基于嵌入式的桥式起重机能量回馈系统 田 微 中南民族大学 武汉４３００７４ 摘要：针对桥式起重机制动时的能量损耗问题，设计了基于嵌入式的桥式起重机能量回馈系统。系统选 用了直接面积等效法生成ＳＰＷＭ波形的电压型逆变电路来实现制动能量回馈，给出了硬件和软件设计。硬件充 分运用了嵌入式控制方式，软件植入了Ｓｍａｌｌ ＲＴＯＳ操作系统，在回馈能量的同时，本系统还可使桥式起重机系 统发热量大大减少，且完善了制动效果。 关键词：嵌入式；能量回馈；操作系统 中图分类号：ＴＨ２１５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—０７８５（２０１０）０２—００１４—０３ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｔｏ ｔｈｅ ｉｓｓｕｅ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ｌｏｓｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｂｒｉｄｇｅ ｃｒａｎｅ ｗｈｅｎ ｐｌａｃｅｄ ｉｎ ｂｒａｋｉｎｇ，ｔｈｅ ｅｓｓａｙ ｇｉｖｅｓ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｅｎｅｒｙｇ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｔｈｅ ｂｒｉｄｇｅ ｃｒａｎｅ．Ｅｍｐｌｏｙｉｎｇ ａ ｖｏｌｔａｇｅ—ｔｙｐｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ ｔｈａｔ ｇｅｎｅｒａｔｅｓ ＳＰＷＭ ｗａｖｅ ｆｏｒｍｓ ｕｓｉｎｇ ａ ｄｉｒｅｃｔ ａｒｅａ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｎｃｅｉｖｅｄ ｈｅｒｅｉｎ ｒｅａｌｉｚｅｓ ｂｒａｋｉｎｇ ｅｎｅｒｇｙ ｆｅｅｄｂａｃｋ． Ａｌｓｏ，ｔｈｅ ｅｓｓａｙ ｏｆｆｅｒｓ ｒｅｌａｔｅｄ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎｓ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｍａｋｅｓ ｆｕｌｌ ｕｓｅ ｏｆ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎ ｉｔｓ ｈａｒｄ— ｗａｒｅ，ａｎｄ ｈａｓ ｔｈｅ Ｓｍａｌｌ ＲＴＯＳ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｉｍｐｌａｎｔｅｄ ａｓ ｉｔｓ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ ｔｏ ｅｎｅｒｙｇ ｆｅｅｄｂａｃｋ，ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｇｒｅａｔｌｙ ｒｅｄｕｃｅ ｈｅａｔ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｉｎ ａ ｂｒｉｄｇｅ ｃｒａｎｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｂｒａｋｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｍｂｅｄｄｅｄ；ｅｎｅｒｇｙ ｆｅｅｄｂａｃｋ；ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ １控制方法 弦半波等效 ｊ。该方法便于用软件实现较精确 控制。 桥式起重机（以下简称桥机）电机为三相电 另外，从谐波方面来比较上述方法，这里通 机，将其制动能量回馈给电网，有２种基本控制 过谐波失真度来比较。其中，谐波失真度 方式：交交方式、交直交方式。交交方式控制复 厂 ——圳＿— 杂，交直交相对简单，所以，本系统采用交直交 控制方式。交直交方式的关键在于如何实现直流 册 √ ＴＨＤ反映谐波抑制能力，ＴＨＤ值越小，表明 变交流给电网，即如何实现逆变，将能量无污染 谐波失真越小，抑制谐波能力越强¨Ｊ。当载波比 地回馈给电网。 Ｎ＝６时，各种采样法和直接面积等效法的ＴＨＤ值 本系统采用三相电压源型ＳＰＷＭ逆变实现能 如表１所示。随着Ⅳ的增大，各种方法的谐波抑 量同馈，其中ＳＰＷＭ波形生成方法采用直接面积 等效法。目前ＳＰＷＭ波形生成方法主要有采样法、 制能力均能增强。 直接面积等效法等。