专利名称：用于起重机驱动器的电动机控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及根据独立权利要求I的前序部分的用于起重机驱动器(hoist drive)的电动机控制系统。
背景技术：
为了保持起重机驱动器的稳定运行，必须将起重机驱动器的电动机的旋转速度限制为使得转差频率不超过停转(pull-out)转差频率。换句话说,一定不能达到停转转矩。停转转矩作为速度的平方反比(inverse square)减小,故在高速时比在低速时更容易达到停转转矩。现有技术中的用于起重机驱动器的电动机控制系统适用于使用从负载重量传感器获得的负载重量数据，以便限制起重机驱动器的电动机的旋转速度。适用于输出负载重量数据的负载重量传感器为相对较为昂贵的部件。
发明内容
本发明的目的为提供用于起重机驱动器的电动机控制系统，其能够在没有负载重量数据的情况下将起重机驱动器的电动机的旋转速度限制为低于停转转差频率。通过以独立权利要求I中的陈述为特征的用于起重机驱动器的电动机控制系统实现本发明的目的。在从属权利要求中公开了本发明的优选实施例。本发明基于这样的构思使用包括积分控制器装置的功率限制器装置，产生角频率基准的校正项，所述积分控制器装置将与电动机的功率的实际值有关的信息用作其初始数据。本发明的电动机控制系统的优点为，电动机控制系统不需要任何与负载重量有关的測量数据。另ー优点为，电动机控制系统能够可靠地将转差频率保持为低于停转转差频率。
下面将參考附图借助优选实施例更详细地描述本发明，在附图中图I示出了包括根据本发明的实施例的电动机控制系统的开环起重机驱动器；图2示出了包括根据本发明另ー实施例的电动机控制系统的闭环起重机驱动器；图3示出了图I的起重机驱动器的转矩限制值和功率限制值；以及图4示出了使用根据图I的起重机驱动器获得的測量結果。
具体实施例方式图I示出了包括电动机2的开环起重机驱动器，电动机2可操作地连接到用于升降负载6的起重部件4。电动机2由根据本发明的实施例的电动机控制系统进行控制。电动机控制系统包括功率限制器装置8、饱和装置12、速率限制器装置14、控制装置16、功率推定器装置18以及脉冲宽度调制装置20。电动机控制系统适用于基于初始数据产生用于控制电动机2的最终角频率基准ω '，初始数据包括用于角频率基准的受限设置点值ω *s，lim和用于角频率基准的校正项《K在图I的开环实施例中，最终角频率基准ω %是同步角频率基准，控制装置16是标量控制装置。
在图I中，开环起重机驱动器已经被分为三部分，即应用软件50、系统软件60以及起重机驱动器设备70。应用软件和系统软件适用于由合适的数据处理设备运行。除了上面列出的电动机2和起重部件4之外，起重机驱动器设备包括变频器22。整个起重机驱动器设备可由已知的部件构成。饱和装置12适用于接收由用户接口装置产生的初始角频率基准ω *sQO饱和装置12适用于通过在初始角频率基准ω 上施加上限制值COstl max和下限制值COstl min来产生饱和角频率基准ω %,sat。当初始角频率基准ω 在由下限制值和上限制值指定的范围内时，饱和初始角频率基准ω %，sat等于初始角频率基准ω 当初始角频率基准ω * s0大于上限制值《s(1，max时，饱和初始角频率基准ω %sat等于上限制值ω&_。对应地，当初始角频率基准ω 低于下限制值Ostl min时，饱和初始角频率基准ω %，sat等于下限制值ω50,ω ηΟ下限制值Wstl min可以是上限制值COstl max的加法逆元素，其中，上限制值和下限制值的绝对值相等。在替代性实施例中，饱和装置可以适用于在初始角频率基准上仅仅施加下限制值或仅仅施加上限制值。饱和装置12适用于将饱和初始角频率基准ω * s sat馈给到速率限制器装置14，作为速率限制器装置14的输入信号。速率限制器装置14适用于，通过限制饱和初始角频率基准《 *s,sat的一阶导数，产生角频率基准的受限设置点值ω %，lim。速率限制器装置14如下所示地在系统软件中实现
_ 7] Atos = ——-
等 s Iim 一 1^) + Slgfl(A#s )TSΔΠ Ηχ 5
如果
