专利名称：用于卷扬机构的控制装置和方法以及卷扬机构试验平台的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于卷扬机构的控制装置和方法以及卷扬机构试验平台。
背景技术：
卷扬机构试验平台用于研究、改善工程机械上各类液压驱动卷扬机构的乱绳、摩擦大、爬层困难等问题。卷扬机构试验平台通常包括卷扬机构、台架以及控制装置。台架与起重机类似，例如塔式起重机。卷扬机构分为电机变频驱动式和液压驱动式，液压驱动式卷扬机构是通过包括液压马达的液压驱动系统来驱动的。图1中示出了这样的液压驱动系统的示意图。如图1所示，液压驱动系统主要可以包括油箱14、液压马达16比例电磁阀18和由电机10驱动的主油泵12。比例电磁阀18可以设置在主油泵12与液压马达16之间的油路上或者可以设置在主油泵12出口与油箱14之间的旁路上。电动机驱动主油泵12将油箱14中的液压油泵送到液压马达16来驱动卷扬机构，而比例电磁阀18的开度与液压马达 16的输出功率存在着对应关系，液压马达16的输出功率和卷扬机构的转速存在对应关系， 因此可以通过控制比例电磁阀18(例如通过控制该比例电磁阀18电路回路上的驱动电流的大小来控制比例电磁阀18的开度)来控制液压马达16的输出功率，从而控制卷扬机构的转速。但是，由于液压驱动系统中的液压油受温度影响大，温度的变化导致液压油粘度的变化，由此导致液压马达16的输出功率发生变化。这将导致在不同的温度下保持比例电磁阀18的驱动电流相同的情况下卷扬机构的转速发生变化。而现有技术中的液压驱动式卷扬机构不能实时监测卷扬转速，只是在出厂时就设定固定档位对应固定的驱动电流输出， 或者利用手柄动作的行程连续变化来改变驱动电流。这两种方式都不能很好地控制卷扬机构的转速。
发明内容
本发明的目的是提供一种卷扬机构试验平台，该试验平台能够很好地控制卷扬机构的转速。为了实现上述目的，本发明的一个方面提供一种用于卷扬机构的方法，该方法包括接收指示所述卷扬机构转速的转速信号；从所述转速信号中获得所述卷扬机构的转速， 并将该转速与标准转速进行比较；如果所述转速大于所述标准转速，则生成用于减小所述卷扬机构转速的控制信号；如果所述转速小于所述标准转速，则生成用于增大所述卷扬机构转速的控制信号；以及输出所述控制信号。本发明的另一个方面提供了一种用于卷扬机构的控制装置，包括接收设备，被配置成接收指示所述卷扬机构转速的转速信号；处理设备，与所述接收设备耦合，该处理设备被配置成接收来自所述接收设备的所述转速信号，从该转速信号中获得所述卷扬机构的转速，将该转速与标准转速进行比较，如果所述转速大于所述标准转速，则生成用于减小所述卷扬机构转速的控制信号，如果所述转速小于所述标准转速，则生成用于增大所述卷扬机构转速的控制信号；以及发射设备，与所述处理设备耦合，该发射设备被配置成接收来自所述处理设备的控制信号并输出该控制信号。本发明的再一个方面提供了一种卷扬机构试验平台，该试验平台包括卷扬机构、 用于驱动卷扬机构的液压驱动系统，该液压驱动系统包括液压马达和与液压马达相关联的比例电磁阀；其中，所述试验平台还包括与所述卷扬机构耦合的转速检测装置，用于检测所述卷扬机构的转速并输出指示所述转速的转速信号；与所述转速检测装置电耦合的控制装置，该控制装置与所述比例电磁阀电连接以向该比例电磁阀发送控制信号，其中该控制装置为上述控制装置。通过上述技术方案，转速检测装置能够实时检测出卷扬机构的转速并输出相应的转速信号给控制装置，控制装置接收该转速信号，从该转速信号中获得卷扬机构转速，将该转速与预先设定的标准转速进行比较，根据比较结果生成相应的控制信号，并将该控制信号输出给比例电磁阀，比例电磁阀接收到该控制信号后执行相应的动作，以调节液压马达的输出功率的大�。佣鹘诰硌锘沟淖伲垢米儆氡曜甲傧嗥ヅ洌庋芄皇咕硌锘沟淖俨皇芤貉骨低持械囊貉褂陀捎谖露缺浠贾抡扯缺浠吹牟焕跋�。本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式
