永磁同步直驅(qū)式帶式輸送機(jī)多電動(dòng)機(jī)功率平衡控制策略

黃海飛

(中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司， 太原 030006)

0 引言

1 永磁同步直驅(qū)帶式輸送機(jī)

1.1 基本結(jié)構(gòu)介紹

永磁同步直驅(qū)帶式輸送機(jī)滾筒布置結(jié)構(gòu)以圖1為例，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)與滾筒直接互聯(lián)并通過摩擦力直接驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)運(yùn)行。

圖1 永磁直驅(qū)式帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)

圖1所示為3臺(tái)永磁同步電動(dòng)機(jī)(Permanent magnet Synchronous motor，PMSM)直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載的帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)，PMSM1與PMSM2為剛性連接，直接驅(qū)動(dòng)滾筒A；PMSM3直接驅(qū)動(dòng)滾筒B；滾筒A與滾筒B之間為柔性連接，由輸送帶互聯(lián)。PMSM1、PMSM2以及PMSM3的額定功率、基本參數(shù)相等，共同驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)實(shí)現(xiàn)物料、煤料的運(yùn)輸。

1.2 基本原理分析

對(duì)帶式輸送機(jī)多電動(dòng)機(jī)功率平衡控制時(shí)采用自抗擾控制技術(shù)(Auto-disturbance Rejection Controller，ADRC)，將帶式輸送機(jī)前后滾筒的PMSM1、PMSM3、PMSM3的不確定因素視為未知擾動(dòng)，對(duì)輸入、輸出參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的控制后便可對(duì)未知擾動(dòng)進(jìn)行精確估算和實(shí)時(shí)補(bǔ)償，消除控制誤差。ADRC由跟蹤微分器TD、擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器ESO、非線性狀態(tài)誤差反饋控制規(guī)律NLSEF三部分組成，TD可有效改善傳統(tǒng)控制系統(tǒng)存在的初始誤差較高、超調(diào)嚴(yán)重的問題，如假設(shè)系統(tǒng)誤差為e=v-y，其中v為設(shè)定值，y為輸出值。采用TD后，可對(duì)設(shè)定值v合理過度至v1(t)，由TD對(duì)微分信號(hào)進(jìn)行提取，系統(tǒng)誤差可調(diào)節(jié)為e=v1(t)-y，達(dá)到減小誤差、降低超調(diào)的目的[6-7]。ESO可解決傳統(tǒng)PID控制器無法對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)的問題，將控制系統(tǒng)的所有擾動(dòng)視為控制系統(tǒng)的一種狀態(tài)，無需進(jìn)行擾動(dòng)類別的識(shí)別和測(cè)量。ESO只根據(jù)控制系統(tǒng)的輸入、輸出信號(hào)就可構(gòu)建控制系統(tǒng)原態(tài)和擴(kuò)張態(tài)，完成對(duì)控制系統(tǒng)的補(bǔ)償。ELSEF即利用非線性函數(shù)fal、fhan解決傳統(tǒng)PID控制器控制量誤差非最優(yōu)的問題，如fal函數(shù)可表示為式(1)：

(1)

由式(1)可知，α越小，控制系統(tǒng)的跟蹤速度越快，但濾波效果越差；δ越大，濾波效果越好，但跟蹤速度較差；且α<1時(shí)，fal函數(shù)具有小誤差、大增益或者大誤差、小增益的特性，有效抑制控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。

自抗擾控制器中的NLSEF誤差增益系數(shù)β在外部干擾較大時(shí)智能依靠控制經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)，因此引入模糊控制理論對(duì)NLSEF參數(shù)進(jìn)行模糊整定，達(dá)到ADRC參數(shù)實(shí)時(shí)修正的目的。模糊自抗擾控制器原理如圖2所示，電動(dòng)機(jī)的誤差e以及誤差變化率ec作為模糊控制器的輸出為NLSEF的整定參數(shù)Δβ。

圖2 模糊自抗擾控制器原理

2 功率不平衡問題分析

定義帶式輸送機(jī)負(fù)載率為電動(dòng)機(jī)實(shí)際輸出功率與額定功率之比，則只要確保各電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率相等即可達(dá)到多電動(dòng)機(jī)功率平衡的目的。定義PMSM1、PMSM2以及PMSM3的實(shí)際輸出功率、額定功率分別為P1、P2、P3、PN1、PN2以及PN3，理想負(fù)載率為ξN，實(shí)際負(fù)載率為ξi，則得式(2)、式(3)：

(2)

(3)

當(dāng)多電動(dòng)機(jī)功率平衡時(shí)，滿足式(4)：

ξN=ξii=1,2,3

(4)

定義帶式輸送機(jī)電動(dòng)機(jī)的功率不平衡度為Ωi，可表示為式(5)：

(5)

由電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)方程可知，影響帶式輸送機(jī)電機(jī)功率不平衡的因素主要有輸送帶寬度、輸送帶彈性模量、輸送帶阻力、輸送帶與滾筒的應(yīng)變差、滾筒半徑以及電動(dòng)機(jī)定子電流頻率[8]。

