港口岸桥用直流电机非独立控制励磁调速系统设计

王毅，朱德平，步长存

（1.山东科技大学，山东 青岛 266590；2.青岛港前湾集装箱码头有限责任公司，山东 青岛 266500；3.山东东山新驿煤矿有限公司，山东 济宁 272000）

0 引言

岸边桥式起重机（简称岸桥）是港口岸边从事集装箱装卸生产的重要设备，它主要由门架、桥架（俯仰）和起重小车组成[1-2]，其中俯仰和小车能否正常高效运行直接决定了生产效率。上海振华重工集团有限公司制造的J15型集装箱岸桥，机械自重800 t，额定起重量为40.5 t，起升高度32 m，其俯仰和小车的电控系统均采用GE SERIESSIX PLC控制和DC-300驱动，随着控制器件的更新换代该电气控制系统已停产，在用电控系统面临着元件老化，故障率高，无法购买备件等问题。如果不进行升级改造，整台岸桥将被弃之不用，造成企业的成本和资源浪费。

从改造工期，备件管理及现场技术等方面考虑[3]，选用西门子6RA70型驱动器替换DC300完成对小车与俯仰电机的“一拖二”交替驱动设计，采用GE9030型控制器替代SERIESSIX PLC，如图1所示为小车与俯仰机构的电气控制系统原理，GE9030控制器IC693 CPU350与CPU374之间为Genius通讯方式，主控制器CPU374与西门子6RA70之间采用Profibus通讯方式。

图1 小车与俯仰机构电气控制系统原理图Fig.1 Electrical control system principle of the Trolley and Boom

1 驱动器选型

1.1 6RA70驱动器选型

本文驱动器所驱动的小车和俯仰的电机均为ZZJ-814型，其铭牌数据：输入电压480 V，功率112 kW，电枢额定电流280 A，电枢额定电压440 VDC，转速500 r/min；励磁方式为他励，励磁电压 220 VDC，励磁电流 9.2 A，转动惯量 0.75 kg·m2，最大过载系数2。

6RA70驱动器选型主要考虑3个因素：负载的额定电源电压、额定电枢电流和运行方式。由于小车和俯仰运行方式为四相限运行，同时考虑到起重机电源电压波动较大，有时能超过10%，因此驱动器的电压等级选择500 V级，初步选型为6RA70XX-6GV62-Z，驱动器容量XX由驱动器的额定电流决定，其额定参数如表1所示。

表1 6RA70额定参数表Table 1 Nominal parameter of 6RA70

驱动器容量（电流）选型依据：1） 驱动器额定电流应大于电机电枢额定电流；2）驱动器最大过载电流应大于电机最大过载电流。

6RA70最大过载系数为1.8，电机最大过载系数为2，计算驱动器电枢电流为

驱动器容量选择XX=81或85，考虑驱动电机线圈老化造成电机绝缘等级下降，以及岸桥频繁启动、制动、过载的工作特点，驱动器容量选择XX=85。

Z表示驱动器待选件，6RA70与9030实现PROFIBUS通讯，须在6RA70上安装通讯板CBP2（选件G95），安装通讯板CBP2须安装总线适配器（选件K11）和适配板（选件K01）。

综上所述，该驱动器选型为：

1.2 6RA70驱动器型号校验

1） 6RA7085-6GV62 特性

6RA7085-6GV62驱动器负载连续工作电流为600 A，额定过载系数X=1.2，其特性计算为

峰值电流：Ipeak驱动=1.2×600=720 A

带载能力：Iload驱动=0.8×600=480 A

2） 小车/俯仰电机特性

根据电机的铭牌数据计算电机特性为

3）6RA70调速器校核标准

①I额定＜Iload驱动，即280＜480

②Ipeak电机＜Ipeak驱动，即559.34＜720综上，6RA7085-6GV62的选型成立。

1.3 GE9030控制器选型

根据小车与俯仰电气控制系统的控制功能、控制点数、信号类型，本文选用GE9030系列IC693CPU374控制器，配用电源IC693PWR321，数字量输入模块IC693MDL240（10块），数字量输出模块IC693MDL940（8块），模拟量输入输出模块IC693ALG442（1块）。