部分予以详细说明。
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式
一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中图1是现有技术中用于驱动卷扬机构的液压驱动系统的示意图；图2是根据本发明的一个实施方式的卷扬机构试验平台的结构示意图；以及图3是根据本发明的一个实施方式的用于卷扬机构的控制装置的结构示意图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的具体实施方式
进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式
仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。图2示出了根据本发明的实施方式的卷扬机构试验平台的结构示意图。如图2所示，根据本发明的一个实施方式，公开了一种卷扬机构试验平台，该实验平台可以包括卷扬机构20、用于驱动卷扬机构20的液压驱动系统，该液压驱动系统可以包括液压马达16和与液压马达16相关联的比例电磁阀18 ；其中，所述试验平台可以包括可以与所述卷扬机构20耦合的转速检测装置30，用于检测所述卷扬机构20的转速并输出指示所述转速信号；可以与所述转速检测装置30电耦合的控制装置40，该控制装置40可以与所述比例电磁阀18电连接以向该比例电磁阀18发送控制信号。该控制装置40可以被配置成接收来自所述转速检测装置30的所述转速信号，并从该转速信号中获得所述卷扬机构20的转速，将所述转速与预先设定的标准转速进行比较，根据比较结果生成相应的控制信号并将该控制信号输出给所述比例电磁阀18，以通过调节该比例电磁阀18的开度来调节液压马达16的输出功率，从而控制所述卷扬机构20的转速与所述标准转速相匹配。所述转速检测装置30可以本领域技术人员公知的用于检测转速的装置。在本发明的一个实施方式中，所述转速检测装置30可以包括编码器，该编码器可以与所述卷扬机构20的转轴同轴连接，用于检测该卷扬机构 20的转轴转动的圈数，并输出指示该圈数的信号；计数器，用于接收所述指示该圈数的信号，对该圈数进行计数，并输出包含该圈数的计数值的转速信号；所述控制装置40可以被配置成接收该转速信号，从该转速信号中获得所述计数值，根据计数值计算出所述卷扬机构20的转速。编码器可以例如有正交增量型编码器、绝对型编码器等。在下面的描述中以正交增量型编码器为例来进行描述，但是本领域技术人员可以理解也可以使用其他类型的编码
ο正交增量型编码器的凸轴可以通过联轴器(未示出)与卷扬机构20的转轴同轴连接。为了避免安装时同轴度不高导致短轴，优选地所述联轴器可以是弹性联轴器。正交增量型编码器可以分为例如A和B两个相，分辨率可以例如为1800。S卩，卷扬机构20的转轴每转动一圈，正交增量型编码器就发送1800个脉冲信号。如果A相超前则表示卷扬机构 20正转，B相超前则表示卷扬机构20反转，反之亦然。计数器可以对从正交增量型编码器接收的脉冲信号的个数进行计数，每隔一段时间(例如100ms)输出计数值。假设当前输出的计数值为&，上一次输出的计数值为&，两次输出计数值的时间间隔为t，正交增量型编码器的分辨率为n，则控制装置可以通过以下的公式来计算卷扬机构20的转速s ^ = ^2"^1 (公式 1)