3 多機(jī)功率平衡控制策略研究

3.1 轉(zhuǎn)矩分配

3臺(tái)永磁同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率分配按照式(6)進(jìn)行：

(6)

式中:Pi為永磁電動(dòng)機(jī)1/2/3分配的給定功率；Pei為永磁電動(dòng)機(jī)額定功率；P為負(fù)載功率，且滿足P=P1+P2+P3；n為永磁同步電動(dòng)機(jī)數(shù)量，數(shù)值為3，且滿足永磁同步電動(dòng)機(jī)1/2/3的型號(hào)、參數(shù)完全相同。

3臺(tái)永磁同步電動(dòng)機(jī)帶式輸送機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)滿足式(7)：

(7)

式中:P1、P2以及P3為3臺(tái)永磁同步電動(dòng)機(jī)各自的輸出功率，單位為kW；T1、T2以及T3為各永磁電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，單位為N·m；ω1、ω2以及ω3為各永磁電動(dòng)機(jī)的角速度，單位為rad/s。帶式輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)，在保證3臺(tái)永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相等時(shí)，對(duì)電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩T進(jìn)行控制即可完成負(fù)載功率均衡分配，可表示為式(8)：

(8)

式中:T為帶式輸送機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩，Tei為各永磁同步電動(dòng)機(jī)的額定電磁轉(zhuǎn)矩，單位為N·m。根據(jù)圖1，設(shè)定PMSM1為主運(yùn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，PMSM2以及PMSM3為從運(yùn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，則3臺(tái)永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩分配可表示為式(9)：

開展此項(xiàng)工作前要讓人們深入了解此類疾病的傳播途徑，最大限度地提升人們的思想意識(shí)，進(jìn)而提升預(yù)防的力度。結(jié)合牲畜飼養(yǎng)狀況對(duì)完善的消毒工作制度進(jìn)行構(gòu)建，牛場(chǎng)的設(shè)計(jì)要將國(guó)家動(dòng)物衛(wèi)生防疫方面的要求作為根本依據(jù)，將消毒池和消毒間設(shè)置在門口；推行封閉式的飼養(yǎng)管理模式，確保飼養(yǎng)人員工作服的清潔，車輛以及行人等不可隨意進(jìn)出飼養(yǎng)場(chǎng)內(nèi)部；牲畜飼養(yǎng)間保證每周最少徹底消毒1次，可采用2%福爾馬林溶液、20%的石灰乳、1%或3%的石炭酸溶液、3%的漂白粉溶液或苛性鈉溶液進(jìn)行消毒，消毒效果比較理想。

(9)

當(dāng)帶式輸送機(jī)的PMSM1、PMSM2以及PMSM3的型號(hào)、參數(shù)一致且滾筒A、滾筒B負(fù)載分配比例為2∶1時(shí)，K=1。

3.2 功率平衡控制

以雙滾筒三電動(dòng)機(jī)煤礦井下帶式輸送機(jī)為例，基于偏差耦合結(jié)構(gòu)對(duì)3臺(tái)永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、電流進(jìn)行采集、控制并經(jīng)Clark、Park坐標(biāo)變換后得到三電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩電流值iq，通過iq標(biāo)識(shí)三電動(dòng)機(jī)輸出功率，達(dá)到帶式輸送機(jī)三電動(dòng)機(jī)功率均衡分配的目的。永磁同步直驅(qū)式帶式輸送機(jī)偏差耦合控制系統(tǒng)如圖3所示[9-10]，實(shí)時(shí)采集、檢測(cè)3臺(tái)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、電流，同時(shí)利用補(bǔ)償器將非本臺(tái)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩電流偏差值補(bǔ)償至本電動(dòng)機(jī)并對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得3臺(tái)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況一致、同步并達(dá)到功率平衡控制。

圖3 3臺(tái)永磁同步電動(dòng)機(jī)直驅(qū)的帶式輸送機(jī)偏差耦合控制系統(tǒng)

基于偏差耦合結(jié)構(gòu)的帶式輸送機(jī)多電動(dòng)機(jī)功率平衡過程為：當(dāng)任意一臺(tái)永磁同步電動(dòng)機(jī)的負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，PMSM1、PMSM2以及PMSM3的轉(zhuǎn)矩電流會(huì)存在偏差，3臺(tái)電動(dòng)機(jī)輸出功率出現(xiàn)不平衡；對(duì)其余2臺(tái)PMSM的轉(zhuǎn)矩電流與本臺(tái)PMSM轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行比較并利用補(bǔ)償器對(duì)電流偏差值進(jìn)行補(bǔ)償；基于電流偏差值實(shí)現(xiàn)對(duì)PMSM轉(zhuǎn)矩電流的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。PMSM1、PMSM2以及PMSM3轉(zhuǎn)矩電流可形成耦合環(huán)，轉(zhuǎn)矩電流偏差與轉(zhuǎn)速偏差補(bǔ)償可互為補(bǔ)充，從而使得轉(zhuǎn)矩電流實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡，最終實(shí)現(xiàn)PMSM1、PMSM2以及PMSM3功率負(fù)載均衡分配。