其中采样法是利用比较器确 表１ ４种方法谐波失真度 定三角波载波与正弦调制波的交点，在该交点时 自然采 对称规则 不对称规则 直接面积 刻对开关功率器件进行通断控制，从而输出ＳＰＷＭ 样法 采样法 采样法 等效法 波形。但该方法需要借助结构较复杂的模拟电路， ＴＨＤ ０．４０７ ５ ０．５０２ ５ ０．４３８ ３ ０．４１９ ０ 并难以实现精确控制¨１ｊ。另一方面，直接面积等 效法是直接利用ＳＰＷＭ原理而形成的１种方法， 从表中可看出，自然采样法的抑制谐波能力 是将正弦半波平分为Ⅳ等份，然后把每１等份的 最强，直接面积等效法次之，但自然采样法需解 正弦曲线与横轴所包围的面积都用１个与此面积 超越方程，求解困难。相比之下，直接面积等效 相等或成正比的等高矩形脉冲代替。这样，由Ⅳ 法综合性能最强，故本系统采用了直接面积等 个等幅而不等宽的矩形脉冲所构成的波形就与正 效法。 一１４一 《起重运输机械》 ２０１０（２） ２硬件设计 本系统将有源逆变单元从桥机的变频器中分 离出来，直接作为变频器的１个外围装置，可并 联到变频器的直流侧，将再生能量回馈到电网 整体框图如图１所示（虚线框为变频器内部结 构）。当桥机电动机制动时出现再生能量，再生能 量通过逆变器回馈到电网。 系统配以相关检测电路单元和主控单元，其 中检测电路单元包括：同步电压测量单元、电流 电压检测控制单元、温度检测控制单元、ＩＧＢＴ驱 动保护单元 。 图１ 系统硬件电路整体框网 （１）功率器件及其驱动 为试验安全，进一步增加功率管子的额定裕 量，存此选用了富士ＩＧＢＴ六合一模块，型号是 ６ＭＢＩ１２Ｌ一１２０，该模块的额定电流是１２ Ａ，额定 电压是１ ２００ Ｖ。 考虑到ＩＧＢＴ的栅极开通电压范围为ｌ２～２０ Ｖ，开通时最佳栅极正向偏置电压为１５ Ｖ±１０％。 栅极电压为０时，关断ＩＧＢＴ。但为保证关断，需 给栅极加一５～一１５ Ｖ的反压 Ｊ。在此，选用富士 ＥＸＢ８４０作为驱动模块。 （２）电压检测 当桥机电动机制动时，能量向电网回馈，此 时，对电压进行检测，保证与电网同步。系统先 采用电阻分压，然后经线性光耦ＨＣＮＲ２０１和Ａ／Ｄ 转换，进入主控芯片进行处理。 （３）电流检测 能量回馈时，必须检测电流大小，以免大电 流对电网造成冲击。采用型号为ＴＡ１７—０３的电流 互感器对直流端电流进行检测。 《起重运输机械》 ２０１０（２） （４）主控单元 主控单元选用ＡＲＭ７内核的ＬＰＣ２１１４为主控 芯片，并配以按键和ＬＣＤ显示。ＬＰＣ２１１４主频可 达６０ ＭＨｚ，１６／３２位ＡＲＭ７ＴＤＭＩ—Ｓ微控制器、１６ Ｋ字节静态ＲＡＭ、１２８ Ｋ字节片内Ｆｌａｓｈ程序存储 器、４路ｌ０位Ａ／Ｄ转换器、４６个（６４脚封装） 通用Ｉ／Ｏ口，该芯片可以实现实时精确控制。 ３软件设计 系统软件上嵌入了Ｓｍａｌｌ ＲＴＯＳ操作系统，以 实现多任务的实时运作，程序框图如图２所示。 图２总程序流程图 其中，功率器件的通断是用ＰＷＭ中断程序实 现，其工作是采样同步信号并进行处理，以确定 各个功率管的开关状态，读表，设定３个全比较 器的比较值。 其他功能是用操作系统的任务运行。在创建 任务时需设置任务优先级，任务（按优先级）主 要包括：①检测保护，包括电压、电流、温度检 测，并依据检测值，判断是否保护动作；②死区 时间设置，为防止在换流时，上下桥臂同时导通， 需设置死区。由于系统采用的ＩＧＢＴ驱动信号延迟 最大不超过１．５ Ｉｘｓ，因此，死区时间至少是１．５ ｓ，为安全起见，设为２ ｓ。另外，ＡＲＭ芯片的 指令周期是３３ ｎｓ，２ Ｉｘｓ死区时间为６０个指令周 期。死区时间的开始需依据同步信号；③参数设 置和存储，包括用按键设置相关参数并存储；④ ＬＣＤ显示，系统中液晶屏主要显示以下信息：设 定参数值时，显示相应的参数值；正常运行时， 显示直流母线电压、电流、温度等状态值及电压、 电流波形，以便监视系统的运行状态；发生故障 时，则显示故障信号，以便排除故障。 一１ ５— 基于ＧＢ／Ｔ ３８１１ｍ２００８的 大跨度桥式起重机主梁校核 魏国前董海涛范勤 武汉科技大学机电研究所 武汉摘４３００８１ 要：针对某大跨度桥式起重机的主梁结构，采用许用应力法和极限状态法进行了跨中截面强度校核， 计算结果表明２种方法都是合适的，但极限状态法计算得到的最大应力值稍大，与许用（极限）应力值相比， 其设计富裕度更大，设计更安全。 