2 非独立控制励磁调速系统设计

2.1 调速指标

控制系统的调速指标要求如表2所示。

将小车与俯仰的运行速度转化为电机转速为：小车电机的控制转速490.4 r/min，俯仰电机的控制转速500.3 r/min。

表2 调速指标Table 2 Index of speed control

2.2 直流电动机调速原理

他励直流电动机转速公式[3]为：

由公式（1） 可知，他励直流电动机可以通过调节电枢电压Ud的方式实现调速目的。

2.3 非独立控制励磁的调压调速系统设计

由于小车、俯仰没有测速装置，根据直流电机感应电动势计算公式：

如果磁场强度φ恒定，则转速与E成正比，可以采用E的反馈信号代替转速n，由于感应电动势E检测困难，根据公式（3）只需采集Ua和Ia信号即可获得实际感应电动势的大小。

为确保电机调速的动态与稳态性能指标，电枢回路采用转速、电流双闭环调速系统，励磁回路采用电动势环和磁通环的双闭环控制方式，实现恒定的磁通，图2所示为非独立控制励磁的调压调速系统[4]的原理图。通过非独立控制励磁的调压调速系统设计，能够使小车俯仰电机在基速以下保持额定励磁不变，依靠转速、电流双闭环系统调节电枢电压来控制转速，实现了满磁下的调压调速。

图2 非独立控制励磁的调压调速系统原理图Fig.2 Pressure and velocity control system principle ofnon-independent excitation

2.3.1 电枢控制回路设计

6RA70驱动器电枢控制回路功能设计见图3。

图3 电枢控制功能图Fig.3 Armaturecontrol function diagram

速度给定：速度给定是通过PLC将手柄编码器的值转换为一个整数，并通过Profibus通讯将该值（K3002）传递给6RA70的参数P644。同时把控制字 1的 11位（B3111）和 12位（B3112）赋值给P671和P672，实现对电机速度给定的正负选择。

斜坡函数发生器：将给定值变为一个随时间连续变化的电压信号，参数P303和P304决定了系统的加减速时间，根据小车加减速时间设定P303.1=5 s，P304.1=4 s；根据俯仰加减速时间设定 P303.2=7 s；P304.2=7 s。

电流调节器：ACR采用PI调节器，其中P值决定对输入响应的快速性，I值影响系统的稳态误差。小车电流调节器的PI参数由P155.1=0.21，P156.1=0.032确定；俯仰电流调节器参数由P155.2=0.22，P156.2=0.035确定。

电流限幅值：ACR的输出限幅值决定了整流器输出电压的最大值，参数设定的主要依据实际负载的过载倍数。设定小车电流限幅值P171.1=150%，P172.1=-150%；俯仰电流限幅值为P171.2=180%，P172.2=-180%。

速度调节器：ASR采用PI调节器，使实际速度跟随速度给定变化，实现稳态转速无静差。参数设定依据是电机转速无波动。本系统中P、I参数为自整定参数。实际速度反馈采用的是反电动势反馈，设定P83=3。

速度限幅值：ASR的输出限幅值决定了ACR的给定最大值，该值的大小直接影响到系统动态过程中的超调量，本系统设定P512=120%，P513=-120%。

2.3.2 磁场闭环设计

磁场电流的闭环控制主要目的就是保持磁通恒定。通过图2知将电动势给定信号定义为EdN，将AER输出限幅值设定为额定励磁电流，同时限定EMF最大反馈值Emax=96%EdN。在基速以下调速时Edf始终小于使AER一直处在饱和状态，其输出电压总保持在限幅值上，使AFR的给定值始终为额定励磁电流，通过AFR的调节其输出始终保持为额定的励磁电流不变。通过AFR调节器自动优化获得调节参数和相应的磁化曲线。

