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1. 研究目的与意义（文献综述）
自有人类文明以来，不同历史阶段的物料搬运活动便成为了人类活动的重要组成部分，距今已有数千年的发展历史。1949年新中国成立后，中国人民在“一穷二白”的基础上，经过艰苦奋斗， 初步建成了具有相当分布范围和一定生产规模的起重机械工业体系，基本满足了这一历史时期国内发展对各种类型起重机械产品的需求，起重机械已经成为工业体系合理组织生产的必不可少的 基础设备，为国民经济发展和人民生活水平的提高做出了不可替代的贡献[1]。
起重机械通常由起升机构(使物品上下运动)、平移机构(使起重机械水平移动)、变幅机构和回转机构(使物品作水平移动)，再加上金属机构，动力装置，操纵控制及必要的辅助装置组合而成。起升机构是起重机的基本工作机构，它们大多是由吊挂系统和绞车组成，也有通过液压系统升降重物的。平移机构用以纵向水平运移重物或调整起重机的工作位置，一般是由电动机、减速器、制动器和车轮组成。变幅机构只配备在臂架型起重机上，臂架仰起时幅度减小，俯下时幅度增大，分平衡变幅和非平衡变幅两种。回转机构用以使臂架回转，是由驱动装置和回转支承装置组成。金属结构是起重机的骨架，主要承载件如桥架、臂架和门架可为箱形结构或桁架结构，也可为腹板结构，有的可用型钢作为支承梁。
在建桥工程中所用的起重机械，根据其构造和性能的不同，一般可分为轻小型起重设备、桥式类型起重机械和臂架类型起重机，缆索式起重机四大类。
2. 研究的基本内容与方案
起重机平移机构的负载性质主要有三个特点:第一，它完全是阻性负载，即不论电动机的旋转方向怎样改变，负载转矩总是和电动机的旋转方向相反的。因此，平移机构的负载特性是位于M- n坐标系一、三象限关于坐标原点为对称的两条直线（图1）。因为平移机构在两个运动方向的负载转矩相等，故平移机构传动系统在两个运动方向上的运行状态是完全对称的，分析时，可只研究一个运动方向的情况；第二，平移机构负载的变化幅度比提升机构小，对速度的影响也小。虽然提升负载的变化会影响平移负载，但因为提升负载要经过一次转化——乘以一个小于1的摩擦系数，作用方向旋转90°——才能变为平移负载，所以平移机构的负载变化幅度比提升机构小，对平移速度的影响也要小 些；第三，同样负载在静态和动态时形成的阻转矩差别很大，这是因为负载在起动时由静摩擦形成的阻转矩要比运行中由动摩擦形成的阻转矩大许多。在选择平移系统的电动机和制动器时都要考虑这个特点，保证系统能迅速起动和可靠停车[7]。
图1 平移机构的负载特性
基于此，在研究该项目时，可将平移机构视为恒转矩负载，且所选电动机的额定转矩要比运行状态下的实际需要值大许多，以保证系统平稳快速起动和可靠停车。
所谓调速，就是人为地改变机械特性的参数，使电动机的稳定工作点偏离固有特性，工作在人为机械特性上，以达到调速的目的。
由异步电动机的机械特性方程式：
可知，能改变的参数分为3类：电动机参数、电源电压和电源频率。
改变电动机定子电压Us,保持其他参数不变，则在同一转差率s下，转矩Te和电压Us的平方成正比关系,由上迖关系可以得出三相异步电动机在不同定子电压时改变负载转矩不变，只有改变转差率才能调速,这种调速方法称为转差消耗型调速。
晶闸管调压调速的原理是通过改变主电路中晶闸管的导通角，改变电网供给电动机定子的电压Us，从而改变电动机的固有机械特性，达到调速的目的。
实践证明：晶闸管定子调压调速装置适合桥式起重机平移机构的作业工况，不仅能用于恒阻力矩负载,也能用于位势负载，可获得四象限的无级平滑调速，并能得到稳定的低速。与传统的转子串电阻调速方案相比，定子调压调速可大大改善调速性能，司机不用“点车”就能获得满意的低速。能保证装卸质量，减少货损，做到安全作业。由于起制动快速平稳,能显著改善整机的振动冲击。因此可以 看岀晶闸管定子调压调速传动可以满足桥式起重机平移机构的工艺要求。
异步电动机调压调速的机械特性如图2所示，由图中曲线可以看出，带恒转矩负载时，普通异步电动机调压调速时的稳定工作范围为：0＜s＜sm，调速范围十分有限，图中A、B 、C为恒转矩负载在不同电压时的稳定工作点。带风机类负载运行，调速范围可以稍大一些，图中D 、E 、F 为风机类负载在不同电压时的稳定工作点。