K“n),I 则其中，是速率限制器装置14的输入，Ts是采样间隔，Λ 是角频率基准的未受限制的变化速率，Amax是角频率的最大变化速率。标记ω %，lim (η)表示当前值，且表示ω * S1Iim (η-1)表示前一值。速率限制器装置14的实施导致上升边沿和下降边沿的变化速率的相同的绝对值。在替代性实施例中，上升边沿的变化速率的绝对值可以与下降边沿的变化速率的绝对值不同。功率限制器装置8包括适用于产生输出信号Ip的积分控制器装置10。功率限制器装置8适用于通过以下公式产生用于角频率基准的校正项Qs cor Os cor=Sign ( ω *s，lin]) Ip,其中，“sign”是正负号函数，其提取实数的符号。换句话说，校正项的绝对值Cos cot等于积分控制器装置10的输出信号，且校正项ω。·的符号取决于角频率基准的受限设置点值ω '，lim的符号。为了避免代数循环，当通过上述公式计算角频率基准的校正项COs cot时，应使用角频率基准的受限设置点值ω %，lim的前一值。通过如公式ω %=ω * s,liffl-ω ^cor中所限定的，从角频率基准的受限设置点值ω *s，lim减去角频率基准的校正项，获得最终角频率基准ω %。最终角频率基准ω '被输入控制装置16，以计算定子电压基准￡￡，并被输入功率限制器装置8，以计算电动机的动态功率Ivn
O控制装置16适用于，基于最终角频率基准ω '和测量得到的定子电流is，使用一些已知的方法，产生定子电压基准g。测量得到的定子电流么和定子电压基准S都是表示三相量的空间矢量。控制装置16适用于将定子电压基准乂输入到功率推定器18中，用于计算电动机2的推定实际功率(real power)# ;并输入到脉冲宽度调制装置20，用于对电动机2的输入电压进行脉宽调制。
除了角频率基准的校正项，■之外，功率限制器装置8还适用于，基于角频率基准的受限设置点值ω %，lim和积分控制器装置10的输出信号IP，产生初始角频率基准的上限制值《s(1，max。如下所示地选择上限制值COstl max:
=JKJ，如果iP >0k,max,否则其中，是电动机2的预定最大角频率。为了避免代数循环，在上面的公式中应使用角频率基准的受限设置点值ω %，lim的前一值。积分控制器装置10的初始数据包括电动机的推定实际功率#的绝对值、电动机的功率限制Plim以及电动机的动态功率#￥通过以下公式计算积分控制器装置10的输出Ip
OIp =kj|p|-plim+PdjJdt， Ιρ>0其中，kip是积分控制器装置10的增益。积分控制器装置10的输出Ip总是大于或等于零。这表示，如果上述积分函数返回小于零的值，积分控制器装置10将输出Ip限制为零。电动机的推定实际功率何乍为功率推定器18的输出而获得。如下所示地计算电动机的动态功2 P
λ如果会 <0
Pdy,,='0P" ^ ^否则其中，J为电动机2的惯性，P为电动机2的极对数。上述公式示出，仅在起重机驱动器的再生(regeneration)模式中，动态功率^dyn不为零。补偿动态功率有助于降低当加速在再生模式中结束时电动机的实际功率超过其限制值的风险。功率推定器装置18适用于，基于由控制装置16产生的定子电压基准￡以及测量得到的定子电流么来计算电动机2的推定实际功率#。用于计算推定实际功率的方法在现有技术中是熟知的。推定实际功率#的绝对值与电动机的功率限制值Plini之差被输入到功率限制器装置10中。在图I所示的电动机控制系统中，功率限制器装置8适用于，基于与电动机2有关的实际功率值，产生角频率基准的校正项这意味着所公开的实施例限制电动机的实际功率。本领域技术人员可知，还可以限制电动机的电流，或者，当使用感应电动机时，限制电动机的转差。这里，表述“与电动机的功率的实际值有关的信息”包括与实际功率、电流和转差有关的信息。在适用于限制电动机的电流的实施例中，以电流限制值替换功率限制值Plim。相应地，在适用于限制电动机的转差的实施例中，以转差限制值替换功率限制值Pliffl0功率限制值、电流限制值以及转差限制值中的每一个在相应的实施例中是电动机的功率相关限制值。脉冲宽度调制装置20的初始数据包括适用于对电动机2供电的变频器22的测量得到的输入直流电压ud。和定子电压基准S。脉宽调制器和变频器在现有技术中都是熟知的，因此在此不进行讨论。在图I的实施例中，功率限制器装置8、积分控制器装置10、饱和装置12、速率限制器装置14、控制装置16、功率推定器装置18以及脉冲宽度调制装置20是软件部件，其适用于当在数据处理设备上执行时执行特定的方法步骤。在替代性实施例中，功率限制器装置
