1、引言
随着生产规模的不断扩大，生产效率的不断提高，起重机正在向大吨位、大跨度、高速度、高智能等方向发展，这就对起重机整体控制的安全性、可靠性、智能化等方面的要求也越来越高，特别是大跨度桥式、门式起重机，由于跨度大、主梁刚度低，并且在实际工作中存在偏载或轨道出现偏差等诸多因素，使得大车在运行过程中会产生不同步现象，对机械结构等会造成很大的破坏，甚至会造成严重事故。因此，探究不同步现象发生的原因并加以预防和消除具有十分重要的意义。
起重机运行系统由变频器和交流电动机组成，作为整体控制对象，其传递函数为一阶惯性环节。
在传动系统中电动机轴上的转矩平衡方程为
起重机本身质量较大，大型门式起重机重量达数千吨。不同型号的起重机其运动参数也有很大的差别，系统的控制参数也不尽相同。在起重机的运行过程中，由于负载不同，小车位置的不同等原因，造成车轮的轮压是不确定的。另外还有风阻、轨道的坡度、偏差等其他因素也会造成起重机传动系统的特性发生变化。因此起重机运行机构是一个大滞后、时变、非线性的系统，随着负荷变化或干扰因素影响，其对象特性参数和结构发生变化。用准确的数学解析式表示其特性十分困难。
随着变频技术的不断成熟与广泛应用，起重机已越来越多的选用变频调速的方案。使用变频调速技术可以使大车运行机构具有较好的机械特性，良好的起、制动性能，补偿机械加工中的不足，使运行更平稳，更可靠。
工程上常用的解决方法是采用PID控制的同步方案，在大车刚性腿侧和柔性腿上安装绝对值编码器，由绝对值编码器测量出刚性腿和柔性腿相对于标准位置的位移，传送到PLC，PLC采用PID算法得出偏移，修正频率指令发送给刚性腿和柔性腿的两台变频器，变频器在此频率指令下调整柔性腿侧的电机转速，使柔性腿侧电机降低行驶速度。从而达到大车同步的目的。
对于起重机同步系统这类难以建立准确的控制模型的被控对象，传统PID控制器这种对控制参数比较敏感的线性控制器达不到很好的控制效果，最突出的一点就是有关PID参数的问题，传统PID无自适应能力。这主要表现在三个方面:
(1) PID控制器的参数整定必须相对于某一模型己知、系统参数己知的系统;在实际调试过程中，系统的控制参数调整比较困难，容易出现超调现象，导致运行过程中出现扭摆、振荡，运行不平稳。控制算法的随意性比较大，系统的控制参数不能适应不同水平刚性的起重机。
(2) PID控制器参数一旦整定完毕，便只能固定地适用于一种工况。但事实上大多数的生产过程都具有非线性，且其特性随负载和时间的变化而变化。显然固定的一组参数是不能满足这种变化的。
(3) 传统的PID控制器的参数只能整定为满足生产过程控制目标某一个方面的要求。在设计控制系统的过程中人们主要关心的问题是“设定值跟踪特性”和“干扰抑制特性”，而传统的PID控制器，只能通过整定一组PID参数来满足一个方面的要求。因此常常采用折中的办法整定控制器参数，这样得到的控制效果显然不是最佳的。
(4) 虽然现在一些改进型数字PID控制器提高了系统的响应速度、控制精度和控制效果，但是其控制器核心仍然要基于被控过程的精确数学模型。在精确数学模型难以得到或是被控过程具有高阶、非线性等特性时控制效果有限。
2、常用方案分析
在一般的电力拖动系统中，都要求系统运行是刚性的，理想状态是负载的变化不影响速度的变化。但由异步电机的特性可知，在电机的最大输出转矩以内，负载的变化会影响电机的转速，一般是负载越大，转速降也越大。变频器一拖二（以2台电机为例），使2台电动机保持同步只能在理想情况下实现。因为实际上，无法做到2台电动机的转差率完全一致，即使是同一频率电源，2台电动机的转速也不完全一致。这就必须采用2台变频器来分别驱动，采用电动机真实转速反馈，两台变频器之间相互通讯，并设置成同步运行、一主一从模式。
工程上常用的同步方案有以下几种：
一、 在两台电机轴上各接一个编码器。然后把编码器的信号接入各自控制的变频器。通过变频器自身的PID调节功能，调节各自电机的运行速度。使各电机实际运行速度趋向于一个理论的设定值。采用此方式来调节同步时，调试，维护简单，但精度不高。有时还会出现危险。抗干扰性差。安装麻烦。