fit控制装置40可以将该转速与预先设定的标准转速进行比较，根据比较结果确定该转速与标准转速的差值是否在可容忍范围内。如果差值在可容忍范围内，则控制装置40 判断转速与标准转速匹配，如果上述差值在可容忍范围以外，则控制装置40判断转速与标准转速不匹配，此时，控制装置40根据比较结果生成相应的控制信号(例如PWM信号)并将该控制信号输出给比例电磁阀18，比例电磁阀18接收到该控制信号时做出相应的动作 (例如比例电磁阀18开度的改变)，以改变液压马达16的输出功率，从而改变卷扬机构20 的转速。当所述差值处于可容忍范围以内时(例如，卷扬机构20转速与标准转速的差值的绝对值/标准转速< ο，其中σ为设定的可容忍范围的边界值)，控制装置40不再根据比较结果生成控制信号。控制装置40可以是所属领域技术人员公知的控制设备。举例来说，合适的控制装置40可以包括但不限于单片机、PLC控制装置、DSP芯片及其外围电路、场可编程门阵列 (FPGA)电路、专用集成电路等。在本发明优选实施方式中，控制装置40为PLC控制装置。 更优选地，控制装置40可以具有用于与输入设备/输出设备进行通信的接口，输入设备可以例如为鼠标、键盘、触摸板等，输出设备可以例如为扬声器、液晶显示器或有机发光二极管显示单元。在本发明优选实施方式中，所述输入设备和输出设备可以被集成到单个设备上，例如触摸屏。所述标准转速可以是根据设计需求所确定的转速。而且，标准转速可以为多个。例如，卷扬机构20可以具有多种运行模式，例如最小转速模式、最大转速模式等，可以针对每种模式设定标准转速。当卷扬机构20在某种模式下运行时，可以将检测到的实时转速与对应于该模式的标准转速进行比较。在本发明优选实施方式中，可以先对转速检测装置30检测到的转速进行数值处理之后再与标准转速进行比较。本发明的优选实施方式可以对检测到的转速进行滑动平均运算。由此，所述控制装置40可以被配置成从所述转速信号中获得具有时间间隔的一组转速；对该组转速进行滑动平均运算以得到滑动平均值；以及将得到的滑动平均值与所述标准转速进行比较。具体而言，控制装置40可以每隔一定时间间隔(例如100ms)从转速信号中获得一个转速，以得到一组连续的转速。对该组转速进行滑动平均运算以得到转速的滑动平均值。所述滑动平均运算的滑动窗的长度可以例如为10。例如，假定滑动窗的长度为3，则该组转速中每3个连续的转速为一组并取其滑动平均值。所述控制装置40控制卷扬机构20的转速可以采用本领域中公知的多种控制算法。PID控制算法是其中一种比较成熟的算法，本发明优选地可以选择PID控制算法来进行控制。由此，根据本发明的一个实施方式，所述控制装置40可以被配置成根据所述滑动平均值与所述标准转速进行比较后得到的比较结果并基于PID算法来生成所述控制信号。在一些应用中，在卷扬机构20的运行过程中转速不是总是保持不变的。例如，在卷扬机构试验平台的自动模式的应用中，在起升过程中，卷扬机构20先在最小转速模式下运行，以起始的较低的最小转速提起吊重，然后加速至最大转速以进入最大转速模式，在最大转速模式下保持最大转速运行一段时间之后，再做减速运动至最小转速，最后当吊重升到停车点后停车抱间。在下降过程中，也是先从较低的最小转速开始加速至最大转速，保持最大转速运行一段时间之后，再做减速运动至最小转速，最后当吊重降低到停车点后停车抱闸。因此，在所述卷扬机构20在最小转速模式下运行的情况下，所述标准转速包括最小标准转速，所述控制装置40被配置成将所述转速与该最小标准转速进行比较，根据该转速与最小标准转速的比较结果生成相应的控制信号并将该控制信号输出给所述比例电磁阀18。在所述卷扬机构20在最大转速模式下运行的情况下，所述标准转速包括最大标准转速，所述控制装置40被配置成将所述转速与该最大标准转速进行比较，根据该转速与最大标准转速的比较结果生成相应的控制信号并将该控制信号输出给所述比例电磁阀18。控制信号用于调节比例电磁阀18的开度来调节液压马达16的输出功率，从而控制所述卷扬机构20的最小转速与所述最小标准转速相匹配和/或最大转速与最大标准转速相匹配。