【正文】 為 ，單機(jī)最大輸送距離超過30km。自動(dòng)化立體庫堆垛機(jī)最大運(yùn)行能力為 240m/min。 、智能化、集成化和信息化發(fā)展。機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)相結(jié)合，將先進(jìn)的微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、模糊控制技術(shù)應(yīng)用到機(jī)械的驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化，以適應(yīng)多批次少批量的柔性生產(chǎn)模式。目前已經(jīng)出現(xiàn)了能自動(dòng)裝卸物料、有精確位置檢測(cè)和自動(dòng)化過程控制的橋式起重機(jī)。起重機(jī)上還裝有微機(jī)自診斷監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)于自身的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和維護(hù)。 ，系統(tǒng)化和規(guī)?；l(fā)展。將各種起重運(yùn)輸機(jī)械的單元組合為成套系統(tǒng)，加強(qiáng)生產(chǎn)設(shè)備與物料搬運(yùn)機(jī)械的有機(jī)結(jié)合，提高自動(dòng)化程度，改善人機(jī)系統(tǒng)。重點(diǎn)發(fā)展的有港口散料和集裝箱裝卸系統(tǒng)、工廠生產(chǎn)搬運(yùn)自動(dòng)化系統(tǒng)、自動(dòng)化立體倉庫系統(tǒng)、商業(yè)貨物配送集散系統(tǒng)、交通運(yùn)輸部門和郵政部門郵件的自動(dòng)分揀與搬運(yùn)系統(tǒng)等。 4．向模塊化、組合化、系列化和通用化發(fā)展。許多通用起重運(yùn)輸機(jī)械是成系列成批量的產(chǎn)品。為了降低制造成本，提高通用化程度，可采用模塊組合的方式，用較少規(guī)格的零部件和各種模塊組成多品種、多規(guī)格和多用途的系列產(chǎn)品，充分滿足各類 用戶的需要。也可使單件小批量生產(chǎn)起重運(yùn)輸機(jī)械的方式改換成具有相當(dāng)批量和規(guī)模的模塊生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)高效率的專業(yè)化生產(chǎn)。 5．向小型化、輕型化發(fā)展。有相當(dāng)數(shù)量的起重運(yùn)輸機(jī)械作業(yè)并不十分頻繁。上海第二工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 為了考慮綜合效益，要求這部分起重運(yùn)輸機(jī)械盡量減少外形尺寸，簡化結(jié)構(gòu)，降低造價(jià)和使用維護(hù)費(fèi)用，按最新設(shè)計(jì)理論開發(fā)出來的這類設(shè)備比我國用傳統(tǒng)理論設(shè)計(jì)的同類產(chǎn)品自重輕 20％。由于自重輕、輪壓小、外形尺寸小，使結(jié)構(gòu)的建造費(fèi)用和起重機(jī)運(yùn)行費(fèi)用也大大減少。 6．采用新理論、新方法、新技術(shù)提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。通過計(jì)算機(jī)模擬與仿真，開展對(duì)起重運(yùn)輸機(jī)械載 荷變化規(guī)律、動(dòng)態(tài)特性和疲勞特性的研究，尋求參數(shù)與機(jī)種的最佳匹配與組合；開展對(duì)可靠性的試驗(yàn)研究，全面采用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法、概率設(shè)計(jì)法和可靠性設(shè)計(jì)等，利用 CAD 提高設(shè)計(jì)效率與質(zhì)量，與計(jì)算機(jī)輔助制造系統(tǒng)相銜接，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造一體化。 7．用新結(jié)構(gòu)、新部件、新材料和新工藝提高產(chǎn)品性能。結(jié)構(gòu)方面采用薄壁型材和異型鋼，減少結(jié)構(gòu)的拼接焊縫，采用各種高強(qiáng)度低合金鋼新材料，提高承載能力，改善受力條件，減輕自重和美化外形。在機(jī)構(gòu)方面進(jìn)一步開發(fā)新型傳動(dòng)零部件，簡化機(jī)構(gòu)，以焊代鑄，采用機(jī)電液一體化技術(shù)，提高使用性能和可靠性。開發(fā) 性能好、成本低、可靠性高的調(diào)速系統(tǒng)和電控系統(tǒng)。今后還會(huì)更加注重起重運(yùn)輸機(jī)械的安全性，重視司機(jī)的工作條件。 橋式起重機(jī)是橋架式起重機(jī)的一種，它依靠升降機(jī)構(gòu)和水平運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)在兩個(gè)互相垂直的方向運(yùn)動(dòng)，能在矩形場(chǎng)地及上空完成操作，是各種生產(chǎn)企業(yè)廣泛使用的一種起重運(yùn)輸設(shè)備。