煤礦井下排水泵的雙電機(jī)同步控制策略分析

郭衛(wèi)風(fēng)

(國能神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司石圪臺(tái)煤礦，陜西 榆林 719000)

0 引言

隨著現(xiàn)代大型煤礦資源的開發(fā)越來越困難，對(duì)煤礦井下排水系統(tǒng)的安全運(yùn)行、水源的合理配置、節(jié)能降耗的要求越來越高。水泵是排水系統(tǒng)中的主要設(shè)備之一，隨著多電機(jī)控制技術(shù)的快速發(fā)展，水泵機(jī)組多電機(jī)同步控制系統(tǒng)的控制策略和控制算法已成為許多學(xué)者的研究內(nèi)容[1-3]。目前大型礦用水泵電機(jī)工作條件十分的艱難，其自身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)水平也具有一些局限性，在實(shí)際工程作業(yè)時(shí)，經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致大量的能量損失，使得實(shí)際揚(yáng)程降低，從而嚴(yán)重影響水泵工作效率[4-8]。

針對(duì)單臺(tái)水泵電機(jī)的控制已無法滿足煤礦井下自動(dòng)化生產(chǎn)要求的現(xiàn)狀，提出將雙電機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用在礦井工作當(dāng)中，設(shè)計(jì)一個(gè)雙電機(jī)泵裝置。在煤礦井下排水系統(tǒng)中，采用雙電機(jī)拖動(dòng)水泵的裝置來滿足排水過程中高揚(yáng)程高效率的要求，對(duì)雙電機(jī)同步性能要求更高。因此，分析由2個(gè)永磁同步電動(dòng)機(jī)組成的同步控制系統(tǒng)及其優(yōu)化的同步控制算法，以實(shí)現(xiàn)2臺(tái)電機(jī)的同步協(xié)調(diào)控制。

1 機(jī)械同步控制方法

1.1 工作原理

機(jī)械同步方法是用于控制2個(gè)或更多個(gè)電動(dòng)機(jī)的最傳統(tǒng)的控制方法。機(jī)械同步控制方式的主要原理是在該系統(tǒng)中建立高功率電動(dòng)機(jī)作為控制系統(tǒng)的主電動(dòng)機(jī)；通過驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中剩余電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的多軸同步控制。當(dāng)單元上的負(fù)載突然增大時(shí)，該單元產(chǎn)生相反速度的扭矩，并且扭矩通過變速器傳遞到機(jī)械主軸。由于所有單元的輸入信號(hào)是機(jī)械總軸的旋轉(zhuǎn)角速度，因此剩余單元的速度也將隨著總機(jī)械軸速度而變化。當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，與其直接連接的單元的速度發(fā)生變化，其他單元處于機(jī)械總軸的作用下，速度也會(huì)改變。因此通過機(jī)械總軸的協(xié)調(diào)，電動(dòng)機(jī)將從非同步狀態(tài)變?yōu)橥竭\(yùn)行狀態(tài)。

1.2 不足之處

盡管機(jī)械同步方式廣泛應(yīng)用于煤礦井下排水系統(tǒng)的雙電機(jī)泵的設(shè)計(jì)中，但此種方案仍有許多不足之處[9-11]。采用單臺(tái)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)負(fù)載，單元的負(fù)載受到了限制。由于機(jī)械總軸的固有彈性受到限制，機(jī)械總軸的最大輸出扭矩與軸的橫截面積成正比；與總軸長度成反比，電機(jī)距離較遠(yuǎn)時(shí)需增大總軸的橫截面積，從而保證機(jī)械總軸拖動(dòng)負(fù)載時(shí)所需的扭矩，提高了系統(tǒng)的成本，且機(jī)械總軸容易產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象。當(dāng)諧振頻率低時(shí)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性將受到影響；當(dāng)需要調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速比的時(shí)候，只能采取更換齒輪的方式，不夠靈活。此外，所有的機(jī)械單元通過齒輪箱連接在一起，其結(jié)構(gòu)相對(duì)固定。鑒于機(jī)械同步控制方法的上述缺點(diǎn)，電子同步控制方法逐漸發(fā)展并廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)和生活中。

2 電子同步控制方法

2.1 并行控制方式

并行(并聯(lián))控制出現(xiàn)較早，屬于一種同步控制，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)中的2個(gè)電機(jī)為并聯(lián)關(guān)系，具有相同的速度值，然后通過控制器串聯(lián)。反饋控制是單獨(dú)實(shí)現(xiàn)的，因此每個(gè)電機(jī)及其逆變器和控制器形成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。