卷扬机构20的上述运行过程可以由所述控制装置40来控制。由此，所述控制装置40还可以被配置成通过控制所述比例电磁阀18来控制所述液压马达16的输出功率，使得所述卷扬机构20在最小转速模式下运行；通过控制所述比例电磁阀18来控制所述液压马达16的输出功率，使得所述卷扬机构20开始加速以进入最大转速模式；以及在保持在该最大转速模式下运行一段时间之后，通过控制所述比例电磁阀18来控制所述液压马达16的输出功率，使得所述卷扬机构20开始减速以进入最小转速模式。上述运行过程可以通过预先给控制装置40设定控制时序和控制参数来实现。具体来说，可以根据实际需要合适设置以下参数最小转速模式对应的转速、最大转速模式对应的转速、从最小转速模式到最大转速模式所需的时间、最大转速模式的保持时间、从最大转速模式到最小转速模式所需的时间等。将这些参数输入(例如通过输入设备/输出设备)到控制装置40，控制装置40根据预先设定的程序和这些参数来执行控制操作。由于比例电磁阀18的开度与液压马达16的输出功率对应，从而与卷扬机构20的转速对应，因此控制装置40只需要控制比例电磁阀18的开度就能控制卷扬机构20以最小转速或最大转速运行。在本发明的另一个实施方式中，控制装置40控制卷扬机构20从在最大转速模式下运行开始减速可以由外部事件来触发。触发事件可以包括手动触发事件，例如操作员手动操作(例如当卷扬机构20吊起的吊重上升或下降到某一位置时，操作员通过操作杆操作卷扬机构20开始减速)或自动触发事件。在自动触发事件的实施方式中，所述试验平台还可以包括与所述卷扬机构20的连接轴连接的行程开关50，该行程开关50用于检测所述卷扬机构20吊起的吊重是否达到减速点，并且在该吊重到达减速点的情况下向所述控制装置40发出减速信号；所述控制装置40还被配置成在接收到所述减速信号的情况下输出减速控制信号给所述比例电磁阀18以使得所述卷扬机构20从在所述最大转速模式下运行开始作减速转动。所述行程开关50可以是本领域技术人员公知的用于限位的开关设备。该行程开关50可以与卷扬机构20同轴安装，可以用于在吊重上升或下降运行过程中设定强制减速点，避免由于程序问题或转速检测装置故障导致正常逻辑控制失效，从而导致上升冲顶或高速下降砸地。虽然在本发明的实施方式中描述了控制装置40通过控制比例电磁阀18来控制卷扬机构20的上述运行过程，但所属领域技术人员可以理解，控制装置40可以通过控制比例电磁阀18以外的部件来控制卷扬机构20的转速，例如由多个电磁阀组成的有极调速装置， 其中不同的电磁阀组合对应不同的卷扬机构20转速，例如最小转速模式下和最大转速模式下的转速。另外，也可以由控制装置40以外的控制装置来执行对卷扬机构20上述运行过程。因此，本发明的范围不局限于实施方式中描述的特定的方式。当控制装置40或其他控制装置控制卷扬机构20在最小转速模式下运行时，控制装置40可以根据上述的控制过程向比例电磁阀18发出控制信号以控制卷扬机构20的转速与最小标准转速相匹配，(例如，转速与最小标准转速的差值在可容忍范围内)，只有在转速与最小标准转速相匹配之后，卷扬机构20才开始加速。类似地，当卷扬机构20进入到最大转速模式之后，控制装置40向比例电磁阀18发出控制信号以控制卷扬机构20的转速与最大标准转速相匹配，(例如，转速与最大标准转速的差值在可容忍范围内)。所述最小标准转速和最大标准转速可以被分别设定为在标准工况下卷扬机构20在最小速度模式和最大速度模式中的转速。通过以上的描述可以看出，由于使用转速检测装置实时检测的卷扬机构20的转速作为反馈，能够保证卷扬机构20的转速在不同温度环境中都可以基本保持一致，由此不受温度的变化对卷扬机构20转速的影响。这对使用实验平台进行卷扬试验尤其有利，因为卷扬试验要求转速保持一致性。以上描述的是根据本发明的实施方式的试验平台稳定卷扬机构20转速的优点， 下面将描述试验平台的其他优点。根据本发明的实施方式的试验平台还可以计算卷扬机构20吊起的吊重的离地高度并能对所计算的高度值进行校正，下面将详细描述。控制装置40可以根据所接收的转速信号计算出卷扬机构20的转速s，假设卷扬机
