专利名称：一种大型矿用挖掘机优化回转特性的变结构数字控制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种大型矿用挖掘机优化回转特性的变结构数字控制器，属于电子控制和挖掘机技术领域。
背景技术：
大型电传动矿用挖掘机是大型露天矿山采矿场的主要采矿设备，其自重达500 1000吨，其铲斗容积达十几到几十立方(一次挖掘矿石数十吨)，动力来源为电力，通过铲上电气传动系统完成挖掘机的行走、提升、回转和推压作业，整个挖掘机供电容量达到几个兆伏安，单台传动系统最大直流工作电流达几千安，电力传动系统是挖掘机的核心设备。大型矿用挖掘机电力传动系统中回转传动的负载特性属于大容量、变惯量旋转载荷，正常运行条件下，一个工作循环仅作0° 90°、90° 0°的正反旋转运动，运动期间基本处于起制动的过渡过程中，传统的单一速度控制模式，在低速起制动转矩冲击大， 损害齿轮等传动机械，而单一转矩控制模式，速度难以精确控制，尤其是制动时难以准确给定，作业效率低下，对驾驶者操作技术水平要求较高，传统控制模式难以满足回转传动这种大容量、变惯量、起制动变化频繁负载、阻力不确定、堵转、振动和冲击大的负载特性，且传统控制系统为模拟器件构成的分立插接控制板，在挖掘机露天的强震动、大粉尘、大温差的恶劣环境下工作，故障率较高，抗干扰能力差，且接线复杂，备件更换及维护保养要求较高， 现有技术已不能充分满足高效采矿生产的需要。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种大型矿用挖掘机优化回转特性的变结构数字控制器，实现适应挖掘机回转负载大容量、大惯量旋转、起制动变化频繁、负载阻力不确定、振动和冲击大的负载特性。设计一套基于晶间管逻辑无环流四象限直流电力传动控制器，实现回转传动的控制和保护，减小传动机械(齿轮)的冲击和振动，延长机械寿命，实现快速平稳传动，并保证给定故障时，系统迅速制动停车，可靠性高，满足矿用挖掘机的剥离和开采及装卸作业，且达到投资少、性价比高、维护费用低的目的。本发明的技术方案是
一种大型矿用挖掘机优化回转特性的变结构数字控制器，它包括 一个自适应调节器，包括转速调节器ASR和转矩调节器ATR专家控制和PID闭环控制相结合的自适应调节器，用于实现回转传动的控制和保护；
一个GT控制模块，包括为实现转矩控制模式和转速控制模式根据速度实时切换的控制模块，用于根据速度实时切换，通过转矩调节或转速调节，控制回转传动的快速平滑过渡和保护；
一个综合控制模块，包括DSP、CPLD硬件平台、信号调理电路、I/O 口、脉冲驱动电路； 一个ED控制模块，为给定故障时的应急控制措施，用于在给定故障时，切除主令给定， 应急给定为最大制动转矩，使系统迅速制动停车，保证安全；一个SRG控制模块，为S形斜坡给定，包括转矩环给定前加入较大斜坡和圆弧，用于使传动机械转速转矩给定不仅是斜坡，而且在斜坡的起始和终结部分是圆角，即要求加速度的变化率受到限制，使启动过程舒缓稳定，避免振荡和冲击。进一步的技术方案是
所述的大型矿用挖掘机优化回转特性的变结构数字控制器，其自适应调节器与GT控制模块通过相加连接，GT控制模块在低速时采用转矩控制模式，即主令给定是电机输出转矩的大小，高速时采用转速控制方式，提高作业效率；在转矩控制模式和转速控制模式切换时选用滤波器，速度控制模型的转矩给定通过高通滤波器，转矩控制模型的给定通过低通滤波器，然后再把他们相加起来，实现平滑过渡，快速平稳传动。所述的大型矿用挖掘机优化回转特性的变结构数字控制器，其综合控制模块与 PLC的通讯选用PROFIBUS DP总线通信方式；电信号采集通过电压电流传感器，传感器的输出电信号送至信号调理电路，隔离后至DSP ；综合控制模块对晶闸管驱动脉冲的控制及状态采集通过光纤完成；I/O 口用来检测开关量输入的状态信号，以及对输出动作信号进行隔离和电平转换。所述的大型矿用挖掘机优化回转特性的变结构数字控制器，其转速调节器ASR和转矩调节器ATR专家控制和PID闭环控制相结合的自适应调节器，是针对挖掘机回转负载大容量、变惯量、起制动变化频繁、负载阻力不确定、振动和冲击大的负载特性而设计的一套基于晶闸管逻辑无环流四象限直流电力传动控制器，实现回转传动的控制和保护。所述的大型矿用挖掘机优化回转特性的变结构数字控制器，其GT控制模块控制参数按下式确定
权利要求
