1、引言
隨著生產規模的不斷擴大，生產效率的不斷提高，起重機正在向大噸位、大跨度、高速度、高智能等方向發展，這就對起重機整體控制的安全性、可靠性、智能化等方面的要求也越來越高，特別是大跨度橋式、門式起重機，由于跨度大、主梁剛度低，并且在實際工作中存在偏載或軌道出現偏差等諸多因素，使得大車在運行過程中會產生不同步現象，對機械結構等會造成很大的破壞，甚至會造成嚴重事故。因此，探究不同步現象發生的原因并加以預防和消除具有十分重要的意義。
起重機運行系統由變頻器和交流電動機組成，作為整體控制對象，其傳遞函數為一階慣性環節。
在傳動系統中電動機軸上的轉矩平衡方程為

起重機本身質量較大，大型門式起重機重量達數千噸。不同型號的起重機其運動參數也有很大的差別，系統的控制參數也不盡相同。在起重機的運行過程中，由于負載不同，小車位置的不同等原因，造成車輪的輪壓是不確定的。另外還有風阻、軌道的坡度、偏差等其他因素也會造成起重機傳動系統的特性發生變化。因此起重機運行機構是一個大滯后、時變、非線性的系統，隨著負荷變化或干擾因素影響，其對象特性參數和結構發生變化。用準確的數學解析式表示其特性十分困難。
隨著變頻技術的不斷成熟與廣泛應用，起重機已越來越多的選用變頻調速的方案。使用變頻調速技術可以使大車運行機構具有較好的機械特性，良好的起、制動性能，補償機械加工中的不足，使運行更平穩，更可靠。
工程上常用的解決方法是采用PID控制的同步方案，在大車剛性腿側和柔性腿上安裝絕對值編碼器，由絕對值編碼器測量出剛性腿和柔性腿相對于標準位置的位移，傳送到PLC，PLC采用PID算法得出偏移，修正頻率指令發送給剛性腿和柔性腿的兩臺變頻器，變頻器在此頻率指令下調整柔性腿側的電機轉速，使柔性腿側電機降低行駛速度。從而達到大車同步的目的。
對于起重機同步系統這類難以建立準確的控制模型的被控對象，傳統PID控制器這種對控制參數比較敏感的線性控制器達不到很好的控制效果，最突出的一點就是有關PID參數的問題，傳統PID無自適應能力。這主要表現在三個方面:
(1) PID控制器的參數整定必須相對于某一模型己知、系統參數己知的系統;在實際調試過程中，系統的控制參數調整比較困難，容易出現超調現象，導致運行過程中出現扭擺、振蕩，運行不平穩。控制算法的隨意性比較大，系統的控制參數不能適應不同水平剛性的起重機。
(2) PID控制器參數一旦整定完畢，便只能固定地適用于一種工況。但事實上大多數的生產過程都具有非線性，且其特性隨負載和時間的變化而變化。顯然固定的一組參數是不能滿足這種變化的。
(3) 傳統的PID控制器的參數只能整定為滿足生產過程控制目標某一個方面的要求。在設計控制系統的過程中人們主要關心的問題是“設定值跟蹤特性”和“干擾抑制特性”，而傳統的PID控制器，只能通過整定一組PID參數來滿足一個方面的要求。因此常常采用折中的辦法整定控制器參數，這樣得到的控制效果顯然不是最佳的。
(4) 雖然現在一些改進型數字PID控制器提高了系統的響應速度、控制精度和控制效果，但是其控制器核心仍然要基于被控過程的精確數學模型。在精確數學模型難以得到或是被控過程具有高階、非線性等特性時控制效果有限。
2、常用方案分析
在一般的電力拖動系統中，都要求系統運行是剛性的，理想狀態是負載的變化不影響速度的變化。但由異步電機的特性可知，在電機的最大輸出轉矩以內，負載的變化會影響電機的轉速，一般是負載越大，轉速降也越大。變頻器一拖二（以2臺電機為例），使2臺電動機保持同步只能在理想情況下實現。因為實際上，無法做到2臺電動機的轉差率完全一致，即使是同一頻率電源，2臺電動機的轉速也不完全一致。這就必須采用2臺變頻器來分別驅動，采用電動機真實轉速反饋，兩臺變頻器之間相互通訊，并設置成同步運行、一主一從模式。
工程上常用的同步方案有以下幾種：
一、 在兩臺電機軸上各接一個編碼器。然后把編碼器的信號接入各自控制的變頻器。通過變頻器自身的PID調節功能，調節各自電機的運行速度。使各電機實際運行速度趨向于一個理論的設定值。采用此方式來調節同步時，調試，維護簡單，但精度不高。有時還會出現危險。抗干擾性差。安裝麻煩。
二、 在兩臺電機側各接一個編碼器，把編碼器的信號送入PLC的高速計數模塊。PLC讀取兩個編碼器的信號進行比較。在PLC中通過編程方式實現PID算法。由PLC通過計算后分別控制兩臺變頻器的速度。來達到兩臺電機的速度同步。采用此方式若信號讀入無誤差，計算公式正確，程序編寫準確，可以達到電機的同步。但在實際操作中存在以下問題：
(1) PID計算公式很難找準確。
(2) 編碼器的信號容易受到干擾。
(3) 調試時間長。（在調試過程中必須掌握整定開始時間。每一次整定時如何保證運行平穩。）
(4) 維護比較困難。（存在大量的PLC計算，以及調試難度。）
(5) 成本較高（包括生產成本，維護成本。）