构20的卷筒上的绳槽数量为a，钢丝绳的当前绕卷层数为m，钢丝绳半径为r，卷筒底半径为
R，当吊重刚离地(此时称为临界点)时，吊重离地高度h = 0，钢丝绳位于卷筒的第一层(m
=1)，此时卷筒上已绕绳长记为L1,则在临界点的已绕绳槽数量彻为 L
权利要求
1.一种用于卷扬机构的方法，该方法包括接收指示所述卷扬机构00)转速的转速信号；从所述转速信号中获得所述卷扬机构OO)的转速，并将该转速与标准转速进行比较； 如果所述转速大于所述标准转速，则生成用于减小所述卷扬机构OO)转速的控制信号；如果所述转速小于所述标准转速，则生成用于增大所述卷扬机构OO)转速的控制信号；以及输出所述控制信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，从所述转速信号中获得所述卷扬机构OO)的转速，并将该转速与标准转速进行比较的步骤包括从所述转速信号中获得具有时间间隔的一组转速； 对该组转速进行滑动平均运算以得到滑动平均值；以及将所述滑动平均值与所述标准转速进行比较。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述卷扬机构OO)在最小转速模式下运行的情况下，所述标准转速包括最小标准转速，将转速与标准转速进行比较包括将所述转速与该最小标准转速进行比较；和/或在所述卷扬机构OO)在最大转速模式下运行的情况下，所述标准转速包括最大标准转速，将转速与标准转速进行比较包括将所述转速与该最大标准转速进行比较。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，基于PID算法来生成所述控制信号。
5.根据权利要求1所述的方法，该方法还包括 接收减速信号；以及在接收到减速信号时输出使所述卷扬机构OO)减速的控制信号。
6.根据权利要求1所述的方法，该方法还包括根据所述转速计算所述卷扬机构OO)吊起的吊重的离地高度。
7.根据权利要求6所述的方法，该方法还包括接收指示所述卷扬机构OO)吊起的吊重由落地状态变到离地状态的状态转变信号；以及在接收到所述状态转变信号时将计算出的所述吊重的离地高度重置为零。
8.一种用于卷扬机构的控制装置，包括接收设备(310)，被配置成接收指示所述卷扬机构OO)转速的转速信号； 处理设备(300)，与所述接收设备(310)耦合，该处理设备(300)被配置成接收来自所述接收设备(310)的所述转速信号，从该转速信号中获得所述卷扬机构OO)的转速，将该转速与标准转速进行比较，如果所述转速大于所述标准转速，则生成用于减小所述卷扬机构OO)转速的控制信号，如果所述转速小于所述标准转速，则生成用于增大所述卷扬机构 (20)转速的控制信号；以及发射设备(320)，与所述处理设备(300)耦合，该发射设备(320)被配置成接收来自所述处理设备(300)的控制信号并输出该控制信号。
9.根据权利要求8所述的控制装置，其中，所述处理设备(300)被配置成 从所述转速信号中获得具有时间间隔的一组转速；对该组转速进行滑动平均运算以得到滑动平均值；以及将所述滑动平均值与所述标准转速进行比较。
10.根据权利要求8所述的控制装置，其中，在所述卷扬机构00)在最小转速模式下运行的情况下，所述标准转速包括最小标准转速，所述处理设备(300)被配置成将所述转速与该最小标准转速进行比较；和/或在所述卷扬机构00)在最大转速模式下运行的情况下，所述标准转速包括最大标准转速，所述处理设备(300)被配置成将所述转速与该最大标准转速进行比较。
