盾構(gòu)機(jī)刀盤驅(qū)動(dòng)多電機(jī)同步控制仿真分析

韓　影，李　強(qiáng)

(西安理工大學(xué) 自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，陜西　西安　710048)

0　引言

盾構(gòu)機(jī)中的刀盤驅(qū)動(dòng)部分是盾構(gòu)機(jī)的核心部件之一。液壓驅(qū)動(dòng)[1]作為刀盤系統(tǒng)傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式，由于它啟動(dòng)扭矩小、微動(dòng)操作性及同步性能好，因此被廣泛使用，但其存在工作效率低、噪聲大、后續(xù)臺(tái)車較長的缺點(diǎn)。而新興的由變頻器控制的三相交流異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械組成簡單、工作效率高、維修方便、噪聲低、性價(jià)比高，目前，已有越來越多的盾構(gòu)機(jī)刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選擇這種驅(qū)動(dòng)方式。

以往文獻(xiàn)雖然對多電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)研究較多[2]，但是對于盾構(gòu)機(jī)中的多電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)研究較少，本文通過對多電機(jī)同步控制的分析，得到適合盾構(gòu)機(jī)中刀盤驅(qū)動(dòng)的同步控制策略，并采用MATLAB/Simulink對其進(jìn)行仿真分析。

1　刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的作用及特點(diǎn)

1.1　盾構(gòu)機(jī)刀盤驅(qū)動(dòng)的作用

盾構(gòu)機(jī)刀盤部分主要由變頻器、電機(jī)、減速機(jī)、大小齒輪和主軸承等組成。通過主驅(qū)動(dòng)先發(fā)出指令控制各電機(jī)進(jìn)行同步驅(qū)動(dòng)來帶動(dòng)各自的減速機(jī)，后經(jīng)大小齒輪耦合，連接到主軸承，進(jìn)而帶動(dòng)整個(gè)刀盤進(jìn)行旋轉(zhuǎn)切削。盾構(gòu)機(jī)主要依靠刀盤部分對前方的土體進(jìn)行切削、攪拌，方便螺旋輸送機(jī)進(jìn)行排土，同時(shí)也維護(hù)開挖面的穩(wěn)定和減少盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)阻力。盾構(gòu)機(jī)刀盤部分裝機(jī)功率較大，一般采用4臺(tái)～12臺(tái)電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)[3]。

1.2　刀盤系統(tǒng)的特點(diǎn)[4]

盾構(gòu)機(jī)刀盤系統(tǒng)的多電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)與其他負(fù)載間相互平衡控制的多電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不同，主要區(qū)別是：①刀盤系統(tǒng)中電機(jī)數(shù)量較多；②機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜且傳動(dòng)比大，容易造成機(jī)械部分損傷；③各電機(jī)間通過剛性連接，僅依靠機(jī)械來同步很容易因各電機(jī)間力矩的差異造成損壞；④刀頭部分機(jī)械復(fù)雜，在挖掘過程中比較多變。因此，研究盾構(gòu)機(jī)刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的多電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)控制具有很大的實(shí)用價(jià)值與理論價(jià)值。

2　典型的多電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)控制策略[5]

多電機(jī)的同步驅(qū)動(dòng)有多種不同的驅(qū)動(dòng)方式，具體分類如圖1所示。不同的控制方式具有不同的結(jié)構(gòu)與作用，其中耦合控制適用于速度精度要求較高的場合，而非耦合控制適用于速度精度要求不太嚴(yán)格的場合。

圖1　多電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)分類

2.1　交叉耦合同步控制

交叉耦合是對兩電機(jī)的速度信號進(jìn)行對比，將得到的差值作為附加反饋信號，并以其作為跟蹤補(bǔ)償信號，使系統(tǒng)可以接收任意一臺(tái)電機(jī)的負(fù)載變化來達(dá)到較好的控制精度。但這種控制方式不適用于3臺(tái)以上電機(jī)間的同步驅(qū)動(dòng)。

2.2　偏差耦合同步控制

偏差耦合是交叉耦合的延續(xù)發(fā)展，是將得到的各電機(jī)速度反饋的差值作為該電機(jī)的速度補(bǔ)償信號，用來補(bǔ)償各電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，從而改善雙軸間的協(xié)調(diào)控制性能，但其耦合系數(shù)很難調(diào)整。

2.3　電子虛擬總軸同步控制

電子虛擬總軸系統(tǒng)是將輸入信號先經(jīng)過總軸，然后得到各驅(qū)動(dòng)器的參考輸入信號，通過參考輸入信號使各驅(qū)動(dòng)器同步。這種控制方式很容易為單位驅(qū)動(dòng)器跟蹤，進(jìn)而達(dá)到同步，但計(jì)算過程復(fù)雜。

2.4　并行同步控制

并行同步控制中各子系統(tǒng)的輸入信號直接由總系統(tǒng)統(tǒng)一給定，這種控制方式使得各驅(qū)動(dòng)單元只受總驅(qū)動(dòng)信號的影響，且任一單元的任何擾動(dòng)都不會(huì)影響其他單元。因此,這種同步方式不適用于對速度精度要求精確的場合。

2.5　主從同步控制

主從同步控制是用主電機(jī)的輸出來控制從電機(jī)的輸入，這種控制方式使得從電機(jī)能夠迅速跟隨主電機(jī)的輸出，并且各從電機(jī)受到的干擾不會(huì)影響到主電機(jī)。如果使從電機(jī)的轉(zhuǎn)矩跟隨主電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，則各電機(jī)將實(shí)現(xiàn)負(fù)載力矩平衡，但由于各電機(jī)的機(jī)械特性差異，轉(zhuǎn)速將有些許差異，因此，這種同步方式適用于對速度精度要求不高的場合。