它具有承載能力大、可靠性高、結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單等優(yōu)點(diǎn)，隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，用戶對(duì)起重機(jī)的性能要求越來越高，而早期的起重機(jī)已無法滿足要求，因此需要對(duì)起重機(jī)的控制方式進(jìn)行改進(jìn)，滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要。 課題研究的目的和意義 近年來，隨著計(jì)算技術(shù)和電力電子 器件的迅猛發(fā)展，同時(shí)也帶動(dòng)電氣傳動(dòng)和自動(dòng)化控制領(lǐng)域的發(fā)展。其中，具有代表性的交流變頻調(diào)速裝置和可編程控制器獲得了廣泛的應(yīng)用，為 PLC 控制的變頻調(diào)速技術(shù)在橋式起重機(jī)應(yīng)用提供了有利條件。變頻技術(shù)的運(yùn)用使得起重機(jī)的整體特性得到較大提高，可以解決傳統(tǒng)橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)存在的爭奪問題，變頻調(diào)速以其可靠性好、高品質(zhì)的調(diào)速性能、節(jié)能效益顯著的特性在起重機(jī)運(yùn)輸機(jī)械行業(yè)中具有廣泛的發(fā)展前景。 變頻調(diào)速裝置的先進(jìn)性能特別適用于起重機(jī)的惡劣工況，對(duì)改善起重機(jī)的調(diào)上海第二工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 速性能，提高工作效率和功率因素，減小起制動(dòng)沖擊以及增加起重機(jī)使用的安 全可靠是非常有益的。相對(duì)發(fā)達(dá)國家而言，我國的相關(guān)技術(shù)水平差距較大，主要技術(shù)難度體現(xiàn)在：起重機(jī)對(duì)電控系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性要求越來越高，起重機(jī)的起重量及運(yùn)行速度等技術(shù)參數(shù)越來越大，起重機(jī)的自動(dòng)化程度越來越高，起重機(jī)對(duì)管理和通訊的性能要求越來越嚴(yán)格。為此，有必要對(duì)橋式起重機(jī)電控系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)應(yīng)用。由變頻器構(gòu)成的交流調(diào)速系統(tǒng)可取代直流調(diào)速系統(tǒng)，是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)特別是大規(guī)模集成電路制造技術(shù)不斷發(fā)展的必然結(jié)果，符合起重機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，適合發(fā)展大起重量得起重機(jī)；提高工作速度、擴(kuò)大調(diào)速范圍；提高金屬結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)和電氣設(shè)備的可 靠性和使用壽命；改善司機(jī)操作條件，保證作業(yè)安全，提高自動(dòng)化控制程度和擴(kuò)大遠(yuǎn)距離控制系統(tǒng)的使用范圍。 本課題橋式起重機(jī)基本參數(shù)： 該機(jī)的起重量為 20/5 噸，其跨度 (L)為 主鉤起升速度為 ，副鉤起升速度為 15m/min。大車運(yùn)行速度為 75m/min，小車運(yùn)行速度為 45m/min。 上海第二工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 2 變頻調(diào)速控制技術(shù)的基本原理 變頻調(diào)速原理簡介 異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為 : n=pf60(1s) () 其中： n異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，單位為 r/min； f定子的電源頻率，單位為 Hz； s電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速滑差率； p電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)。 由上式（ ）可知，如果改變輸入電動(dòng)機(jī)的電源頻率 f，則可相應(yīng)改變電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速。 在電動(dòng)機(jī)調(diào)速時(shí)，一個(gè)重要的因素是希望保持每極磁通量 m? 為額定值不變。磁通太弱，沒有充分利用電動(dòng)機(jī)的鐵心，是一種浪費(fèi)；若要增大磁通，又會(huì)使磁 通飽和，從而導(dǎo)致過大的勵(lì)磁電流，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因?yàn)槔@組過熱而損壞電動(dòng)機(jī)。對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)來說，勵(lì)磁是獨(dú)立的，所以只要對(duì)電樞反應(yīng)的補(bǔ)償合適，保持 m?不變是很容易做到的。在交流異步電動(dòng)機(jī)中，磁通是定子和轉(zhuǎn)子合成產(chǎn)生的。 