并行(并聯(lián))同步控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于該系統(tǒng)在電機(jī)啟動(dòng)和停止階段具有良好的同步性能，但通過觀察其框圖，整個(gè)控制系統(tǒng)實(shí)際上等同于開環(huán)控制系統(tǒng)。將系統(tǒng)的仿真模擬時(shí)間設(shè)置為0.5 s，2臺(tái)電機(jī)均在空載時(shí)啟動(dòng)，2臺(tái)電機(jī)的輸入速度在啟動(dòng)時(shí)為500 r/min；在0.15 s時(shí)，給第1臺(tái)主動(dòng)電機(jī)加負(fù)載轉(zhuǎn)矩10 N/m，令第2臺(tái)從動(dòng)電機(jī)保持空載狀態(tài)；在0.3 s時(shí)，系統(tǒng)給出的步進(jìn)輸入從500 r/min變?yōu)?00 r/min，仿真曲線如圖2所示?？梢钥闯觯?.15 s時(shí)，由于2個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的負(fù)載并不平衡，第1臺(tái)主動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速降低，第2臺(tái)從動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速不變，第2臺(tái)從動(dòng)電機(jī)不能跟隨第1臺(tái)從動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化，并且在速度突然下降的情況下，2個(gè)電機(jī)之間存在的同步誤差大，最高可達(dá)25 r/min，如圖2(c)所示。在穩(wěn)定狀態(tài)下，2個(gè)電機(jī)之間仍然存在同步誤差。因此，在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中，并聯(lián)控制結(jié)構(gòu)無法實(shí)現(xiàn)同步輸出的速度。

圖2 仿真曲線Fig.2 Simulation curve

2.2 主從控制方式

由于并聯(lián)控制就像2個(gè)電機(jī)使用相同的輸入信號(hào)進(jìn)行控制，但是2個(gè)電機(jī)之間沒有直接的邏輯關(guān)系連接，系統(tǒng)很容易被干擾，控制精度會(huì)因此受到相應(yīng)的影響。如圖3所示，在以并行控制為基礎(chǔ)的前提下，改進(jìn)了主從控制，其基本思想是其中一個(gè)電機(jī)用作主軸，另一個(gè)用作從軸。速度信號(hào)只在主軸上輸入，主軸的輸出信號(hào)則輸入到從機(jī)。在此控制策略下，無論主電動(dòng)機(jī)的速度或負(fù)載如何變化，從電機(jī)都能根據(jù)變化及時(shí)作出反應(yīng)。這在一定程度上滿足了高速和高精度的要求。但是，如果轉(zhuǎn)速由于電動(dòng)機(jī)的干擾而發(fā)生改變，主電動(dòng)機(jī)不能跟隨電動(dòng)機(jī)的變化而發(fā)生相應(yīng)的變化。因此，這種同步控制方式不能夠滿足工程需要。

圖3 主從控制結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Block diagram of master-slave control structure

同樣，設(shè)定系統(tǒng)的模擬時(shí)間為0.5 s，2個(gè)電機(jī)都保持空載啟動(dòng)。在0.3 s時(shí)，系統(tǒng)給出的步進(jìn)輸入從500 r/min變?yōu)?00 r/min，仿真曲線如圖4所示。由得出的仿真結(jié)果圖可知，當(dāng)由于自身原因或外部原因而產(chǎn)生的主電機(jī)的轉(zhuǎn)速值發(fā)生波動(dòng)時(shí)，其從電機(jī)的操作命令將會(huì)以自身的變化反映出主電機(jī)更換或有所改變。根據(jù)圖5所示，電機(jī)會(huì)產(chǎn)生高達(dá)40 r/min的同步誤差，在系統(tǒng)開始啟動(dòng)時(shí)其主電機(jī)速度將會(huì)發(fā)生突變。擾動(dòng)只會(huì)產(chǎn)生單項(xiàng)影響，具體表現(xiàn)在當(dāng)轉(zhuǎn)速受電機(jī)擾動(dòng)干擾時(shí)主電機(jī)不會(huì)跟隨同步電機(jī)變化。因此可知，該策略并不適用于工程應(yīng)用中要求的多工況，只適合少部分具有明顯主從關(guān)系的場(chǎng)合。

圖4 系統(tǒng)仿真全過程Fig.4 The whole process of system simulation

圖5 從電機(jī)加載時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)Fig.5 Motor speed response diagram when the slave motor is loaded

2.3 偏差耦合控制方式

偏差耦合控制方式并非是將電機(jī)之間的位置或是速度差值，當(dāng)作全部電機(jī)的反饋補(bǔ)償，從而改善軸之間的協(xié)調(diào)性能，而是關(guān)聯(lián)了一個(gè)電機(jī)的自狀態(tài)和其他電機(jī)的自狀態(tài)，其所需要的速度控制精度，通常情況下也較為合理，如圖6所示。但由于該種控制策略的計(jì)算量比較大，運(yùn)算過程復(fù)雜，不適用于位置同步要求高的場(chǎng)合。

