李 岩1 张丙春1 白妍华2 姚旭东1
1.沈阳工业学院 2. 沈阳合兴机械电子有限公司

摘要：本文分析了塔吊的工作原理和回转控制技术要求，提出了直接采用多台变频器控制多台电机，实现同步控制的驱动解决方案。塔吊回转控制中采用主从同步控制算法，主从变频器间用光纤通讯。实际应用证明用此方案实现的塔吊回转控制具有噪音小、高效、节能、同步性能好等优点，具有很好的市场推广价值。

1、引言
　　目前，我国的建筑用塔式起重机已越来越普遍，从普通的多层建筑、房地产工程、高层建筑到大型的铁路工程、桥梁工程、电力工程、水利工程，到处都有塔机的应用。计算机辅助设计、微电子技术、程控语言控制技术都在塔机上得到了应用。其中起升机构、回转机构、小车变幅机构的控制发展趋势是采用变频器控制。回转机构的特点是具有较大的惯性冲击，起动过快，冲击大。而停车和打反转都不允许过快过急，否则不仅运转不平稳，还会损坏机构。更好的解决办法是采用回转专用减速机，同时采用变频调速使起、制动最平稳。另外，采用变频器控制以后使系统控制更为简单，控制系统具有多重保护功能，使系统更加安全可靠。

2、塔吊回转机构工作原理 　　塔吊是靠起重臂回转来保证其工作覆盖面的，回转运动的产生是通过上、下回转支座分别装在回转支承的内外圈上，并由回转机构驱动小齿轮，小齿轮与回转支承的大齿圈啮合，带动回转上支座相对于下支座运动。大齿圈需要二至四个小齿轮驱动，小齿轮均匀分布于大齿圈四周，如图1。 　　塔机回转惯性很大，回转起、制动时往往会有惯性冲击。为保证回转平稳，回转机构工作特性要软，回转加减速度一定要小，并要求驱动小齿轮的电动机之间保持同步。

3、回转同步控制原理
　　为实现驱动小齿轮的电动机之间保持同步，采用具有同步控制应用宏的Vacon变频器。Vacon变频器具有可编程功能，有专用于起重机的起升应用宏和回转主从同步控制应用宏，且控制性能优良。

　　Vacon变频器主从同步控制应用宏是为采用Vacon NXP系列变频器，且电机轴之间由齿轮、链条、皮带等连接的应用系统而设计的。

　　外部控制信号只提供给主变频器，主变频器经过系统总线控制从变频器。主变频器采用典型的速度控制，其他的从变频器采用转矩或速度参考值控制。

　　从变频器转矩参考值控制用于当主变频器与从变频器轴之间为刚性连接，如齿轮、链条连接时，保证驱动之间没有速度差别。从变频器速度参考值控制用于当主变频器与从变频器轴之间柔性连接时，尽量减小驱动之间的速度差。

　　主从变频器通过相应扩展卡连接，扩展卡之间通过光缆实现通讯(如图2)。变频器在这种连接方式下，最左边的为主变频器，其他的为从变频器。在主变频器上的扩展卡采用默认的跳线选择。在从变频器上的扩展卡的跳线选择则有必要进行相应修改。每台变频器驱动各自电机，通过主从控制功能实现同步控制。

　　图2  通过扩展卡实现的主从变频器系统总线连接　　

　　3.1主从同步控制参数设计
　　主从同步控制参数组具备主从系统功能，主从参数通讯中没有经过系统总线由从机反馈给主机的信号，推荐把从机的故障输出信号连接到主机外部故障输入端。系统总线通讯中丢失从机将触发#81系统总线错误，如果主机报警，从机将报#80错误。参数叙述如下：

　　[1]主从选择:此参数定义了主从连接的驱动关系。主机次参数设定为Master，主机将通过光纤通道传输主从控制字，速度参考值，转矩参考值等。从机次参数设定为Follower，同时把控制位置参数设定为Systembus。

　　[2] 本机系统总线ID号：用于系统总线驱动。0~63每台驱动器都有唯一的本机系统总线ID号。 

　　[3]从机系统总线ID号：主从通讯中的下一台驱动器。

　　[4]系统总线通讯速度：设置系统总线通讯速度。

　　[5]转矩模式选择：主机是典型的速度控制。参数可选如下：

　　　　0=不用

　　　　1=速度控制：当主从电机轴是柔性连接时，主机从机均可设置成此参数，以便允许主机和从机的速度有一些差别。

　　　　2=转矩控制：当主从电机轴是刚性连接时(用齿轮或链条)，此参数用于从机选择，以便主机与从机之间没有速度差别。

　　　　3=转矩参考值和速度控制器输出两者之间的较小值：转矩选择器比较转矩参考值和速度控制器输出值。用其中的较小值作为电动机转矩参考值。只在特殊情况使用。　

　　　　4=转矩参考值和速度控制器输出两者之间的最大值：转矩选择器比较转矩参考值和速度控制器输出值。用其中的较大值作为电动机转矩参考值。只在特殊情况使用。

　　[6]转矩标定:对应于电机额定转矩。默认值1000。此参数为转矩参考值的标定因子。选择1000对应于额定转矩参考值。

　　[7]负载分配比例：负载分配转矩参考值的百分数。

　　[8]从机转矩参考值来源。

　　[9]从机速度参考值来源。

　　3.2 实验调试结果分析
　　此控制系统应用在沈阳建筑机械厂K520塔吊上，回转控制图中的4四个小齿轮分别用4台11kW电动机驱动，4台电动机分别由4台Vacon变频器驱动，构成主从控制，变频器1为主控制器并设定为速度控制，其他3台变频器为从控制器并设定为转矩控制。工作中4台电机的转矩基本相等，回转起、停控制平稳，控制效果达到要求，用户满意。　

4、结论
　　应用变频器的回转控制系统具有如下优点：回转起、停控制平稳，采用Vacon变频器的开放式编程平台开发的主从同步控制应用宏，使控制系统具有优良的控制特性。系统运行安全，性能可靠，电动机发生过载、过压、过流时，变频器会及时给出报警，停止系统工作。高效节能，在变频器控制下，电动机大部分时间无需达到额定转速，节能效果明显。采用变频器控制塔吊的回转，回转性能优越，具有很好的推广价值。