二、 在两台电机侧各接一个编码器，把编码器的信号送入PLC的高速计数模块。PLC读取两个编码器的信号进行比较。在PLC中通过编程方式实现PID算法。由PLC通过计算后分别控制两台变频器的速度。来达到两台电机的速度同步。采用此方式若信号读入无误差，计算公式正确，程序编写准确，可以达到电机的同步。但在实际操作中存在以下问题：
(1) PID计算公式很难找准确。
(2) 编码器的信号容易受到干扰。
(3) 调试时间长。（在调试过程中必须掌握整定开始时间。每一次整定时如何保证运行平稳。）
(4) 维护比较困难。（存在大量的PLC计算，以及调试难度。）
(5) 成本较高（包括生产成本，维护成本。）
三、 在方式二的基础上，在PLC中采用鲁棒控制、模糊控制、自适应控制等算法。由PLC通过计算后分别控制两台变频器的速度。来达到两台电机的速度同步。采用此方式若信号读入无误差，计算公式正确，程序编写准确，可以非常好的解决同步问题。但在实际操作中存在以下问题：
(1) 调试要求高。（掌握这些控制算法要求有很高的理论基础，普通调试人员很难胜任。）
(2) 调试时间长。（在调试过程中必须在各种工况下反复运行，从而得出合适的参数。）
(3) 维护难度大。（若现场设备需要调整，普通维护人员难以完成。）
四、 采用同步卡，同步卡是安装在变频器内部的一块高度集成的PCB板，装有同步卡的变频器便构成了一台可编程的伺服控制器。它内置了鲁棒控制等现代控制算法，用户只需在变频器上设置相应的参数即可，同步控制可以在多台驱动器之间以主/从模式运行。同步控制中主站负责通信和控制信号。可以通过内置编程实现相应控制功能。此方案具有以下特点：
(1) 调试简便。（根据实际设备要求，设置相应的参数即可。）
(2) 调试时间短。（设置相应的参数即可取得很好的效果。）
(3) 维护方便。（若现场设备需要调整，普通维护人员也可设置参数。）
在工程实践中，使用同步卡的方案以高性价比，调试、维护方便在同步控制中占据了极大的优势。
3、实际应用
收获变频器是来自于韩国收获电气株式会社的一种高性能变频器。收获同步控制有近十年的生产应用经验，技术成熟可靠，以在同类应用中广泛使用，完全满足起重机同步的技术要求，并提供可靠的后期维护和技术支持，所以我们选用该产品来实现同步功能。它具有
●多样的控制方式：V/F控制、无感矢量控制(开环）、矢量控制（闭环）。
●自由编程功能：多样的数学方程式、多样的逻辑运行、多样的计时运行、实现任意的编程组合、定义明确的函数。
●多驱动&多电机控制：多驱动间的同步控制、PWM逆变再生单元的并联运行多电机控制。
SEOHO-VD系列变频器配合使用的同步卡（Sychron-Card），无需编码器就能实现高度精确稳定的转距、转速控制，从而使廉价的变频器应用到同步控制系统中成为现实，下面我们将通过一个实例来说明SEOHO变频器的多驱动&多电机控制方式。
SEOHO变频器控制主从电机是将多台变频器分别设为一台主机和多台从机，通过主从变频器间的相互通讯从而控制两台电机轴上的输出转矩和转速同步。采用SEOHO变频器的此功能来实现多台电机之间实现同步转速的方案，与传统在电机上采用编码器来实现同步转速的功能的方案相比，有以下特点：
(1) 成本低。（与通常的同步方案相比，无需编码器即可满足控制要求）。
(2) 控制精度高。
(3) 调试简单方便。
(4) 信号稳定。（无需编码器，则系统减少了一个干扰源。）
(5) 控制方式的多样化。
主站负责通信和控制信号。RS-422作为同步控制的物理层，它允许总线中接入多台驱动设备。为了保证通信速度，主站到从站中只有单向的数据流动，从站只是单纯的从总线中接收数据。也就是说，从站并没有向主站发送数据。主站和从站之间的数据，是随着时钟信号发送和接收的。这样，就保证了较高的通信质量。
步控制系统结构框图
应用实例：为威海荣成伽耶船厂做的一台A型门机的大车控制系统。
此门机的跨度是52米，采用了四台7.5KW的变频电机。要求此门机有多档速度，在每一档速度四台电机都必须同步运行。设计：采用了15KW的SEOHO变频器2台（型号为：SOHO15VD4Y，每台驱动2个7.5KW的电机），Option-Card卡(扩展卡）2块，Sychron-Card（同步卡）2块。