三、 在方式二的基礎上，在PLC中采用魯棒控制、模糊控制、自適應控制等算法。由PLC通過計算后分別控制兩臺變頻器的速度。來達到兩臺電機的速度同步。采用此方式若信號讀入無誤差，計算公式正確，程序編寫準確，可以非常好的解決同步問題。但在實際操作中存在以下問題：
(1) 調試要求高。（掌握這些控制算法要求有很高的理論基礎，普通調試人員很難勝任。）
(2) 調試時間長。（在調試過程中必須在各種工況下反復運行，從而得出合適的參數。）
(3) 維護難度大。（若現場設備需要調整，普通維護人員難以完成。）
四、 采用同步卡，同步卡是安裝在變頻器內部的一塊高度集成的PCB板，裝有同步卡的變頻器便構成了一臺可編程的伺服控制器。它內置了魯棒控制等現代控制算法，用戶只需在變頻器上設置相應的參數即可，同步控制可以在多臺驅動器之間以主/從模式運行。同步控制中主站負責通信和控制信號。可以通過內置編程實現相應控制功能。此方案具有以下特點：
(1) 調試簡便。（根據實際設備要求，設置相應的參數即可。）
(2) 調試時間短。（設置相應的參數即可取得很好的效果。）
(3) 維護方便。（若現場設備需要調整，普通維護人員也可設置參數。）
在工程實踐中，使用同步卡的方案以高性價比，調試、維護方便在同步控制中占據了極大的優勢。
3、實際應用
收獲變頻器是來自于韓國收獲電氣株式會社的一種高性能變頻器。收獲同步控制有近十年的生產應用經驗，技術成熟可靠，以在同類應用中廣泛使用，完全滿足起重機同步的技術要求，并提供可靠的后期維護和技術支持，所以我們選用該產品來實現同步功能。它具有
●多樣的控制方式：V/F控制、無感矢量控制(開環）、矢量控制（閉環）。
●自由編程功能：多樣的數學方程式、多樣的邏輯運行、多樣的計時運行、實現任意的編程組合、定義明確的函數。
●多驅動&多電機控制：多驅動間的同步控制、PWM逆變再生單元的并聯運行多電機控制。
SEOHO-VD系列變頻器配合使用的同步卡（Sychron-Card），無需編碼器就能實現高度精確穩定的轉距、轉速控制，從而使廉價的變頻器應用到同步控制系統中成為現實，下面我們將通過一個實例來說明SEOHO變頻器的多驅動&多電機控制方式。
SEOHO變頻器控制主從電機是將多臺變頻器分別設為一臺主機和多臺從機，通過主從變頻器間的相互通訊從而控制兩臺電機軸上的輸出轉矩和轉速同步。采用SEOHO變頻器的此功能來實現多臺電機之間實現同步轉速的方案，與傳統在電機上采用編碼器來實現同步轉速的功能的方案相比，有以下特點：
(1) 成本低。（與通常的同步方案相比，無需編碼器即可滿足控制要求）。
(2) 控制精度高。
(3) 調試簡單方便。
(4) 信號穩定。（無需編碼器，則系統減少了一個干擾源。）
(5) 控制方式的多樣化。

主站負責通信和控制信號。RS-422作為同步控制的物理層，它允許總線中接入多臺驅動設備。為了保證通信速度，主站到從站中只有單向的數據流動，從站只是單純的從總線中接收數據。也就是說，從站并沒有向主站發送數據。主站和從站之間的數據，是隨著時鐘信號發送和接收的。這樣，就保證了較高的通信質量。

