基于嵌入式技术的变频调速起重机新型控制系统

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摘要 本文介绍了以ARM7芯片为核心并配合变频拖动技术的桥式起重机新型控制系统的软、硬件设计方案，阐述了其速度控制策略。系统采用带脉冲监视输出卡（PG卡）速度反馈的闭环控制方式，通过旋转编码器对起升机构的运行速度和运行方向进行监控。系统实现了对起重机的可靠控制和平稳调速。

关键词 拖动控制；嵌入式；变频变压调速；旋转编码器

中图分类号 TP273 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2012)051-0158-02

目前桥式起重机广泛采用的控制系统以继电器为逻辑控制元件，采用继电器—接触器进行控制。这种控制系统通过绕线转子异步电动机转子回路中串联电阻的方法进行起动和调速，带来的机械冲击严重，容易造成金属结构损伤，电气元件频繁损坏，机械制动磨损严重，设备经常故障大修，且保护性能差，能源损耗大，影响起重机的工作效率和作业安全。而以PLC为核心的控制系统，其端口数量少，通信能力弱，且功能有限，譬如没有模拟量输出的功能，无法实现对起重机的精确控制。

本文在采用变频拖动技术的基础上，提出以基于ARM7TDMI-S内核的嵌入式微处理器LPC2378作为桥式起重机控制系统的CPU，摆脱桥式起重机旧式控制系统的不稳定性和功能局限性，提高了起重机的自动化和智能化程度，简化了系统结构，减少了硬件开销，提高了起重机的运行与安全性能。变频技术的采用则实现了起重机的无级调速，起制动平稳，制动器磨损小，并具有电机发热量小、节能高效、噪声等污染小的优点。

1 系统总体设计

本文设计的桥式起重机控制系统的核心部件是安装在其控制柜内的以微处理器LPC2378作为核心的嵌入式主控制器和4台安川G7系列变频器，它们与桥式起重机各运行机构的电机构成了一个闭环控制系统。桥式起重机的主钩、副钩、大车、小车电机都需要独立运行，其中主钩、副钩、小车电机分别由3台变频器单独控制，大车两台电机共用1台变频器控制。本设计采用嵌入式微处理器LPC2378代替原来的继电器-接触器控制方式，完成系统逻辑控制部分的功能，电机的正反转、调速等控制信号进入LPC2378，经其处理后向变频器发出起停、调速等信号，控制电机的工作。控制系统结构如图1所示。

桥式起重机的主控制器主要完成各运行机构动作指令的登记与执行、各运行机构速度控制、安全保护装置检查、故障检测与处理等功能。主控制器通过CAN串行总线通信的方式与各运行机构变频器、主/副钩起升重量限制器实现信息与数据的实时、有效交换。主控制器采集到控制盒或者司机操纵室发送的主/副钩升降、大车行走以及小车行走等动作请求后，按照程序制定的控制策略，经过逻辑与算术运算做出控制决策，向变频器和电动机、制动器发出相关的速度指令与控制指令，实现桥式起重机主、副钩升降运行和大、小车行走运行的控制。同时主控制器还根据主/副钩起升高度限位器、主/副钩下降限位器、大车行程限位器、小车行程限位器、急停和门联锁开关、变频器反馈的运行状态、接触器反馈的动作状态、以及起升重量限制器反馈的称重信号等信息判断当前桥式起重机各运行机构的位置、安全和故障状态。

本文设计的主、副钩电机采用高性能的变频专用电机，代替原绕线转子异步电机，并且配置变频器，装设有旋转编码器，采用带PG卡速度反馈的闭环控制方式，通过旋转编码器对主、副钩的运行速度和运行方向进行监控，可实现对其运行的精确控制，并能实现超速保护和防逆转保护功能。大、小车的拖动采用普通的笼型异步电动机代替原绕线转子异步电动机，采用开环控制

方式。

2 嵌入式主控制器的设计

2.1 主控制器硬件设计方案

桥式起重机主控制器的硬件整体设计方案如图2所示。

本文设计的变频拖动桥式起重机嵌入式主控制器，根据其硬件功能可划分为如下五个模块。

1）微处理器模块：嵌入式微处理器是桥式起重机主控制器的CPU，本文采用恩智浦公司以ARM7TDMI-S为内核的32位RISC芯片LPC2378。该芯片具有强大的运算处理能力以及丰富的片上硬件资源，可简化主控制器的硬件结构，降低软件设计的复杂性，并提高主控制器的稳定性和可靠性。

2）输入模块：桥式起重机主控制器的输入主要包括各个行程限位器状态输入、主/副钩起升重量限制器检测输入、急停开关输入、司机操纵室和桥架通道的门联锁开关输入、变频器运行状态输入、接触器动作状态输入、速度检测脉冲输入。

