壓鑄生產線雙電機同步控制軌道車方式仿真

鄭 鵬，郝詩祺

(沈陽工業(yè)大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110870)

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壓鑄生產線雙電機同步控制軌道車方式仿真

鄭 鵬，郝詩祺

(沈陽工業(yè)大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110870)

針對壓力鑄鋼生產線中軌道車同步控制問題，對雙電機同步控制系統(tǒng)進行了Simulink仿真。將異步電機作為牽引電機，通過對軌道車控制系統(tǒng)中常用的雙電機同步控制方式的分析比較，分別對雙電機主從控制、并行控制和交叉耦合控制進行了建模與仿真，仿真結果驗證了采用交叉耦合控制的軌道車具有良好的跟隨性，能夠保證壓鑄的生產效率。

壓力鑄鋼；雙電機；主從控制；并行控制；交叉耦合控制

0 壓鑄生產線簡介

壓鑄是一種終形與近終形的加工方法，有生產效率高、經濟效益好、壓鑄件尺寸精度優(yōu)良及互換性好等優(yōu)點[1]。壓鑄生產線由軌道車及其控制系統(tǒng)、桁架及液壓設備等組成，如圖1所示。

圖1 壓鑄生產線示意圖Fig.1 The production line of pressure cast steel

該生產線加工鑄鋼件時，軌道車搭載鋼包端蓋和模具行駛至準確位置，鋼包由液壓裝置抬高至預定位置，并且與鋼包端蓋準確密封。模具導液管插入液態(tài)金屬中，鎖緊結束后，向鋼包中通入高壓氣體，使液態(tài)金屬在高速高壓作用下射入緊鎖的模具型腔內，并保壓、冷卻結晶直至凝固，形成半成品或成品。其中，電機需要驅動100 t的軌道車、模具及鋼包端蓋，軌道車最高運行速度36 m/min。因此，軌道車系統(tǒng)具有低速、重載的特點。

傳統(tǒng)壓鑄生產線的軌道車控制系統(tǒng)大多采用單電機驅動實現(xiàn)單輸出軸控制。當軌道車啟動時，傳動系統(tǒng)需要很大的驅動扭矩，必須制造功率與其相匹配的驅動電機及驅動器件，這樣便增加了控制系統(tǒng)的成本。并且，大功率電機會受到制造技術及電機參數(shù)的影響，大功率驅動器件的研發(fā)也會受到半導體類功率器件的限制[2]。因此，采用單電機驅動具有很大的局限性。采用雙電機對軌道車進行同步驅動能夠解決以上問題，但雙電機間的同步性會直接影響軌道車運行的精度和穩(wěn)定性。而且，雙電機的分布方式也會影響軌道車控制系統(tǒng)的運行精度。其中，輪邊電機分布方式的軌道車控制系統(tǒng)將電機軸和輸出軸構成整體的驅動橋，提高了軌道車的運行效率，控制系統(tǒng)緊湊統(tǒng)一[3]。雙側電機構成的驅動橋固定在軌道車的底盤上，功率輸出軸通過傳動軸驅動軌道車的行走輪[4,5]，如圖2所示。

圖2 雙側輪邊電機分布結構Fig.2 The motor distribution structure of bilateral wheel

在低速、重載的前提下，必須保證軌道車平穩(wěn)啟動、調速運行及準確停車并受包。因此，本文采用雙電機同步控制的方式對軌道車進行控制，避免出現(xiàn)鋼包端蓋和鋼包無法密封的現(xiàn)象而影響生產。

1 雙電機同步控制軌道車方法仿真分析

本文將異步電機作為牽引電機，結合雙電機同步控制技術，擬建立適用于壓力鑄鋼生產線的軌道車控制系統(tǒng)。軌道車運行分為以下三個階段：

(1)平穩(wěn)啟動。軌道車以較小加速度啟動，保證了啟動的平穩(wěn)性，雙電機需要提供轉矩440 N·m，因此，單電機等效負載轉矩為220 N·m，運行到0.45 s時電機加速到額定轉速1 480 r/min。

(2)調速運行。勻速運行時，雙電機需要提供轉矩250 N·m，單電機等效負載轉矩為125 N·m。運行到0.9 s時將電機轉速設置為1 600 r/min，1.2 s時電機轉速降低到1 480 r/min，此階段系統(tǒng)的加速度較小，認為電機等效負載仍為125 N·m。通過調節(jié)電機的轉速即可實現(xiàn)軌道車在一定范圍內調速行走，將實際的調速階段縮短，主要表現(xiàn)雙電機調速性能。

(3)準確停止。運行到1.6 s時，位置傳感器發(fā)出信號，電機轉速設置為0，此時，雙電機需要提供轉矩160 N·m，單電機等效負載為80 N·m。運行到1.9 s時電機轉速平穩(wěn)降為0，同時切斷電源，實現(xiàn)準確停車，保證了停車的準確性。

仿真分析中采用三相異步電機，電機1和電機2均是37 kW、380 V、50 Hz、2對極，其他參數(shù)如表1所示。雙電機同步控制方式包括主從控制、并行控制和交叉耦合控制等[6-7]。

表1 雙電機參數(shù)對比表

2 主從控制

圖3是雙電機主從控制的原理圖。采用該控制策略時，電機1的輸出轉速作為電機2轉速的參考值。任何加在電機1上的轉速指令或負載干擾均會得到電機2的響應并跟隨，然而任何電機2上的轉速和轉矩擾動都不能反饋給電機1。因此，主從控制屬于開環(huán)控制[8]。采用主從控制策略的控制系統(tǒng)一般是對速度和位置精度要求不高的行業(yè)，因一旦系統(tǒng)的控制速度或負載發(fā)生改變時，雙電機間的同步精度很難得到保證[9]。