图2 异步电动机调压调速的机械特性
为了解决这一问题，可以增加转子电阻值，使临界转差率增大，从而扩大恒转矩负载下的调速范围，这种高转子电阻电动机又称作交流力矩电动机。增加转子电阻值后的异步电动机调压调速机械特性如图3。
图3 高转子电阻电动机（交流力矩电动机）在不同电压下的机械特性
本次设计的起重机平移机构调速系统分硬件与软件两个部分，硬件部分电路如图4，蓝线内部为调压调速控制系统，外部为外围电路，该调速系统在控制晶闸管导通角来控制电动机定子电压的同时，还配合运行状态改变电动机转子电阻，从而改变电动机机械特性，获得更大的调速范围。两种调速方式的结合可以起到良好的调速效果。控制单元中各控制部分功能如下：
输入转换：将220伏的主令信号通过光电隔离的方式转换为弱点信号送入平移控制板。
触发控制：根据平移控制板送来的控制电压产生触发信号，进而控制晶闸管的导通角。
平移控制：集成了主令识别、速度反馈采样、电流反馈采样、PID控制、控制命令输出和故障综合处理功能，是控制器的核心。
输出控制：将从平移控制板送来的正反转、制动加速等弱点信号转化为强电信号输出。
控制器的晶闸管部分由五组反并联的晶闸管模块U、V、W、A、B组成。U、V、W导通时，电机输出正向转矩；A、B、W导通时，电机输出反向转矩。电机转速由人工通过朱令控制器给定，通过速度与电流反馈实现闭环控制。硬件部分需要进行的工作是完成控制系统及外围电路的搭建与器件选型。
图4 硬件部分电路图
单片机是控制电路的核心部分，也是硬件与软件的连接桥梁，本次设计拟采用STC15W201S系列单片机。 STC15W201S系列单片机是STC生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是宽电压/高速/高可靠/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，采用STC第九代加密技术，无法解密，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8- 12倍。内部集成高精度R/C时钟( 0.3%)， 1%温飘(-40"C~ 85"C)，常温下温飘 0.6%(-20°C~ 65C)，ISP编程时 5MHz ~35MHz宽范围可设置，可彻底省掉外部昂贵的晶振和外部复位电路(内部已集成高可靠复位电路，ISP编程时16级复位门槛电压可选)。1组高速异步串行通信口(UART)，可在2组管脚之间进行切换，分时复用可作2组串口使用，针对串行口通信/电机控制/强干扰场合。内置比较器，功能更强大。在Keil C开发环境中，选择Intel 8052编译，头文件包含即可。
软件部分由C语言对单片机进行编程，采用转速、电流双闭环的PID控制以实现调速的无静差与快速响应。软件部分需要完成电流检测、转子频率检测、晶闸管检测、过零检测、转子接触器以及PID算法软件的编写与调试。软件部分整体框图如图5。
图5 软件部分流程图
方案可行性分析：单片机技术在国内发展较早，应用技术在国内已经十分成熟，效果理想。另外单片机经济实惠并在国内应用广范，为该系统设计提供大量理论基础。本系统利用少量的外围设备，构成一个完善、性能优良的廉价实用的系统，为实现起重机平移机构调速系统的低成本开发和更新换代提供了一条切实可行的路径。
3. 研究计划与安排
为了保证毕业设计的完成，现将各个任务的时间安排如下：
第1周 撰写并完成开题报告，无错字、别字，格式规范。
第2周 修改、完善开题报告，进行开题答辩，主要对研究意义、实现目标、完成内容、技术路线进行论述，重点就技术路线中硬件电路部分和软件部分进行讲解。
4. 参考文献（12篇以上）
[1]文豪,徐格宁.我国起重机械的发展与趋势[j].物流工程三十年技术创新发展之道. 2010
[2]文豪.起重机械[m].北京：机械工业出版社,2013
[3]徐其荣.建筑起重机提升机构交流调速的现状综述[j].建筑机械，1982（02）:13-18
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