由于盾構(gòu)機(jī)刀盤驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中各電機(jī)之間為剛性連接，對速度的精度要求不是很嚴(yán)格，綜合各種控制方式的優(yōu)缺點(diǎn)及速度精度要求，對于盾構(gòu)機(jī)刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用并行同步或主從同步更適合各電機(jī)間的同步驅(qū)動(dòng)。由于并行同步對電機(jī)參數(shù)要求很高，因此，本文采用主從同步控制。

3　盾構(gòu)機(jī)刀盤驅(qū)動(dòng)的控制策略

3.1　刀盤驅(qū)動(dòng)控制要求及采用方法

本次研究依據(jù)功率平衡同步控制原理P=Fv(其中，P為電機(jī)功率，F(xiàn)為電機(jī)力矩，v為電機(jī)速度)。由于功率與轉(zhuǎn)矩及速度成正比，因此將功率平衡分配問題分別轉(zhuǎn)換為速度平衡分配與轉(zhuǎn)矩平衡分配。對于盾構(gòu)機(jī)刀盤系統(tǒng)，因?yàn)楦麟姍C(jī)之間為剛性連接，所以最終的速度為同一速度。因此，在盾構(gòu)機(jī)刀盤驅(qū)動(dòng)中可將各電機(jī)之間的功率平衡分配轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)矩之間的平衡分配。

采用主從同步控制策略，將主電機(jī)轉(zhuǎn)速環(huán)的輸出(即轉(zhuǎn)矩)作為從電機(jī)的輸入，通過實(shí)現(xiàn)各電機(jī)之間的轉(zhuǎn)矩平衡分配來實(shí)現(xiàn)各電機(jī)間的功率平衡分配。

3.2　同步控制的基本思路及仿真

3.2.1盾構(gòu)機(jī)同步控制基本思路

在本次設(shè)計(jì)中，模擬實(shí)際情況進(jìn)行仿真，采用功率分配方法實(shí)現(xiàn)各電機(jī)之間的同步。主電機(jī)采用轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)，并以主電機(jī)的轉(zhuǎn)速環(huán)的輸出作為各從電機(jī)的轉(zhuǎn)矩的輸入。主從電機(jī)的控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。圖2中，ω為主電機(jī)的實(shí)際反饋轉(zhuǎn)速，Te*為主電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出，Te為各電機(jī)通過計(jì)算得到的輸出轉(zhuǎn)矩，i為各電機(jī)的輸入相電流。

圖2　主從電機(jī)的控制系統(tǒng)框圖

3.2.2同步控制結(jié)構(gòu)的搭建和參數(shù)設(shè)置

由于矢量控制可以實(shí)現(xiàn)對定子電流的解耦，分別得到電流的勵(lì)磁分量與轉(zhuǎn)矩分量，從而將三相異步電機(jī)等效為直流電機(jī)，方便對其進(jìn)行控制。本文利用MATLAB/Simulink搭建主從控制系統(tǒng)，以兩臺(tái)三相異步電機(jī)為例進(jìn)行仿真。兩臺(tái)三相異步電機(jī)的參數(shù)設(shè)置如表1所示，矢量控制仿真模型如圖3所示。

3.2.3多電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)的仿真及結(jié)果分析

采用主從同步，將主電機(jī)轉(zhuǎn)速環(huán)的輸出作為從電機(jī)的給定輸入，以MATLAB仿真其剛性連接，以主電機(jī)反饋的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為系統(tǒng)的總體負(fù)載，給定轉(zhuǎn)速為120 r/min，空載啟動(dòng)，在0.5 s時(shí)給主電機(jī)加載20 N·m轉(zhuǎn)矩，剛性連接的速度由各電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和與主電機(jī)的負(fù)載共同決定。系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖4、圖5所示。

表1　兩臺(tái)電機(jī)的參數(shù)配置

圖3　三相異步電機(jī)矢量控制仿真模型

圖4　轉(zhuǎn)速輸出結(jié)果

圖5　轉(zhuǎn)矩輸出結(jié)果

從圖4可以看出，兩臺(tái)電機(jī)間為剛性連接且在矢量控制下轉(zhuǎn)速平穩(wěn)上升，不到0.1 s就上升到期望值，且超調(diào)誤差為3%，加載后轉(zhuǎn)速略有下降，由于電機(jī)間的剛性連接，恢復(fù)時(shí)間較長，但兩臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速始終一致，并且跟隨給定轉(zhuǎn)速。

從圖5可以看出，在空載時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩不斷增加，當(dāng)達(dá)到各電機(jī)的轉(zhuǎn)矩限定值后，轉(zhuǎn)矩迅速下降，直到對其進(jìn)行加載，為了平衡負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電磁轉(zhuǎn)矩再次升高，以保持系統(tǒng)穩(wěn)定。主從電機(jī)轉(zhuǎn)矩在跟隨過程中出現(xiàn)的一點(diǎn)差異主要是由電機(jī)參數(shù)差異導(dǎo)致的，這在實(shí)際操作中可以通過變頻器來軟化機(jī)械特性，從而達(dá)到負(fù)載平衡分配，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)功率平衡分配。

4　總結(jié)與展望

對盾構(gòu)機(jī)中刀盤驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析，并結(jié)合實(shí)際情況，采用功率平衡分配的方法，對各電機(jī)的剛性連接及電機(jī)之間的參數(shù)差異進(jìn)行了仿真，得到的仿真結(jié)果說明該方法適用于盾構(gòu)機(jī)刀盤系統(tǒng)中多電機(jī)同步。對于仿真過程中扭矩間的差異，除了通過控制變頻器來軟化機(jī)械特性，還可以采用智能算法對轉(zhuǎn)矩環(huán)內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，從而使轉(zhuǎn)矩跟隨效果更好。

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