三相異步電動(dòng)機(jī)每相電動(dòng)勢(shì)的有效值是： gE = sN Nsk m? （ ） 式中： gE 氣隙磁通在定子每相中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)有效值，單位為 V； 1f 定子頻率，單位為 Hz； sN 定子每現(xiàn)繞組串聯(lián)匝數(shù)； Nsk 與繞組結(jié)構(gòu)有關(guān)的繞組系數(shù)； m? 每 極氣隙磁通量，單位為 wb； 由公式可知，只要控制好gE和 1f 便可以控制磁通 m? 不變，需要考慮基頻（額定頻率）基頻以下和基頻以上兩種情況： 上海第二工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 基頻以下調(diào)速 即采用恒定的電動(dòng)勢(shì)。有上式（ ）可知，要保持 m? 不變，當(dāng)頻率 1f 從額定值 1Nf 向下調(diào)節(jié)時(shí)，必須同時(shí)降低1E，使1E/1f =常數(shù)，即采用電動(dòng)勢(shì)與頻率之比恒定的控制方式。然而，繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是難以控制的，當(dāng)電動(dòng)勢(shì)較高時(shí)，可以忽略定子電子繞組的漏磁阻抗壓降，而認(rèn)為定子相電壓 1V ≈1E，則得 1V /1f =常數(shù)。 （ ） 這是恒頻率比的控制方式。在恒頻率比條件下改變頻率時(shí)，我們能夠證明：機(jī)械特性基本上是平行下移的，如圖 21所示。 圖 21 基頻以下調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性 這和他勵(lì)直流變壓調(diào)速的特性相似，所不同的是，當(dāng)轉(zhuǎn)矩增大到最大值以后，特性曲線就折回來了。如果電動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下都具有額定電流，則電都能在溫升允許條件下長期運(yùn)行，這時(shí)轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化，所以轉(zhuǎn)矩也恒定。根據(jù)電機(jī)與拖動(dòng)原理，在基頻以下調(diào)速屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”的性質(zhì)。在低頻時(shí)， 1V和1E都較小，定子阻抗壓降所占的分量都比較顯著，不能再忽略。這時(shí)，可以人為的把電壓 1V 抬高一些，以便近似的補(bǔ)償定子壓降。帶定子壓降補(bǔ)償?shù)暮愎β时瓤刂铺匦詾?2線，無補(bǔ)償?shù)臑?1線。 如圖 22 所示： 上海第二工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 圖 22 恒壓頻比控制特性 基頻以上調(diào)速 在基頻以上調(diào)速時(shí)，頻率可以從 1Nf 往上增高，但電壓 1V 不能超過額定電壓N1V ，最多只能保持 1V = N1V 。由式 可知，這將迫使磁通隨頻率升高而降低，相當(dāng)于直流電機(jī)弱磁升速的情況。 在基頻 1Nf 以上變頻調(diào)速時(shí)，由于電壓 1V = N1V 不變，我們不難證明當(dāng)頻率提高時(shí)，同步轉(zhuǎn)速隨之提高，最大轉(zhuǎn)矩減小，機(jī)械特性上移，如圖 23所示。 圖 23 基頻以上調(diào)速 時(shí)的機(jī)械特性 由于頻率提高而電壓不變，氣隙磁動(dòng)勢(shì)必然減弱，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩減小。由于轉(zhuǎn)速升高了，可認(rèn)為輸出功率基本不變。所以，基頻以上變頻調(diào)速屬于弱磁恒功率調(diào)速。 把基頻以下和基頻以上兩種情況結(jié)合起來，可得圖 14 所示的異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)上海第二工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 速控制特性。 圖 24 異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制特性 應(yīng)該注意，以上分析的機(jī)械特性都是在正弦電壓供電下的情況。如果電源含有諧波，將使機(jī)械特性受到扭曲變形，并增加電機(jī)只能中的損耗。因此在選購變頻器時(shí)，變頻器輸出的諧波越小越好。 變頻器簡介 變頻器的主電路 這里 主要介紹電壓源型交 直 交變頻器主電路的基本結(jié)構(gòu)如圖 25 所示。 圖 25 變頻器主電路 上海第二工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 （ 1）電力電子開關(guān)器件 電力半導(dǎo)體器件己經(jīng)歷了以晶閘管為代表的分立器件，以可關(guān)斷晶閘管(GTO)，巨型晶體管 (GTR)，功率 MOSFET、絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)為代表的功率集成器件 (PID),以智能化功率集成電路 (SPIC)，高壓功率集成電路 (HVIC)為代表的功率集成電路 (PIC)等三個(gè)發(fā)展時(shí)期。