8、积分控制器装置10、饱和装置12、速率限制器装置14、控制装置16、功率推定器装置18以及脉冲宽度调制装置20可以包括固件部件和/或软件部件。图2示出了包括电动机2’的闭环起重机驱动器，电动机2’可操作地连接到用于升降负载6’的起重部件4’。电动机2’由根据本发明的闭环实施例的电动机控制系统控制。该电动机控制系统包括功率限制器装置8’、饱和装置12’、速率限制器装置14’、控制装置16’、功率推定器装置18’、脉冲宽度调制装置20以及速度传感器24’。电动机控制系统适用于，基于包括用于角频率基准的受限设置点值ω ~ s，lim和用于角频率基准的校正项 's,cor的初始数据，产生用于控制电动机2’的最终角频率基准ω ^ s。在图2的闭环实施例中，最终角频率基准ω ^ 3是旋转速度基准，控制装置16’是矢量控制装置。图I的开环起重机驱动器和图2的闭环起重机驱动器的对应部件已经由相同的参考符号表示，除了对指示图2的闭环起重机驱动器的参考符号增加撇号(’)以外。可见，图2的闭环起重机驱动器与图I的开环起重机驱动器非常相似。比较图2的闭环起重机驱动器与图I的开环起重机驱动器揭示，全新的元件只有速度传感器24’，其检测电动机2’的旋转速度n’ rot的实际值。速度传感器24’适用于将电动机2’的旋转速度n’ rot的实际值输入到控制装置16'中，以便对电动机2’进行矢量控制。控制装置16’包括速度控制器和矢量控制器。图2的闭环起重机驱动器以与图I的开环起重机驱动器产生其最终角频率基准ω '相同的公式产生最终角频率基准ω s。从而，上面对于关于产生开环起重机驱动器的最终角频率基准ω '的算法的全部描述也适用于闭环起重机驱动器。图3示出了图I的起重机驱动器的转矩限制值Tlim和功率限制值Plim,作为电动机2的定子频率《3的函数。定子频率被示出为按单位值，g卩，实际定子频率与标称定子频率之商。图3示出了功率限制值Plim对转矩限制值Tlim的影响。实际上，所述影响仅在高角频率时是显著的。在低频时，转矩通常受到最大电流的限制。图3所示的绘图的形式仅仅是举例。图3的下部子绘图示出，当电动机2的定子频率低于起重阈值频率点《。。时，功率限制值Plim等于电动机2的标称功率Pn。当电动机2的定子频率ω s高于起重阈值频率点《。。时，功率限制值Plim与定子频率近似成反比地下降。图3的上部子绘图示出，当电动机2的定子频率低于标称时，转矩限制值Tlim等于电动机2的标称转矩Tn。当电动机2的定子频率高于标称但是低于起重阈值频率点《。。时，由于功率限制值Plim的恒定值，转矩限制值Tlim与定子频率近似成反比地下降。当电动机2的定子频率高于起重阈值频率点时，由于减小的功率限制值Plim，转矩 限制值Tlim与定子频率GJs的平方近似成反比地下降。因此，到停转转矩Tpullwt的安全容限得到保持。图3的上部子绘图显示，转矩限制值Tlim总是明显低于停转转矩Tpulltjut，停转转矩Tpullwt与定子频率ω s的平方近似成反比地下降。图3所示的绘图的形式只是实例。在图3的绘图中，起重阈值频率点ωερ是电动机2的标称定子频率的两倍。在替代性实施例中，起重阈值频率点可具有不同的值。在替代性实施例中，当电动机的定子频率小于标称时，转矩限制值具有与电动机的标称转矩不同的值。恒定的转矩限制值和反向下降(inversely dropping)的转矩限制值之间的边界也可以位于与图3中不同的位置。另外，在任何定子频率范围处，转矩限制值不需要一定为恒定的。在替代性实施例中，当电动机的定子频率小于起重阈值频率点时，功率限制值具有与电动机的标称功率不同的值。另外，功率限制值不需要一定在低于起重阈值频率点的频率范围处为恒定的。本领域技术人员可以理解转矩限制值与功率限制值之间的关系，因此在此不讨论该关系。图3的绘图涉及起重事件。在一个实施例中，与降低事件相关的绘图是与起重事件相关的绘图的镜像图像。例如，通过对图3的下部子绘图进行镜像成像获得的降低绘图将具有在《s=-2 (p.u.)