步控制系統結構框圖
應用實例：為威海榮成伽耶船廠做的一臺A型門機的大車控制系統。
此門機的跨度是52米，采用了四臺7.5KW的變頻電機。要求此門機有多檔速度，在每一檔速度四臺電機都必須同步運行。設計：采用了15KW的SEOHO變頻器2臺（型號為：SOHO15VD4Y，每臺驅動2個7.5KW的電機），Option-Card卡(擴展卡）2塊，Sychron-Card（同步卡）2塊。
雙絞線（8線）作為RS422同步串行通信介質。為了保證穩定性，通信總線兩端必須添加終端端子。對于多臺驅動器系統，主站使用一個端子，最后一臺從站插入另外一個端子。在通信卡上有兩個連接插頭，一個用于連接雙絞線，另一個用于連接終端端子（或者用于連接通向下一個驅動器的雙絞線）。具體接法見下圖。

同步卡通訊連接
主站通過“二進制輸入端”（DigitalInput）監控從站RUN/STOP狀態，并根據外部給定的參考值和RUN/STOP信號通過數據線將“速度”“轉矩”設定值和RUN/STOP信號發送給從站。傳送的消息（Messages）包括兩部分：一個是控制指令（controlmessage），另一個是回饋回來的信號。在每一個通訊周期中，主站都發出控制指令。從站依據主站發送來的指令值，執行相應的操作并從“二進制輸出端”（DigitalOutputorRelayOutput）輸出RUN/STOP信號給主站的二進制輸入端，主站收到此信號開始運轉。如果沒有檢測到從站處于運行狀態，主站將一直處于初始化運行狀態，不會進行下一步的操作。例如，主站不會控制電機提高轉速。
在主，從運行過程中，主站隨時監控從站的運行情況，若從站出線異常情況，主站會通過從站的數字量輸出信號接收到從站異常的信號。從而主站會控制整個系統停機并報警，當主機出現故障時從機報故障（F39）。
調諧通過后設以下參數：

系統同步參數設置
此門機的大車運行系統實現了交流變頻技術與PLC控制變頻器同步調速，實現了各主從單元同步的精確控制和主要工藝參數在線檢測與監控，從調試完成運行到現在，運行情況穩定。沒有出現任何異常情況。
通過這個實例可以看出。使用SEOHO變頻器來實現同步控制具有，控制方式簡單（僅僅通過一根網線即可實現），操作方便（通過幾個簡單的參數實現）。運行可靠（無干擾）。設備一體化程度高，控制多樣化等優點。主站的控制通過現場總線來實現，使各種信息指令可方便的通過總線反饋給PLC和觸摸屏等上位機，實現自動控制功能。也可通過繼電器電路來實現，能滿足各種行業和各種控制方式的要求。
其他說明
SEOHO變頻器的同步控制功能除了能用在運行機構上，亦能用在起重機的起升機構以及起升抓斗控制上。（起升機構上有很多時候是用兩臺電機控制，一臺電機控制一個吊鉤，要求雙鉤運行時同步提升重物。抓斗控制要求抓斗的打開和閉合同步）。對于主從機連接到單軸的設備，系統使用的元件，參數的調整都與大車同步控制的方案相同。
在很多應用中，當主站或者從站發生故障等緊急情況的時候，都要求主站、從站可以相互獨立的控制。可以通過“二進制輸入端”（binaryinput）設定控制位“Sync_Ctrl_Bypass”。當該位使能，同步控制則取消，主/從站之間相互獨立的運行。輸入信號（RUN,Speed_Set,Trq_Set）由“數字輸入端子”（digitalinputterminals）接入。也可來自PROFIBUS總線。這樣，就可以方便的實現其他控制信號（Sync_Ctrl_Bypass,Trq_Ctrl_Option_Bypass）與輸入信號（RUN,Speed_Set,Trq_Set）共同對電機進行控制。
當控制位“Sync_Ctrl_Bypass”被設置后，從站將不再跟隨主站動作。在這種情況下，我們可以使用自由功能模塊（freefunctionblock）解決。調用此自由功能模塊。輸出信號“RUN”，是控制信號“Sync_Ctrl_Bypass”與“Sync_Ctrl_RUN”或者DI1信號邏輯與運算的結果（即：（!X&Y）|（X&Z））。同樣，速度和轉矩設定值也同樣設置。
4結束語
同步傳動是起重機的基礎性技術。進入變頻器傳動時代以來，同步傳動問題日益成為典型的變頻器應用技術。收獲同步卡與SEOHO-VD在起重行業的廣泛應用，顯示了收獲變頻器在推進起重工業領域技術進步的能力。
作者簡介：
何小民男碩士畢業于太原科技大學電子信息工程學院控制理論與控制工程專業現在青島立邦達工控技術有限公司從事技術工作
參考文獻
【1】韓國SEOHO變頻器-同步控制功能說明書
【2】SEOHO-VD變頻器同步控制功能起重機應用實例教程