圖6 偏差耦合控制結(jié)構(gòu)框圖Fig.6 Block diagram of deviation coupling control structure

2.4 交叉耦合控制方式

交叉耦合控制策略結(jié)構(gòu)如圖7所示。其仍然選擇2個(gè)使用相同輸入信號(hào)的電機(jī)，以保證2個(gè)電機(jī)能同時(shí)對(duì)輸入信號(hào)作出響應(yīng)，并輸入補(bǔ)償器。該補(bǔ)償器可通過對(duì)2個(gè)信號(hào)進(jìn)行相關(guān)的算法應(yīng)用，以得到補(bǔ)償信號(hào)。最后，給2個(gè)電機(jī)分別反饋補(bǔ)償信號(hào)。該方式不僅保證了2臺(tái)電機(jī)同時(shí)接收給定的信號(hào)并作出相應(yīng)的響應(yīng)，而且2臺(tái)電機(jī)間的差值也得到了相應(yīng)地校正，系統(tǒng)同步性能良好。交叉耦合控制可以很好地控制2個(gè)受控對(duì)象的精度。

圖7 交叉耦合控制結(jié)構(gòu)框圖Fig.7 Block diagram of cross-coupling control structure

系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)仿真曲線如圖8所示。模擬時(shí)間設(shè)定為0.5 s，2個(gè)電機(jī)均在空載時(shí)啟動(dòng)，給定電機(jī)的輸入速度在開始時(shí)為500 r/min。在0.15 s時(shí)，給主動(dòng)電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為10 N/m，令從動(dòng)電機(jī)保持在空載狀態(tài)。在0.3 s時(shí)，系統(tǒng)給出的步進(jìn)輸入從500 r/min變?yōu)?00 r/min。

圖8 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)Fig.8 System dynamic response diagram

在系統(tǒng)啟動(dòng)初期，主電機(jī)與從電機(jī)兩者起始運(yùn)轉(zhuǎn)速度同步。此時(shí)，若出現(xiàn)附加的負(fù)載擾動(dòng)或當(dāng)前速度發(fā)生突變時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致之前一致的速度產(chǎn)生一定的差異，經(jīng)仿真可得最大差異值為4 r/min。0.3 s左右，速度值下降100 r/min，當(dāng)超過0.015 s后，系統(tǒng)再次恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)。進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后，其轉(zhuǎn)速誤差的穩(wěn)態(tài)值維持在0.05 r/min范圍內(nèi)。因此可得出交叉耦合同步控制結(jié)構(gòu)的同步性能較為優(yōu)良。

可以看出，不管是哪種同步控制策略，都有其對(duì)應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。系統(tǒng)啟動(dòng)期間產(chǎn)生的波動(dòng)不會(huì)影響后續(xù)過程的測(cè)量結(jié)果，因此在選擇控制方法時(shí)，應(yīng)首先確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3 雙電機(jī)同步控制方式的選擇

并聯(lián)控制方式結(jié)構(gòu)比較簡單，無干擾時(shí)同步精度高，但是其抗干擾性能較弱，控制精度在緊急情況下不夠準(zhǔn)確。從電機(jī)跟蹤滯后的問題，僅靠主從控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不能夠被解決。即便是移位法，也難以消除這些問題。與前3種控制策略相比，在雙電機(jī)同步控制系統(tǒng)中，交叉耦合控制方法更為合適，可以保證較小的相位差。經(jīng)研究和分析，比較上述4種常用的雙電機(jī)電同步控制方法的優(yōu)缺點(diǎn)，見表1。綜合分析可得，交叉耦合同步控制策略可以更好地滿足系統(tǒng)所需的同步性能。

表1 4種同步控制方法的優(yōu)缺點(diǎn)Table 1 Advantages and disadvantages of four synchronous control methods

4 結(jié)論

(1)為研究2臺(tái)電機(jī)的協(xié)同運(yùn)動(dòng)過程，主要針對(duì)并行控制、主從控制以及交叉耦合控制這3種控制結(jié)構(gòu)下的雙電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析。

(2)并行控制雖然控制方式比較簡單，無干擾時(shí)同步精度高，但是其抗干擾性能較弱，控制精度在緊急情況下不夠準(zhǔn)確。

(3)通過仿真研究得出交叉耦合同步控制策略優(yōu)于其他控制策略，可以更好地滿足系統(tǒng)所需的同步性能。