圖4所示為PMSM1的偏差耦合補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)，即PMSM1的負(fù)載變化或者擾動(dòng)較大時(shí)，轉(zhuǎn)矩電流值與PMSM2、PMSM3的轉(zhuǎn)矩電流值會(huì)存在較大偏差，基于圖4偏差耦合補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)，將轉(zhuǎn)矩電流偏差值補(bǔ)償至其他2臺(tái)電動(dòng)機(jī)，并在3臺(tái)電動(dòng)機(jī)之間形成耦合環(huán)，實(shí)現(xiàn)三電動(dòng)機(jī)負(fù)載均衡分配，提升系統(tǒng)抗干擾能力，即將PMSM1的轉(zhuǎn)矩電流偏差分散至PMSM2以及PMSM3中，使得三電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)保持一致，輸出為Δω。

圖4 偏差耦合補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)

4 多機(jī)功率平衡控制系統(tǒng)仿真

為驗(yàn)證3臺(tái)永磁同步電動(dòng)機(jī)直驅(qū)的帶式輸送機(jī)偏差耦合控制系統(tǒng)，根據(jù)圖3控制系統(tǒng)原理搭建仿真模型，并對(duì)設(shè)計(jì)的多電動(dòng)機(jī)功率平衡控制系統(tǒng)的正確性、有效性進(jìn)行驗(yàn)證。PMSM1、PMSM2以及PMSM3的額定功率相等，定子電阻分別為0.05 Ω、0.054 Ω、0.058 Ω，采用模糊ADRC控制算法完成帶式輸送機(jī)三電動(dòng)機(jī)功率平衡方案仿真對(duì)比以及空載啟動(dòng)、帶載啟動(dòng)仿真試驗(yàn)。

4.1 功率平衡方案仿真對(duì)比

帶式輸送機(jī)空載啟動(dòng)后，給2臺(tái)電動(dòng)機(jī)添加初始負(fù)載80 N·m，0.4 s時(shí)將電動(dòng)機(jī)2的負(fù)載增加至120 N·m，電動(dòng)機(jī)1的負(fù)載保持不變，分別采用無模糊ADRC控制功率平衡方案和有模糊ADRC控制功率平衡方案完成仿真，轉(zhuǎn)矩波形曲線如圖5、圖6所示。由圖5和圖6仿真結(jié)果可知，無功率平衡控制方案時(shí)，系統(tǒng)不會(huì)進(jìn)行負(fù)載分配，電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩不均衡；采用功率平衡控制方案后，2臺(tái)電動(dòng)機(jī)負(fù)載變化且不一致時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩能夠保持一致，首先負(fù)載均衡分配。

圖5 無功率平衡方案電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩波形

圖6 有功率平衡方案電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩波形

4.2 空載啟動(dòng)仿真

圖7 空載啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩波形

圖8 空載啟動(dòng)電流波形

4.3 帶載啟動(dòng)仿真

帶式輸送機(jī)帶載啟動(dòng)，初始負(fù)載為85 N·m，運(yùn)行至0.3 s時(shí)增加負(fù)載180 N·m，PMSM1、PMSM2以及PMSM3的轉(zhuǎn)矩曲線、電流曲線見圖9、圖10。在0.3 s時(shí)，帶式輸送機(jī)負(fù)載突然增加時(shí)，3臺(tái)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、電流能夠在短時(shí)間內(nèi)快速響應(yīng)并達(dá)到穩(wěn)態(tài)，且始終保持Te1=Te2=Te3、i1=i2=i3，保證3臺(tái)電動(dòng)機(jī)處于平衡狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)3臺(tái)電動(dòng)機(jī)負(fù)載均衡分配。

圖9 帶載啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩波形

圖10 帶載啟動(dòng)電流波形

由帶式輸送機(jī)空載啟動(dòng)、帶載啟動(dòng)仿真試驗(yàn)表明，基于偏差耦合結(jié)構(gòu)的三電動(dòng)機(jī)功率平衡控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)帶式輸送機(jī)前后電動(dòng)機(jī)的負(fù)載均衡分配，按照控制系統(tǒng)分配比例均衡驅(qū)動(dòng)，防止單電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)過載、過流現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)多機(jī)功率平衡控制。

5 結(jié)論

1) 對(duì)礦用永磁同步直驅(qū)式帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，由剛性+柔性連接的PMSM1、PMSM2以及PMSM3組成。

2) 對(duì)模糊自抗擾控制技術(shù)基本原理進(jìn)行分析，能較好地解決帶式輸送機(jī)多電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)存在外部干擾大、無法建立精確模型的問題。

3) 在分析帶式輸送機(jī)多電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)功率不平衡因素的基礎(chǔ)上，以偏差耦合結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，基于模糊自抗擾控制技術(shù)設(shè)計(jì)多電動(dòng)機(jī)功率平衡控制策略。

4) 基于設(shè)計(jì)的多電動(dòng)機(jī)功率平衡控制策略，完成空載、帶載仿真，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)控制策略的正確性和可用性。