双绞线（8线）作为RS422同步串行通信介质。为了保证稳定性，通信总线两端必须添加终端端子。对于多台驱动器系统，主站使用一个端子，最后一台从站插入另外一个端子。在通信卡上有两个连接插头，一个用于连接双绞线，另一个用于连接终端端子（或者用于连接通向下一个驱动器的双绞线）。具体接法见下图。
同步卡通讯连接
主站通过“二进制输入端”（DigitalInput）监控从站RUN/STOP状态，并根据外部给定的参考值和RUN/STOP信号通过数据线将“速度”“转矩”设定值和RUN/STOP信号发送给从站。传送的消息（Messages）包括两部分：一个是控制指令（controlmessage），另一个是回馈回来的信号。在每一个通讯周期中，主站都发出控制指令。从站依据主站发送来的指令值，执行相应的操作并从“二进制输出端”（DigitalOutputorRelayOutput）输出RUN/STOP信号给主站的二进制输入端，主站收到此信号开始运转。如果没有检测到从站处于运行状态，主站将一直处于初始化运行状态，不会进行下一步的操作。例如，主站不会控制电机提高转速。
在主，从运行过程中，主站随时监控从站的运行情况，若从站出线异常情况，主站会通过从站的数字量输出信号接收到从站异常的信号。从而主站会控制整个系统停机并报警，当主机出现故障时从机报故障（F39）。
调谐通过后设以下参数：
系统同步参数设置
此门机的大车运行系统实现了交流变频技术与PLC控制变频器同步调速，实现了各主从单元同步的精确控制和主要工艺参数在线检测与监控，从调试完成运行到现在，运行情况稳定。没有出现任何异常情况。
通过这个实例可以看出。使用SEOHO变频器来实现同步控制具有，控制方式简单（仅仅通过一根网线即可实现），操作方便（通过几个简单的参数实现）。运行可靠（无干扰）。设备一体化程度高，控制多样化等优点。主站的控制通过现场总线来实现，使各种信息指令可方便的通过总线反馈给PLC和触摸屏等上位机，实现自动控制功能。也可通过继电器电路来实现，能满足各种行业和各种控制方式的要求。
其他说明
SEOHO变频器的同步控制功能除了能用在运行机构上，亦能用在起重机的起升机构以及起升抓斗控制上。（起升机构上有很多时候是用两台电机控制，一台电机控制一个吊钩，要求双钩运行时同步提升重物。抓斗控制要求抓斗的打开和闭合同步）。对于主从机连接到单轴的设备，系统使用的元件，参数的调整都与大车同步控制的方案相同。
在很多应用中，当主站或者从站发生故障等紧急情况的时候，都要求主站、从站可以相互独立的控制。可以通过“二进制输入端”（binaryinput）设定控制位“Sync_Ctrl_Bypass”。当该位使能，同步控制则取消，主/从站之间相互独立的运行。输入信号（RUN,Speed_Set,Trq_Set）由“数字输入端子”（digitalinputterminals）接入。也可来自PROFIBUS总线。这样，就可以方便的实现其他控制信号（Sync_Ctrl_Bypass,Trq_Ctrl_Option_Bypass）与输入信号（RUN,Speed_Set,Trq_Set）共同对电机进行控制。
当控制位“Sync_Ctrl_Bypass”被设置后，从站将不再跟随主站动作。在这种情况下，我们可以使用自由功能模块（freefunctionblock）解决。调用此自由功能模块。输出信号“RUN”，是控制信号“Sync_Ctrl_Bypass”与“Sync_Ctrl_RUN”或者DI1信号逻辑与运算的结果（即：（!X&Y）|（X&Z））。同样，速度和转矩设定值也同样设置。
4结束语
同步传动是起重机的基础性技术。进入变频器传动时代以来，同步传动问题日益成为典型的变频器应用技术。收获同步卡与SEOHO-VD在起重行业的广泛应用，显示了收获变频器在推进起重工业领域技术进步的能力。
作者简介：
何小民男硕士毕业于太原科技大学电子信息工程学院控制理论与控制工程专业现在青岛立邦达工控技术有限公司从事技术工作
参考文献
【1】韩国SEOHO变频器-同步控制功能说明书
【2】SEOHO-VD变频器同步控制功能起重机应用实例教程