处的降低阈值频率点，低于该降低阈值频率点，功率限制值Plim将与定子频率近似成反比地下降。将与定子频率近似成反比地下降。在替代性实施例中，起重机驱动器的降低绘图不是起重机驱动器的起重绘图的镜像图像。功率限制值Plim在起重事件期间和在降低事件期间总是大于零。在替代性实施例中，与降低事件相关的绘图不是与起重事件相关的绘图的镜像图像。降低阈值频率点可具有与起重阈值频率点不同的绝对值。在零与降低阈值频率点之间的频率范围处，功率限制值的绝对值可能与在零与起重阈值频率点之间的功率限制值的绝对值不同。图3的绘图以定子频率作为横轴或X轴。然而，可以理解，由于典型的变频器能够非常紧密地跟随其频率基准，定子频率近似等于最终角频率基准ω %。图4示出了使用根据图I的起重机驱动器获得的测量结果。上部子绘图示出电动机2的定子频率fs和旋转速度nMt的实际值，作为时间的函数。电动机2的定子频率fs和旋转速度nMt的实际值的单位为赫兹或周期每秒。下部子绘图示出电动机2的推定实际功率P ,作为时间的函数。下部子绘图还示出起重功率限制值Phst和降低功率限制值Plm。图4的下部子绘图显示，起重功率限制值Phst的绝对值高于降低功率限制值Plw的绝对值。起重功率限制值Phst是电动机2的标称功率的80%。降低功率限制值Plm的绝对值是电动机2的标称功率的40%。在图4中，使起重速度具有正号，使降低速度具有负号。在图4的起重事件期间，起重功率限制值Phst是功率限制值Plim的值。在图4的降低事件期间，功率限制值Plim等于降低功率限制值Plw的绝对值。在起重事件期间，由于定子频率总是低于起重阈值频率点，功率限制值Plim是恒定的，即等于起重功率限制值Phst。相应地，在降低事件期间，由于定子频率总是高于降低阈值频率点，功率限制值Plim等于下降功率限制值P1 的绝对值。定子频率高于降低阈值频率点意味着，定子频率的绝对值小于降低阈值频率点的绝对值。在起重和降低重量为6000kg的负载的情况下进行与图4相关的测量。初始角频率基准ω 在起重事件期间为150Hz，在降低事件期间为-150Hz。图4的上部子视图示出，由于功率限制器装置8的功率限制动作，电动机2的旋转速度nMt的实际值不会升高到闻于约100转每秒或赫兹。
本领域技术人员将会明了，本发明的构思可以以多种方式实现。本发明及其实施例不限于上述实例，而是可以在权利要求的范围内变化。
权利要求
1.一种用于具有电动机(2)的起重机驱动器的电动机控制系统，所述电动机可操作地连接到用于对负载(6)进行升降的起重部件(4)，所述电动机控制系统适用于，基于包括用于角频率基准的受限设置点值(ω %，lim)和用于角频率基准的校正项(的初始数据，产生用于控制电动机(2)的最终角频率基准(ω %)，所述电动机控制系统包括功率限制器装置(8)，功率限制器装置(8)适用于产生角频率基准的校正项(ω3, ■)，所述电动机控制系统的特征在于，所述功率限制器装置(8)包括积分控制器装置(10)，所述功率限制器装置(8)适用于使用积分控制器装置(10)的输出信号Ip产生角频率基准(ω。·)的校正项，所述角频率基准的校正项(与输出信号Ip成比例，积分控制器装置(10)的初始数据包括与电动机(2)的功率的实际值成比例的第一变量以及与电动机(2)的功率限制值成比例的第一参数，所述积分控制器装置(10)的输出信号Ip的计算包括从所述第一变量中减去所述第一参数，所述积分控制器装置(10)的输出信号Ip受到限制，使其总是大于或等于零，所述角频率基准的校正项(ω3,·)适用于当角频率基准的校正项((Os cot)不为零时减小最终角频率基准(ω * s)的绝对值。
2.根据权利要求I所述的电动机控制系统，其特征在于，所述电动机控制系统适用于，接收通过用户接口装置产生的初始角频率基准(ω ^tl),并且，基于包括所述初始角频率基准(ω *s0)的初始数据，产生角频率基准的受限设置点值(ω %，lim)。
3.根据权利要求I或2所述的电动机控制系统，其特征在于，所述功率限制器装置(8)适用于，通过以下公式，产生角频率基准的校正项(ω s,cor)
