧，该设定点产生具有限制的发动机扭矩的参考信号。根据直接转矩控制原理，每个电机定子侧的转矩参考信号和磁链出现在DTC块上。该DTC块形成逆变器（UVT1-UVT6）的控制信号。强度控制装置用于根据所需原理平稳地改变所设置的Ur1/Ur2值，DTC系统中的磁链和转矩调节器为继电器。速度控制器根据比例选择，实现了系统的高动态特性。非接触式传感器布置结构如图2所示。

传感器测量起重机框架指定点到轨道的距离，允许计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分别为差值；LD1～LD4为D1～D4传感器的测试距离。

校正措施的值根据最大值Δ12和Δ34的比例计算，如公式（3）所示。

Uk=k·max（Δ12；Δ34） （3）

式中：Uk是校正的值；k是根据信号电平和允许的起重机横向位移选择的比例系数。

测量的微分值可正确识别起重机相对于轨道的偏斜，并在此基础上为起重机移动方向调整的值形成校正信号，从而在当前情况下提供抽头的对准。在横向位移情况下，为了消除偏差，必须形成变形，如果Uk信号超过指定阈值，则保存先前的信号。偏斜部分的校正基于MATLAB代码文本并在电气部件的模型中实现。

通过控制系统的综合，对基于广义两相电机的感应电机进行数学分析，在S函数的基础上，建立感应电机变流器静态馈电工作的数学模型。继电器控制器块的模型由MATLAB/Simulink库中的继电器元件模型组成，三位开关点采用2个并联的继电器元件实现。运用基本MATLAB/Simulink库中的多端口开关和查找表元素来执行实现自主电压逆变器开关表的单元逻辑机的模型。

2 试验机电模型分析

本文将开发的机械和电气子系统模型组合成桥式起重机的集成机电模型来分析动态过程。该组合是通过UM共模拟接口实现的，电气子系统的模型中包括在UM中实现的机械子系统模型，该模型使用MATLAB/Simulink S函数的标准块在MATLAB/Simuink中开发，如图3所示。该标准块在UM中使用了一个特殊的仿真接口，称为“导出口”。该输出被分配给S函数，在计算过程中，2个子系统交换数据，包括单个机电模型，交互功能通过COM技术实现。

在相应的范围内选择计算电气和机械子系统的步骤，以保证达到要求精度并减少模拟时间。感应电机的电磁矩是机械部件的输入量，在电气子系统中对其进行计算并传递到机械子系统中，需要计算出速度、运动、来自4个距离传感器的信号以及从机械子系统传输到电气子系统的受控作用力。控制系统使用传感器信号在桥式起重机的相应支架发动机上形成校正偏斜信号。通过比较单个驱动模式的模拟结果与分析计算结果，可验证起重机桥架模型的充分性。

3 实例分析

试验结果如图4～图6所示。运用构建的控制系统对桥式起重机运动研究建模的变化。在该模型试验中，使用了模型的变量，该变量排除了桥梁的弹性。假设提升小车位于支架右侧，即移动方向附近。移动开始时，起重机相对于轨道对称安装。为了进行比较，仿真图显示了存在校正和不存在校正的情况下的结果，仿真控制系统能快速、准确地校正起重机的偏斜及其横向位移。

偏置抽头仿真角度如图4所示，横向位移如图5所示，可以得出调整能够顺利进行，无骤变量。准稳态模式下的校正动作以几乎相等的频率进行，如图6所示。在校正的情况下，发动机电磁力矩将相应的轴承电机速度稳定在指定水平，而不校正则可能出现错位和横向移动。

由于右侧为横向位移，法兰与轨道接触发生在22s时，而未校正抽头位置。因此，偏置为最大值-21.5×10-4rad，该情况下的失真是抽头纵轴相对于轨道轴的角度，进而偏置几乎减至零，但横向位移变为最大，起重机的进一步移动会随着轨道上凸缘的摩擦。在进行校正的情况下驾驶，模拟时间内没有固定凸缘与轨道的接触，起重机相对于轨道实际为对称移动。控制系统根据开发的算法，并通过交替改变驱动支撑电机的速度来调节横向运动，来防止起重机向右移动，起重机相对于中心位置的横向位移不超过3mm。

4 结论

本文采用MATLAB/Simulink软件产品与通用结构相结合的方法对起重机的机电系统进行建模。结果表明，所提供的异步电机驱动控制系统限制了起重机的变形，可切实防止轮缘与起重机轨道接触，从而减轻了悬索桥起重机和运行轨道的负荷。所提出的技术允许通过使用仿真软件对机械和电气子系统的相互作用进行详细模拟。该技术可以实现分析控制系统和机电过程，模拟各种轨道不规则性、牵引条件等，运用新算法可实现轨道上的设定点位运行，并可在负载移动时考虑并测试起重机和转向架的移动控制。

参考文献

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