11.根据权利要求8所述的控制装置，其中，所述处理设备(300)被配置成基于PID算法来生成所述控制信号。
12.根据权利要求8所述的控制装置，其中，所述接收设备(310)还被配置成接收减速信号并将该减速信号传送给所述处理设备(300)；以及所述处理设备(300)还被配置成在接收到所述减速信号时输出使所述卷扬机构00) 减速的控制信号。
13.根据权利要求8所述的控制装置，其中，所述处理设备(300)还被配置成根据所述转速信号计算所述吊重的离地高度。
14.根据权利要求13所述的控制装置，其中，所述接收设备(310)还被配置成接收指示所述卷扬机构00)吊起的吊重由落地状态变到离地状态的状态转变信号，并将该状态转变信号传送到所述处理设备(300)；所述处理设备(300)还被配置成在接收到所述状态转变信号时将计算出的吊重的离地高度重置为零。
15.一种卷扬机构试验平台，该试验平台包括卷扬机构(20)、用于驱动卷扬机构(20) 的液压驱动系统，该液压驱动系统包括液压马达(16)和与液压马达(16)相关联的比例电磁阀(1 ；其特征在于，所述试验平台还包括与所述卷扬机构00)耦合的转速检测装置(30)，用于检测所述卷扬机构00)的转速并输出指示所述转速的转速信号；与所述转速检测装置(30)电耦合的控制装置(40)，该控制装置00)与所述比例电磁阀(18)电连接以向该比例电磁阀(18)发送控制信号，其中该控制装置GO)为根据权利要求8-14中任意一项权利要求所述的控制装置。
16.根据权利要求15所述的试验平台，其中，所述转速检测装置(30)包括编码器，该编码器与所述卷扬机构O0)的转轴同轴连接，用于检测该卷扬机构O0)的转轴转动的圈数，并输出指示该圈数的信号；计数器，用于接收所述指示该圈数的信号，对该圈数进行计数，并输出包含该圈数的计数值的转速信号；所述控制装置GO)被配置成接收该转速信号，从该转速信号中获得所述计数值，根据计数值计算出所述卷扬机构O0)的转速。
17.根据权利要求16所述的试验平台，其中，所述编码器为正交增量型编码器。
18.根据权利要求15所述的试验平台，其中，该试验平台还包括与所述卷扬机构O0) 的连接轴连接的行程开关(50)，该行程开关(50)用于检测所述卷扬机构O0)吊起的吊重是否达到减速点，并且在该吊重到达减速点的情况下向所述控制装置GO)发出减速信号。
19.根据权利要求15所述的试验平台，其中，该试验平台还包括起重量限制器(60)，该起重量限制器(60)用于检测所述卷扬机构O0)的受力大�。莞檬芰Υ笮∨卸纤龅踔卮τ诼涞刈刺故抢氲刈刺⒃谂卸铣鏊龅踔赜陕涞刈刺涞嚼氲刈刺保蛩隹刂谱爸肎O)发送状态转变信号。
全文摘要
一种卷扬机构试验平台，该试验平台包括卷扬机构，该卷扬机构包括用于驱动卷扬机构的液压驱动系统，该液压驱动系统包括液压马达和与液压马达相关联的比例电磁阀；其特征在于，所述试验平台还包括与所述卷扬机构耦合的转速检测装置，用于检测所述卷扬机构的转速并输出相应的转速信号；与所述转速检测装置电耦合的控制装置，该控制装置被配置成接收来自所述转速检测装置的所述转速信号，将检测到的转速与预先设定的标准转速进行比较，根据比较结果生成相应的控制信号并将该控制信号输出给所述比例电磁阀，以通过调节该比例电磁阀的开度来调节液压马达的输出功率，从而控制所述卷扬机构的转速与所述标准转速相匹配。
文档编号G01M13/00GK102381652SQ201110335609
公开日2012年3月21日 申请日期2011年10月28日 优先权日2011年10月28日
发明者习可, 匡爱武, 吴江, 赵健, 陈华, 颜祯 申请人:中联重科股份有限公司
专业数控铣床产品供应商
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