1引言
在實際應用中，起重行業(yè)有很多起重機需要進行位置控制，例如全自動垃圾吊，電鍍車間的工作起重機；有些起重機對位置控制的精度要求還是比較高的，例如長軌焊接基地的軌道吊，核電實驗室的起重機等。
一想到位置控制，我們可能立刻想到的方案是使用伺服驅(qū)動器，當然伺服系統(tǒng)具有高精度，高反應速度等優(yōu)點，但是對于起重行業(yè)來講，伺服驅(qū)動器的使用還是非常有限的，主要由于：
起重機的驅(qū)動功率通常比較大，伺服驅(qū)動器和變頻器相比，功率越大伺服驅(qū)動器的價格劣勢越明顯。
起重機的工作環(huán)境比較惡劣，通常會有灰塵，振動，高熱以及腐蝕等環(huán)境，會大大影響伺服驅(qū)動器的使用效果及壽命。
起重機對位置控制的精度通常不會太高，即便位置精度要求高，但其要求的反應速度一般比較低。
圖1 起重行業(yè)現(xiàn)場
綜上原因，我們完全可以在變頻控制器的基礎上開發(fā)位置控制系統(tǒng)，使用變頻器為驅(qū)動元件完成位置控制要求，這樣既提高了系統(tǒng)的可靠性，又大大降低了成本。
2系統(tǒng)控制要求
如圖2所示，在起重機的平移機構中，常見的驅(qū)動方式為變頻器驅(qū)動1到多個電機（典型值為1~6），由于是一拖多的方案，所以電機控制控制方式為開環(huán)。在起重機的起升機構中，驅(qū)動方式為變頻器一對一的驅(qū)動單個電機，所以電機控制控制方式為閉環(huán)矢量。
圖2 起重行業(yè)電機控制方式
平移機構由于是開環(huán)驅(qū)動，控制精度不高，而且平移機構的輪子和軌道之間還存在滑動，所以通常平移機構的位置精度要求誤差小于±20mm，要求較高的場合需要小于±5mm。
起升機構由于是開環(huán)驅(qū)動，控制精度高，沒有機械滑動，所以通常起升機構的位置精度要求誤差小于±5mm，要求較高的場合需要小于±1mm。
3系統(tǒng)解決方案
ATV71變頻器拖動一個電機進行FVC閉環(huán)控制，其位置精度完全能夠勝任起重應用場合，只是動態(tài)響應性沒有伺服系統(tǒng)高，但起重機不需要那么快速的響應速度。
3.1系統(tǒng)結構
通常我們要進行精確的位置控制，需要ATV71變頻器和電機做閉環(huán)控制，這就需要在電機上安裝旋轉(zhuǎn)編碼器，ATV71變頻器加裝編碼器卡和ATV-IMC卡。位置控制的主要運算和控制由ATV-IMC/CI卡來執(zhí)行，系統(tǒng)結構圖如圖3所示。
圖3 標準方案圖
位置控制的命令字以及位置給定等信息由PLC通過CANopen總線（也可以使用Modbus或以太網(wǎng)，如果使用以太網(wǎng)需在變頻器上加裝以太網(wǎng)卡）發(fā)送至ATV-IMC/CI卡，ATV-IMC/CI卡經(jīng)過計算分析來驅(qū)動變頻器執(zhí)行。安裝在電機軸上的旋轉(zhuǎn)編碼器既作為變頻器和電機之間的閉環(huán)速度檢測，也作為電機軸位置檢測的傳感器。
圖3為標準方案圖，位置檢測傳感器根據(jù)實際需要還可以直接和ATV-IMC/CI卡互聯(lián)。位置檢測傳感器除了旋轉(zhuǎn)編碼器，還有磁尺、格雷母線等。
3.2控制結構和原理
首先，在ATV-IMC/CI中位置控制的設計思路可以參考圖4的分析。
圖4 時間-速度曲線
按照圖4顯示，橫坐標為時間，縱坐標為速度，梯形的曲線為一段時間內(nèi)物體的速度曲線，即加速，恒速和減速至0。這樣一個過程物體走過多遠的距離呢？
根據(jù)勻加速運動的公式：
在這里：V0=0；
所以，勻加速和勻減速階段的距離為：
就是加減速區(qū)域的三角形面積
同樣，恒速階段走過的距離是長方形的面積。
所以最終答案是：物體走過的距離是這個梯形的面積.