3）输出模块：DA模拟量输出是指负载补偿模拟量输出。负载补偿输出用于电机启动时的转矩补偿，作用是防止桥式起重机的主、副钩启动起升时发生反转，避免因为“溜钩”而导致的安全事故。主控制器向变频器输出多段速数字量，实现对各运行机构的速度控制。主控制器输出的变频器控制信号与接触器控制输出信号均是继电器输出信号，用于实现对变频器的控制和制动器松、抱闸的操作。

4）通信模块：主要是指CAN通信电路，它是桥式起重机主控制器与其它控制器，如各运行机构变频器控制器、主/副钩起升重量限制器控制器等的通信接口电路。

5）人机交互模块：本文设计的人机交互模块主要用来操作桥式起重机的运行，并实时获取桥式起重机的载荷状态和警报信号，其由控制按钮电路、液晶显示接口电路和声光报警器电路

组成。

2.2 主控制器软件设计方案

本文设计的桥式起重机主控制器软件，其结构分为三个层次，分别为：底层硬件驱动层、中间接口层、应用层。本文采用模块化的软件设计方法编写各个程序函数，方便软件的调试和

维护。

底层作为硬件驱动层，其各模块的函数主要作用是实现对嵌入式微处理器LPC2378片上硬件资源的配置，并完成基本的操作。中间层是介于应用层和底层硬件驱动层之间的接口层，其主要实现桥式起重机基本配置参数的保存和读写、获取和处理桥式起重机主控制器的各种输入、实现桥式起重机各运行机构的速度控制、实现CAN通信协议等。本文采用了防抖动的软件设计方式，并应用在对输入信号的读取，有助于提高系统的软件抗干扰能力，使本文的程序更适应用于桥式起重机的工作环境。应用层的软件设计主要是控制程序设计。控制程序实现对桥式起重机各运行机构的运行控制，针对主/副钩、大车和小车不同的工作性能和安全保护要求，设计了相对应的程序模块。

3 速度控制策略的设计

本文的桥式起重机主控制器对桥式起重机各运行机构的速度控制是一种间接控制的过程。主控制器通过控制变频器，再经变频器对电机的运转速度和运转方向进行控制。这就从根本上改变了目前桥式起重机中广泛采用的以绕线转子异步电动机转子回路中串联电阻的方法进行调速控制的方式，利用嵌入式主控制器强大的逻辑处理能力和变频器优异的调速性能，使桥式起重机各运行机构电机的调速和起、制动更加平稳，减少运行中的机械冲击以及制动磨损。

主控制器向变频器输出多段速数字量来实现对电机的速度控制，其运行速度曲线完全由变频器产生，这既可充分利用变频器的强大功能，又可减少对主控制器资源的占用，并可通过预设速度参数的方式使起重机各运行机构的工作速度更符合工业现场的应用需要。在多段速数字量控制方式下，桥式起重机主控制器控制变频器的速度指令是变频器3个速度控制端子的二进制组合，每一个组合代表了一种速度。变频器的3个速度控制端子信号来自主控制器的3个继电器输出端口。除了零速，桥式起重机各运行机构最多可有7段自小到大的运行速度选择。

本文设计的桥式起重机主、副钩升降速度控制采用7段速度，即当起重机的主钩或副钩运行时，最多有7条速度曲线可供选择。在起重机主、副钩运行前，主控制器将根据主、副钩的升降行程和换速距离选择7段速度中某一段速度运行。其中，换速距离需要对应7段速度中的每一段速度，根据变频器端设定的时间曲线参数经过计算后得出，并需在主控制器上进行设定。而主、副钩的升降行程h行程可由如下的计算方法确定：

当主、副钩启动上升的运行，其上升行程h行程由公式（1）算得。当主、副钩启动下降的运行，其下降行程h行程由公式（2）算得。其中H额定是主、副钩的额定起升高度，其定义为主、副钩起升高度限位器与下降限位器之间的垂直距离，亦即实际可供主、副钩升降运行的最大行程，它为程序中预设定的参数；h则是主、副钩当前所处位置与其下降限位器之间的垂直距离，可由程序算法对主、副钩电机自下降限位器进行起升运行至主副、钩当前所处位置产生的速度脉冲计数得出。算法中对脉冲的计数采取“上升则加、下降则减”的规则进行。

h行程=H额定-h （1）

h行程=h （2）

根据主、副钩的升降行程和换速距离选择某一段速度运行，例如当升降行程和换速距离较大的时候就选择7段速度中较高的速度运行，这样的速度控制策略，可使得主、副钩的起动加速和制动减速更加平滑，并能选择更合适的速度运行至预定位置，实现平稳而高效的调速控制。

4 结论

随着社会经济的不断发展和科学技术的飞速进步，生产应用上对桥式起重机的工作性能、安全保障和低耗节能等方面的要求越来越高，桥式起重机的控制技术正朝着自动化、智能化和网络化等方向发展。本文设计的嵌入式桥式起重机变频拖动控制系统，尤其适合于对起重机的运行性能和控制精度有较高要求的工业应用。

参考文献

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