2.4 制动器抱闸功能实现

小车电机与俯仰电机的选择抱闸方式均为工作抱闸，其工作原理及控制方式相同，下面以小车电机制动器抱闸为例进行设计。设P80=2，其控制时序如图4所示。

图4 抱闸控制时序图Fig.4 Brakecontrol sequence diagram

由时序图知，当37、38号端子置1后，使能调节器和触发脉冲，电机转矩建立，延时P87后，抱闸打开；当37、38号端子置0时，抱闸闭合，延时P88后，调节器封锁，转矩消失。

系统中令37、38号端子采集电机主接触检测信号作为T/B运行和使能信号。设P87=-0.3 s，表示抱闸打开前建立起力矩。设P88=1 s，表示抱闸闭合后1 s转矩消失。抱闸输出端子为48、54号端子，对应P772参数，设定P772=B255，B255为抱闸释放的控制变量。

2.5 调速器故障停机功能实现

当6RA70检测到故障后，其状态字K32的位3置1，对应的开关量连接器B106=1。设定46、47号输出端子参数P771=106，则9030PLC通过中继器采集46、47号端子状态来控制小车、俯仰机构的故障停机。

2.6 小车和俯仰控制切换功能

设定6RA70的P676为B3300，可由控制字2的首位控制小车与俯仰的控制参数组切换。

3 小车、俯仰实际运行波形分析

3.1 小车机构的典型波形图分析

所设计小车的非独立控制励磁的双闭环调压调速系统实际运行，通过Drivemonitor软件监测小车运行状态，选取小车速度给定，实际转速、电枢电流、磁场电流，EMF等作为监测变量，如图5所示为小车带载40%向后运行的监控波形。

图5 小车后向运行波形Fig.5 The backward operating waveform of Trolley

分析小车的运行性能如下：

1）系统动态性能。如图5所示的小车速度波形，分析其加速和减速过程，转速超调量≤2%，加速时间约5.3 s，减速时间约为4 s，均符合调速指标要求。小车加速阶段和减速阶段的电枢电流较大，但均未超过最大限流值。

2）系统稳态性能。如图5所示转速波形，小车向前和向后运行稳定后，实际转速与给定转速波形曲线基本重合，且无波动，稳态转速无静差。

如图5电枢电流波形，小车稳定运行后，电流波形比较光滑，无剧烈的振荡和尖峰，但波形有波动。分析其原因为，系统稳定时电机电磁转矩与负载转矩关系方程式为

在磁通φ保持不变的情况下，电枢电流与负载大小成正比，由于小车运行过程中负载不断变化，所以电枢电流波形有波动。

如图5所示励磁电流波形，磁场电流在运行过程中基本保持不变，符合本系统EMF闭环设计磁通保持不变的特征。

3.2 俯仰机构运行的典型波形图分析

将运行机构切换到俯仰双闭环调压调速系统运行，采集俯仰向上波形如图6所示。俯仰运行波形分析方法同小车相似，不同的是俯仰机构为势能性负载，其转矩计算公式为

其中：G为大梁重力；L为大梁长度；α为大梁与水平面的夹角范围为0°~80°。由公式（6） 可知：在俯仰上升过程中TL随着α增大而减小，对应Ia逐渐减小。因此，如图6所示俯仰电枢电流表现为电流波形不断下滑。

图6 俯仰上升波形Fig.6 Theup waveform of Boom

综上分析，小车/俯仰驱动器的控制方法和参数设置完全符合实际运行要求。

4 结语

新系统自2012年5月在某港口7号岸桥投入使用至今，各机构一直运行良好，故障率低，效率高，维修方便，降低了工人劳动强度，避免了因备件导致的长时间故障停机和资源浪费。

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[2] 王细远.散货港口起重机远程监控系统的研究[J].水运工程，2008（10）：187-193.WANGXi-yuan.On bulk cargo harbor crane remote monitor system exploiture disquisition[J].Port&Waterway Engineering,2008(10):187-193.

[3] 樊平.无刷直流电机宽范围调速系统研究[J].测控技术，2010，44（9）：57-59.FAN Ping.Research on wide range speed regulation of BLDCM[J].Power Electronics,2010,44(9):57-59.

[4]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京：机械工业出版社，2003.CHENBo-shi.Electric drive automatic control system[M].Beijing:China Machine Press,2003.

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