在圖4中可以看出雙電機的轉速軌跡在達到額定轉速前有很大差別。在圖5中可以直觀地看出瞬時轉速差在-25～+100 r/min之間。并且，雙電機轉矩響應差異較大，如圖6所示，雖能滿足電機調速的要求，但達不到啟動和停止階段的扭矩要求。因此，采用主從控制策略的雙電機系統(tǒng)不能滿足壓鑄生產線的生產要求。

圖3 主從控制原理圖Fig.3 Schematic diagram of master-slave control

圖4 主從控制雙電機轉速響應曲線Fig.4 The speed of master-slave control double motors

圖5 主從控制雙電機轉速誤差Fig.5 The speed error of master-slave control double motors

圖6 主從控制雙電機扭矩響應Fig.6 The torque of master-slave control double motors

3 并行控制

圖7是并行控制的原理圖。采用該控制策略的整個控制系統(tǒng)屬于開環(huán)控制，當系統(tǒng)中任何一臺電機受到干擾時，兩臺電機間就會產生同步誤差，同步性較差[9]。

在圖8中可以看出雙電機的速度軌跡在達到額定轉速前差別略大。在圖9中可以直觀的看出瞬時轉速差在-9～+12 r/min之間。并且雙電機轉矩響應差異較小，如圖10所示，能滿足啟動、調速和停止的扭矩要求。因此，采用并行控制的軌道車控制系統(tǒng)綜合性能優(yōu)于采用主從控制的控制系統(tǒng)。

圖7 并行控制原理圖Fig.7 Schematic diagram of parallel control

圖8 并行控制雙電機轉速響應曲線Fig.8 The speed of parallel control double motors

圖9 并行控制雙電機轉速誤差Fig.9 The speed error of parallel control double motors

圖10 并行控制雙電機扭矩響應Fig.10 The torque of parallel control double motors

4 交叉耦合控制

圖11是交叉耦合控制的原理圖。該控制策略最初由Koren在上世紀80年代提出，交叉耦合控制能夠根據(jù)需要實現(xiàn)反饋同步控制，在很大程度上完善了雙電機控制系統(tǒng)的同步運行精度[10]。交叉耦合控制策略與并行控制策略相比較，前者的主要特點在于將雙電機的實時轉速或精確位置進行對比，以獲得一個附加的差值反饋信號，并將該信號作為同步跟蹤信號，系統(tǒng)將顯示出任何一個電機的負載擾動，從而取得更好的同步控制精度。而且與主從控制策略和并行控制策略相比，交叉耦合控制屬于閉環(huán)控制[11]。

在圖12中可以看出雙電機的速度軌跡差別

圖11 交叉耦合控制原理圖Fig.11 Schematic diagram of cross-coupling control

很小，并且在圖13中可以直觀的看出最大瞬時轉速差在-2～+2 r/min之間。交叉耦合控制的雙電機轉矩響應差異很小，如圖14所示，能滿足啟動、調速和停止的扭矩要求。

綜上所述，壓鑄生產線的軌道車采用交叉耦合控制策略最合適，既能保證軌道車的平穩(wěn)啟動、可調速運行及準確停止，也保證了鋼包端蓋與鋼包的準確鎖緊，進而保證了壓鑄生產線的生產效率。

圖12 交叉耦合控制雙電機轉速響應曲線Fig.12 The speed of cross-coupling control double motors

圖13 交叉耦合控制雙電機轉速誤差Fig.13 The speed error of cross-coupling control double motors

圖14 交叉耦合控制雙電機轉矩響應Fig.14 The torque of cross-coupling control double motors

5 結論

本文對主從控制、并行控制和交叉耦合控制三種雙電機同步控制軌道車策略進行了建模和仿真，通過對仿真結果的比較，驗證了采用交差耦合控制的壓力鑄鋼生產線的軌道車控制系統(tǒng)比采用主從控制和并行控制的系統(tǒng)具有更高的同步精度，提高了雙電機的跟隨性能，增強了系統(tǒng)的魯棒性，并且兼顧了系統(tǒng)響應的快速性和穩(wěn)定性，能夠滿足壓鑄生產線的生產要求。

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Simulation of synchronous control to railway vehicle for double-motor in production line of pressure cast steel

ZHENG Peng，HAO Shi-qi

(Mechanical Engineering College of Shenyang University of Technology, Shenyang 110870， China)

For the problem of synchronous control railway vehicle in the production line of pressure cast steel, double-motor synchronization control system is studied by Simulink. The three common double-motor sychronous control methods (master-slave control,parallel control and cross-coupling control)were selected to be modeled and simulated on the basic of a synchronous motor acted as a traction motor. The results verify that the railway vehicles controlled by the cross-coupling control is the best to follow and can ensure the production efficiency of pressure cast steel.

pressure cast steel；double-motor；master-slave control；parallel control；cross-coupling control

2015-10-31；

2016-01-12

鄭鵬(1964-)，男，遼寧沈陽人，博士，碩士生導師，沈陽工業(yè)大學機械工程學院教授，主要從事復雜曲面加工技術等方面的研究等。

郝詩祺(1992-)，男，遼寧錦州人，碩士，沈陽工業(yè)大學機械工程學院碩士研究生，研究方向為壓力鑄鋼設備行走驅動控制系統(tǒng)研究。

U239.4

A

1001-196X(2016)05-0091-05