1.一种大型矿用挖掘机优化回转特性的变结构数字控制器，其特征在于，它包括一个自适应调节器，包括转速调节器ASR和转矩调节器ATR专家控制和PID闭环控制相结合的自适应调节器，用于实现回转传动的控制和保护；一个GT控制模块，包括为实现转矩控制模式和转速控制模式根据速度实时切换的控制模块，用于根据速度实时切换，通过转矩调节或转速调节，控制回转传动的快速平滑过渡和保护；一个综合控制模块，包括DSP、CPLD硬件平台、信号调理电路、I/O 口、脉冲驱动电路；一个ED控制模块，为给定故障时的应急控制措施，用于在给定故障时，切除主令给定， 应急给定为最大制动转矩，使系统迅速制动停车，保证安全；一个SRG控制模块，为S形斜坡给定，包括转矩环给定前加入较大斜坡和圆弧，用于使传动机械转速转矩给定不仅是斜坡，而且在斜坡的起始和终结部分是圆角，即要求加速度的变化率受到限制，使启动过程舒缓稳定，避免振荡和冲击。
2.按权利要求1所述的大型矿用挖掘机优化回转特性的变结构数字控制器，其特征在于，所述的自适应调节器与GT控制模块通过相加连接，GT控制模块在低速时采用转矩控制模式，即主令给定是电机输出转矩的大小，高速时采用转速控制方式，提高作业效率；在转矩控制模式和转速控制模式切换时选用滤波器，速度控制模型的转矩给定通过高通滤波器，转矩控制模型的给定通过低通滤波器，然后再把他们相加起来，实现平滑过渡，快速平稳传动。
3.按权利要求1所述的大型矿用挖掘机优化回转特性的变结构数字控制器，其特征在于，所述的综合控制模块与PLC的通讯选用PROFIBUS DP总线通信方式；电信号采集通过电压电流传感器，传感器的输出电信号送至信号调理电路，隔离后至DSP ；综合控制模块对晶间管驱动脉冲的控制及状态采集通过光纤完成；I/O 口用来检测开关量输入的状态信号，以及对输出动作信号进行隔离和电平转换。
4.按权利要求1所述的大型矿用挖掘机优化回转特性的变结构数字控制器，其特征在于，所述的转速调节器ASR和转矩调节器ATR专家控制和PID闭环控制相结合的自适应调节器，是针对挖掘机回转负载大容量、变惯量、起制动变化频繁、负载阻力不确定、振动和冲击大的负载特性而设计的一套基于晶闸管逻辑无环流四象限直流电力传动控制器，实现回转传动的控制和保护。
5.按权利要求1或2所述的大型矿用挖掘机优化回转特性的变结构数字控制器，其特征在于，所述的GT控制模块控制参数按下式确定
6.按权利要求1或2或3所述的大型矿用挖掘机优化回转特性的变结构数字控制器， 其特征在于，所述的DSP、CPLD硬件平台为控制模块，为高度集成化的DSP+ CPLD的架构。
7.按权利要求1或3或6所述的大型矿用挖掘机优化回转特性的变结构数字控制器， 其特征在于，所述的DSP选用TMS320系列，外扩SRAM用于在线调试，同时外扩非易失性 NVRAM芯片DS1744，在系统故障的情况下，综合控制模块将其现场重要参数以及时间信息保存下来，用于以后故障追踪查询，方便维修；同时系统也需要存储重要的配置参数。
8.按权利要求1或3或6所述的大型矿用挖掘机优化回转特性的变结构数字控制器， 其特征在于，所述的CPLD选用EPM7U8AETI100，实现逻辑无环流控制和触发脉冲生成，同时，实时监测从IO板输入DSP板的开关量输入信号状态，并以中断的形式通知DSP进行处理，从而减轻了 DSP的负担，提高了响应速度掉电保护中断。
9.按权利要求1所述的大型矿用挖掘机优化回转特性的变结构数字控制器，其特征在于，还有一个模拟数字转换电路，选用14位同步采样ADC芯片MAX1320ECM，满足了高精度控制时采样相位信息的要求；总线接口负责与PLC通讯；电源监控芯片为TPS3705，提供上电复位和手动复位功能；信号调理板负责对模拟信号进行隔离、滤波和电平转换，送到DSP 进行处理；为了保证控制单元不受主回路强电的干扰和操作人员的绝对安全，实现主回路强电和控制回路弱电的完全隔离。
全文摘要
本发明涉及一种大型矿用挖掘机优化回转特性的变结构数字控制器，广泛应用于船舶、建筑机械、石油采钻机械、港机等工业领域。它包括:一个自适应调节器；一个GT控制模块；一个综合控制模块，包括DSP、CPLD硬件平台、信号调理电路、I/O口、脉冲驱动电路；一个ED控制模块；一个SRG控制模块。其优点在于实现回转传动的控制和保护，减小传动机械(齿轮)的冲击和振动，延长机械寿命，实现快速平稳传动，并保证给定故障时，系统迅速制动停车，可靠性高，满足矿用挖掘机的剥离和开采及装卸作业，制造和维护成本低。
文档编号G05B13/04GK102193501SQ20111005300
公开日2011年9月21日 申请日期2011年3月5日 优先权日2011年3月5日
发明者姬凯, 文兰平, 钱丽, 陈嘉福, 高跃 申请人:中国船舶重工集团公司第七一二研究所