4.根据任一前述权利要求所述的电动机控制系统，其特征在于，与所述电动机(2)的功率的实际值成比例的第一变量为所述电动机(2)的推定的实际功率(P )的绝对值，与所述电动机(2)的功率限制值成比例的第一参数为所述电动机(2)的功车限制值(Plim)。
5.根据权利要求4所述的电动机控制系统，其特征在于，在再生模式中，所述积分控制器装置的初始数据还包括与所述电动机(2)的动态功率(Pk11 )有关的信息。
6.根据权利要求5所述的电动机控制系统，其特征在于，所述电动机(2)的动态功率(Pdyil)通过以下公式计算
7.根据权利要求5或6所述的电动机控制系统，其特征在于，在所述再生模式中，所述积分控制器装置(10)的输出Ip通过以下公式计算
8.根据权利要求4至7中任一项所述的电动机控制系统，其特征在于，所述电动机(2)的功率限制值(Plim)为角频率变量的函数，使得当角频率变量超过起重阈值频率点(ωφ)时，所述功率限制值(Plim)与角频率变量成反比地减少，所述角频率变量是与电动机(2)的角频率有关的变量。
9.根据权利要求8所述的电动机控制系统，其特征在于，所述角频率变量是所述电动机(2)的定子频率(ω3)的实际值或最终角频率基准(ω %)。
10.根据权利要求2— 9中任一项所述的电动机控制系统，其特征在于，所述电动机控制系统还包括速率限制器装置(14)，其适用于通过限制速率限制器装置(14)的输入信号的ー阶导数，产生角频率基准的受限设置点值(ω %，lim)。
11.根据权利要求10所述的电动机控制系统，其特征在于，所述电动机控制系统还包括饱和装置(12)，其适用于通过在初始角频率基准(ω *s0)上施加上限制值(COstl max)和下限制值(《s(l，min)而产生饱和角频率基准(ω %,sat)，所述饱和装置(12)还适用于将饱和初始角频率基准(ω * s,sat)馈给到速率限制器装置(14)中，作为速率限制器装置(14)的输入信号。
12.根据权利要求11所述的电动机控制系统，其特征在于，所述功率限制器装置(8)适用于，当积分控制器装置(10)的输出信号Ip大于零时，向初始角频率基准的上限制值(分配等于角频率基准的受限设置点值(ω * s，lim)的绝对值的值，当积分控制器装置 (10)的输出信号Ip为零吋，向初始角频率基准的上限制值(ω%_)分配电动机(2)的预定最大角频率(《s，max)。
13.—种起重机驱动器，包括电动机(2)、电动机控制系统以及起重部件(4)，所述电动机(2)可操作地连接到用于对负载(6)进行升降的起重部件(4)，所述起重机驱动器的特征在于，所述电动机控制系统包括根据权利要求I至12中任一项所述的电动机控制系统。
14.一种控制起重机驱动器的电动机的方法，所述方法包括以下步骤 接收初始角频率基准(ω *s0)； 基于包括所述初始角频率基准(ω ^tl)的初始数据，产生角频率基准的受限设置点值(ω*5,1 ω)； 使用积分控制产生角频率基准的校正项(ω ，积分控制的初始数据包括与电动机(2)的功率的实际值成比例的第一变量以及与电动机(2)的功率限制值成比例的第一參数；以及 基于包括用于角频率基准的受限设置点值(ω %，lim)和用于角频率基准的校正项( s,cor)的初始数据，产生用于控制电动机(2)的最終角频率基准(ω %)。
15.一种计算机程序，其适用于执行权利要求14的方法。
全文摘要
一种用于具有电动机(2)的起重机驱动器的电动机控制系统，所述电动机可操作地连接到用于对负载(6)进行升降的起重部件(4)，电动机控制系统适用于产生用于控制电动机(2)的最终角频率基准(ω＊s)，所述电动机控制系统包括功率限制器装置(8)，其适用于产生角频率基准的校正项(ωs,cor)。所述功率限制器装置(8)包括积分控制器装置(10)，所述功率限制器装置(8)适用于使用积分控制器装置(10)的输出信号IP产生角频率基准(ωs,cor)的校正项(ωs,cor)，积分控制器装置(10)的初始数据包括与电动机(2)的功率的实际值有关的信息以及电动机(2)的功率相关限制值。
文档编号B66C13/22GK102656795SQ201080054520
公开日2012年9月5日 申请日期2010年11月30日 优先权日2009年12月1日
发明者J·萨洛迈基, M·波玛 申请人:科恩起重机有限公司