关键词：大跨度；许用应力法；极限状态法；主梁强度 中图分类号：ＴＨ２１５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—０７８５（２０１０）０２—００１６—０４ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｇｉｒｄｅｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ａ ｌａｒｇｅ—ｓｐａｎ ｂｒｉｄｇｅ ｃｒａｎｅ，ｔｈｉｓ ｅｓｓａｙ ｃｈｅｃｋｓ ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｍｉｄ－ｓｐａｎ ｓｅｃｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ｂｏｔｈ ｔｈｅ ａｌｌｏｗａｂｌｅ ｓｔｒｅｓｓ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｌｉｍｉｔ ｓｔａｔｅ ｍｅｔｈｏｄ，ａｎｄ ａｓ ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｔｕｒｎｓ ｏｕｔ，ｂｏｔｈ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｒｅ ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ，ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｍ￣ｉｍｕｍ ｓｔｒｅｓｓ ｖａｌｕｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｌａｔｔｅｒ ｍｅｔｈｏｄ ｓｌｉｇｈｔｌｙ ｅｘｃｅｅｄｉｎｇ ｔｈｅ ａｌｌｏｗａｂｌｅ（１ｉｍｉｔ） ｓｔｒｅｓｓ ｖａｌｕｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｆｏｒｍｅｒ ｍｅｔｈｏｄ．Ａ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ ｉｓ ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ ｒｅａｃｈｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｌａｔｔｅｒ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｓａｆｅｒ ｔｏ ｂｅ ｕｓｅｄ ｉｎ ｄｅｓｉｇｎ ｄｕｅ ｔｏ ａ ｂｉｇｇｅｒ ｓａｆｅｔｙ ｍａ ｎ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌａｒｇｅ ｓｐａｎ；ａｌｌｏｗａｂｌｅ ｓｔｒｅｓｓ ｍｅｔｈｏｄ；ｌｉｍｉｔ ｓｔａｔｅ ｍｅｔｈｏｄ；ｇｉｒｄｅｒ ｓｔｒｅｎｇｔｈ １ 引言 ＧＢ／Ｔ ３８１ １—２００８《起重机设计规范》（以下 简称新规范），在结构的设计方法中提出“起重机 设计法，当结构在外载荷作用下产生了较大变形， 以致内力与载荷呈非线性关系时，宜采用极限状 态设计法”。该条款是对ＧＢ／Ｔ ３８１ ｌ一１９８３《起重 机设计规范》（以下简称老规范）中对应准则的一 次较大变动与补充。我单位曾在２００５年为某企业 结构设计计算可采用许用应力设计法或极限状态 基金项目：本项目获武汉科技大学冶金装备及其控制教育部重点实验室开放基金资助（２００９Ａ１ １） ４结束语 随着世界经济的发展，大部分正在使用的能 源终将消耗殆尽，如何节约能源和开发利用环保、 可持续的新型能源成为必须解决的问题。本文从 节约能量出发，设计出了嵌入式桥机能量回馈系 统。该系统能将桥机制动所产生的能量回收利用， 参考文献 ［１］黄俊，王兆安．电力电子变流技术［Ｍ］．第４版．北 京：机械工业出版社，１９９９． ［２］窦国珍，黄念慈，张志钊，等．带能量回馈的电动车 交流驱动系统［Ｊ］．电工技术，２００３，（３）：７０—７１． ［３］姜学东，汪至中，王听．有源逆变在大功率电子负载 上的应用［Ｊ］．机车电传动，２００１，（３）：１６—１８． ［４］钟福金．直接采用面积等效法生成ＳＰＷＭ波的变频调 使桥机系统效率大大提高。与此同时，电网质量 不受影响，并使桥机系统发热量减少，安全性能 提高，维护＿丁作量减少，且完善了制动效果，适 应快速制动和频繁制动的工程需求。 速系统［Ｊ］．电气传动，１９９５，（４）：２５—２８． ［５］吴隆安，赖寿宏，涂从欢．能量回馈系统的设计与实 现［Ｊ］．电力电子技术，１９９５，（１）：２３—２４． 作者地址：湖北省武汉市洪山区民院路７０８号中南民族大 学计算机科学学院自动化教研室 邮 编：４３００７４ 本系统独立于桥机系统，也可适用于其他制 动系统，将制动能量回收，从而在一定程度上缓 解能源危机。 收稿日期：２００９—０６—１５ １６一 《起重运输机械》 ２０１０（２）