根據(jù)上述的分析，我們在進行位置控制時，首先知道的是需要運行的距離，及梯形的面積，然后我們可以根據(jù)實際要求設定加減速時間和最高恒速速度，這樣我們就可以計算出物體應該的速度曲線，然后我們控制變頻器驅(qū)動電機讓物體嚴格按照計算出的速度曲線去運行，就達到了位置控制的目的。
在ATV-IMC中的位置控制軟件完全按照伺服系統(tǒng)的方式設計和編寫。
具體流程參考圖5。
圖5 控制設計流程圖
首先我們通過"Profile Generator"功能塊計算出物體的運行速度曲線，然后控制變頻器按照速度曲線輸出，將位置傳感器反饋的位置值和參考位置值進行比較，PID運算，然后將PID運算的結果疊加到輸出速度上進行微調(diào)以增加位置控制的精確度。
3.3操作模式
此模塊的操作模式比較全：點動模式、回原點操作、給定位置停車、絕對位置控制、相對位置控制、受控停車、速度模式等。可以適合大部分場合的應用。
4應用案例
4.1長軌焊接基地起重機群吊項目
此項目使用了如下=S=變頻器產(chǎn)品:
標準變頻器ATV71: 0.75-3kW、380V、 64臺
圖6 長軌焊接基地起重機群吊現(xiàn)場
（1）技術要求
本項目由32臺3噸單梁起重機（固定小吊）組成。聯(lián)合吊運長鋼軌，一次吊運1 根。群吊月臺長度500 米，每臺小吊的距離約為16 米。在月臺的中部或端部設有控制室
小車運行速度為20米/分，小車跨度27米，起升速度為8米/分，最大起升高度5米。自動運行時，吊鉤的誤差不能超過30mm，32臺小車運行時需要保持絕對同步。
（2）解決方案
本方案采用ATV71變頻器開環(huán)控制小車電機，小車位置反饋采用自由輪加旋轉(zhuǎn)編碼器的方案，編碼器信號直接連接到CI卡上,PLC通過CANopen總線對小車進行控制；圖7為單臺小車的傳動方案。圖8為現(xiàn)場自由輪+編碼器。
圖7 系統(tǒng)構成 圖8現(xiàn)場自由輪+編碼器
我們在每臺小車上都配置了上述系統(tǒng)，所以當32臺小車獲得運行的位置值時，他們計算出來的速度曲線是一樣的，這樣在正常情況下，32臺小車的運行應該是同步的，當有小車出現(xiàn)故障或不同步時，主PLC會干預處理，屏蔽掉該小車或調(diào)整速度，極端情況下全線停車。系統(tǒng)控制方案如圖9所示。
圖9 系統(tǒng)的控制方案圖
（3）控制效果
由于變頻器和小車電機之間為開環(huán)控制，速度精度較差；所以小車的位控精度最終在15mm，小于項目的技術要求范圍。
4.2全自動垃圾起重機
此項目將使用如下=S=變頻器產(chǎn)品:
標準變頻器ATV71: 15-160kW、380V、6臺
圖10 全自動垃圾起重機現(xiàn)場
（1）技術要求
起重機采用觸摸屏和可編程序控制器(PLC)進行半自動操作和程序控制。各機構驅(qū)動使用變頻器，根據(jù)工藝要求自動調(diào)整輸出頻率和電壓，實現(xiàn)起重機的手動和半自動運行。手動操作時在起重機控制室內(nèi)能夠控制起重機移料、給料、堆料等所有動作；半自動操作時，在抓取完成后再根據(jù)所設定的投料地址，起重機在程序控制下，自動運行到投料位置，實現(xiàn)開啟抓斗，將爐渣投入到料斗中，自動完成投料過程。
由于全自動操作需要對料池進行區(qū)域劃分，自動定位，自動三維記憶等功能，所以既要求平移機構和起升機構能夠有準確的定位，由要求在給定位置到達后吊具不能有過大的晃動，影響工作效率，所以此機型為防搖控制和定位控制的結合應用。
（2）解決方案
我們使用ATV-IMC卡作為實際位控和防搖處理的控制元件，在ATV-IMC卡中我們將防搖和位置控制的功能聯(lián)合使用；及在高速段我們使用防搖功能來控制，位置控制為輔助功能，在低速段，主要使用位置控制功能。
圖11 時間與速度曲線
如圖11所示，紅色的速度曲線為自動防搖激活的區(qū)域，綠色和藍色為自動防搖不激活的區(qū)域。對于定位來講，當起重機運行即將到達指定位置時PLC控制變頻器已最低速度運行(盡量的低速)。當位置到達時停車。
圖12為起重機的整體方案圖。
圖12 起重機的整體方案
所有機構都安裝帶CANopen通訊的絕對值編碼器，PLC首先獲取各編碼器的值，然后傳輸給相應的ATV-IMC卡。ATV-IMC根據(jù)運行模式進行實際控制。
5結論
利用ATV-IMC/CI作為控制單元來進行位置控制是變頻器功能的一個強大的延伸，由于ATV-IMC或CI可以直接安裝于ATV71變頻器上，所以這套系統(tǒng)具有不占用安裝空間，控制精度高，環(huán)境適應能力強等優(yōu)點，能夠在起重行業(yè)得到廣泛的應用。