從晶閘管發(fā)展到 PID, PIC 通過門極或柵極控制脈沖可實(shí)現(xiàn)器件導(dǎo)通與關(guān)斷的全控器件。在器件的控制模式上，從電流型控制模 式及發(fā)展到電壓型控制模式，不僅大大降低了門極 (柵極 )的控制功率，而且大大提高了器件導(dǎo)通與關(guān)斷的轉(zhuǎn)換速度，從而使器件的工作頻率不斷提高。在器件結(jié)構(gòu)上，從分立器件發(fā)展到由分立器件組合成功率變換電路的初級(jí)模塊，繼而將功率變換電路與觸發(fā)控制電路、緩沖電路、檢測(cè)電路等組合在一起的復(fù)雜模塊。 （ 2）整流電路 一般的三相變頻器的整流電路由三相全波整流橋組成。它的主要作用是對(duì)工頻的外部電源進(jìn)行整流，并給逆變電路和控制電路提供所需要的直流電源。整流電路按其控制方式，可以是直流電壓源，也可以是直流電流源。 （ 3）逆變電路 逆變 電路是利用六個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)器件組成的三相橋式逆變電路，有規(guī)律的控制逆變器中的主開關(guān)元器件的通與斷，得到任意頻率的三相交流電輸出。它的主要作用是在控制電路的控制下，將平滑電路輸出的直流電源轉(zhuǎn)換為頻率和電壓都任意可調(diào)的交流電源。逆變電路的輸出就是變頻器的輸出，它被用來實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制。 變頻器的控制電路 變頻器控制電路包括主控電路、信號(hào)檢測(cè)電路、門極驅(qū)動(dòng)電路、外部接口電路以及保護(hù)電路等幾個(gè)部分，是變頻器的核心部分?？刂齐娐返膬?yōu)劣決定了變頻器的優(yōu)劣。控制電路的主要作用是完成對(duì)逆變器開關(guān)控制、對(duì)整 流器的電壓控制以及完成各種保護(hù)功能。 現(xiàn)代通用變頻器都是數(shù)字式控制的，微處理器（ CPU）是控制電路的核心器件，它通過輸入接口和通信接口取得外部控制信號(hào)，通過檢測(cè)電路取得輸出電壓、上海第二工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 電流、溫度等運(yùn)行參數(shù)，根據(jù)設(shè)置的運(yùn)行方式，進(jìn)行 U/f 控制或者矢量控制，將控制命令傳送給 SPWM（以逼近正弦波形為特征的交流脈寬調(diào)制也稱正弦脈寬調(diào)制）控制集成電路，去觸發(fā)逆變器。微處理器的控制程序存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，用戶通過參數(shù)設(shè)置可以改變程序的計(jì)算參數(shù)和機(jī)構(gòu)。 變頻器的控制接口（包括模擬量輸入輸出接口和開關(guān)量輸入輸出接口）用于變頻 器與外部交換信息。開關(guān)輸入接口接收外部的邏輯控制命令，開關(guān)輸出接口向外部發(fā)出變頻器運(yùn)行、故障等狀態(tài)信號(hào)；模擬量輸出接口向外部提供變頻器的頻率、電流等運(yùn)行參數(shù)。 變頻器的通信接口提供以通信方式與外部其他設(shè)備交換信息的功能，它的作用與控制接口類似，但允許數(shù)量更多的信息交換。有的變頻器把通信口作為標(biāo)準(zhǔn)配置，有的則提供模塊形式的可選件，通信模塊插在總線接口槽內(nèi)，與數(shù)據(jù)總線連接。 現(xiàn)在變頻調(diào)速的控制方法 交流電機(jī)的控制遠(yuǎn)比直流電機(jī)復(fù)雜的多。在傳動(dòng)控制領(lǐng)域，電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制精度、動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩的控制等都會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定 性和系統(tǒng)跟蹤誤差產(chǎn)生較大的影響。 目前實(shí)用的交流調(diào)速系統(tǒng)的控制方法有以下幾種： （ 1）恒壓頻比控制（ V/F 控制） V/F 控制是交流電機(jī)最簡單的一種控制方法，通過控制過程中始終保持 V/F為常數(shù)，保證轉(zhuǎn)子磁通的恒定。然而 V/F 種子是一種開環(huán)控制方式，速度動(dòng)態(tài)特性差，電機(jī)轉(zhuǎn)矩利用率低，控制參數(shù)（如加 /減速度等）還需要根據(jù)負(fù)載的不同來進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，特別是低速時(shí)由于定子電阻和逆變器等的開關(guān)延時(shí)的存在，系統(tǒng)可能會(huì)發(fā)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。 （ 2）轉(zhuǎn)差頻率控制 轉(zhuǎn)差頻率控制引入可速度閉環(huán)，使轉(zhuǎn)速變化頻率與實(shí)際轉(zhuǎn)速同步上升 或降落，與 V/F 控制相比，更容易使系統(tǒng)穩(wěn)定。但是轉(zhuǎn)差頻率控制并未能實(shí)施對(duì)電機(jī)瞬間時(shí)轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)控制，而且動(dòng)態(tài)電