史志遠(yuǎn),黃保勝,馬馳
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2中國礦業(yè)大學(xué) 江蘇徐州 221008
電機車運輸不僅是煤礦輔助運輸系統(tǒng)中的重要組成部分,還是輔助開采設(shè)備正常生產(chǎn)、提高生產(chǎn)效率的重要手段[1-3]。電機車的停車精度是評價煤礦井下自動化程度的重要指標(biāo)之一。當(dāng)前電機車停車主要依賴司機的駕駛經(jīng)驗,效率低,精度差,嚴(yán)重影響煤礦井下自動化運輸?shù)男?,不利于實現(xiàn)煤礦輔助運輸?shù)淖詣踊c智能化[4]。此外,煤礦井下工況較復(fù)雜,不同的速度、停車距離、坡度和載重都會影響電機車的實際制動力和司機的停車操作。因此,研究有效的電機車精準(zhǔn)停車方法,提高電機車停車的精準(zhǔn)性,對提高煤礦井下的輔助運輸效率和實現(xiàn)自動化生產(chǎn)具有重要意義,也是未來智慧煤礦的發(fā)展趨勢[5]。
與直流電動機、異步電動機和開關(guān)磁阻電動機相比,永磁同步電動機具有以下特點:①體積?。虎?可靠性高;③功率密度大;④ 噪聲小、溫升低[6]。采用永磁同步電動機的電機車安全性和節(jié)能效果較好[7-8]。
下面筆者對采用永磁同步電動機驅(qū)動的煤礦井下電機車的精準(zhǔn)停車方法進(jìn)行研究,實現(xiàn)電機車在不同速度、停車距離、坡度和載重工況下的精準(zhǔn)停車。
電機車行駛時,主動輪的受力如圖 1 所示。作用于車輪上的驅(qū)動力
圖1 電機車驅(qū)動輪受力示意Fig.1 Sketch of force on driving wheel of locomotive
電機車在行駛時,受到空氣阻力、滾動阻力、坡度阻力和加速阻力作用。車輪受到的與電機車速度方向相反的阻力為滾動阻力。滾動阻力
式中:G為電機車所受重力;f為軌道的滾動阻力系數(shù);α為軌道傾角。
電機車行駛時,會受到空氣阻力Fw的作用,如圖 2 所示。空氣阻力Fw的大小與電機車行駛速度的二次方成正比,
圖2 電機車空氣阻力示意Fig.2 Sketch of air resistance onto locomotive
式中:CD為空氣阻力系數(shù);A為正投影面積;va為行駛速度。
電機車的坡度阻力如圖 3 所示。坡度阻力
圖3 電機車的坡度阻力示意Fig.3 Sketch of slope resistance onto locomotive
電機車減速行駛時,會受到加速阻力。電機車的加速阻力
式中:δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù);m為電機車質(zhì)量;a為加速度。
根據(jù)式 (1)~ (5),可得
因現(xiàn)場工況較復(fù)雜,為了減小誤差,提高電機車精準(zhǔn)停車過程中的抗干擾能力,電機車分階段做末速度為零的勻減速直線運動,其加速度
電機車精準(zhǔn)停車過程解析如圖 4 所示。
圖4 電機車精準(zhǔn)停車過程解析Fig.4 Analysis on precise halting process of locomotive
t0~tn的間隔時間相同。0~t0期間,電機車的速度從零開始加速,一直加速到速度v0(v0為現(xiàn)場電機車開始精準(zhǔn)停車時的行駛速度)。在t0時刻,電機車開始精準(zhǔn)停車,此時電機車的速度為v0,離終點的距離為x0,電機車的加速度為a0。在t1時刻,電機車走過的距離為x1,電機車離終點的距離為x0-x1,速度為v1,加速度為a1。在t2時刻,電機車走過的距離為x2,離終點距離為x0-x2,速度為v2,加速度為a2。精準(zhǔn)停車進(jìn)程中,每隔一段時間,都根據(jù)當(dāng)前的速度和離終點距離,調(diào)整電機車的加速度,直至速度為零,精準(zhǔn)停車結(jié)束。
停車過程中,要控制永磁同步電動機輸出對應(yīng)的制動力矩,從而控制電機車按照預(yù)定的加速度行駛,需要得到不同工況下電動機輸出力矩的計算公式。不同工況下電機車永磁同步電動機需要輸出的制動力矩
電機車精準(zhǔn)停車過程如圖 5 所示。電機車精準(zhǔn)停車過程中,每隔 1 s 就根據(jù)當(dāng)前速度、距離等參數(shù)校正電動機輸出的制動力矩,按照末速度為零重新計算需要的減速度值,以提高不同工況下電機車的停車精度。
圖5 電機車精準(zhǔn)停車流程Fig.5 Process flow of precise halting of locomotive
為了控制永磁同步電動機輸出對應(yīng)的制動力矩,實現(xiàn)精準(zhǔn)停車,建立永磁同步電動機的雙閉環(huán)模糊PID 控制系統(tǒng),得到精準(zhǔn)停車時永磁同步電動機的控制策略。
三相永磁同步電動機輸出力矩
結(jié)合式 (8) 與 (9),可得
式(10) 可以轉(zhuǎn)化為
由式 (11) 可知,可以通過控制電動機的 q 軸電流iq來控制永磁同步電動機輸出的制動力矩,結(jié)合精準(zhǔn)停車方法,實現(xiàn)煤礦井下電機車在不同初始速度、停車距離、坡度和載重下的精準(zhǔn)停車。
采用轉(zhuǎn)矩環(huán)和電流環(huán)的雙閉環(huán)矢量控制系統(tǒng) (見圖 6) 控制永磁同步電動機,以提高控制的精確性,減小停車誤差。該系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前速度、距離、坡度和載重等,計算出永磁同步電動機應(yīng)產(chǎn)生的給定轉(zhuǎn)矩Te*,然后對比Te* 和實際轉(zhuǎn)矩Te,經(jīng)PID 調(diào)節(jié)器處理后控制 q 軸電流iq,同時控制電動機的 d 軸電流id=0,d 軸和 q 軸的電流經(jīng)過變換,通過 SVPWM 控制逆變器輸出 3 路 PWM 信號,生成正弦波,最后合成矢量,驅(qū)動永磁同步電動機,實現(xiàn)精準(zhǔn)停車。
圖6 永磁同步電動機雙閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)Fig.6 Double closed-loop vector control system for PMSM
基于動力學(xué)分析和永磁同步電動機雙閉環(huán)矢量控制原理分析,用Simulink 建立電機車精準(zhǔn)停車的仿真系統(tǒng),包括電動機控制仿真模型、電機車動力學(xué)仿真模型和駕駛員仿真模型等。
根據(jù)永磁同步電動機矢量控制理論和模糊 PID 控制理論,搭建了永磁同步電動機的模糊 PID 雙閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)仿真模型,如圖 7 所示。
圖7 永磁同步電動機模糊 PID 雙閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)仿真模型Fig.7 Simulation model of fuzzy PID double closed-loop vector control system for PMSM
仿真電機車加速到正常行駛速度,然后控制電機車減速,評估電機車減速時行駛的距離與實際給定距離的差值,以驗證精準(zhǔn)停車方法。
現(xiàn)場永磁同步電動機參數(shù)如下:電阻為 0.2 Ω,d-q 軸電感為 8.5 mH,磁鏈為 0.175 Wb,極對數(shù)為 4對。仿真時間為 35 s。初始時刻,永磁同步電動機產(chǎn)生驅(qū)動力矩,于t0時刻將電機車加速至速度v0;t0時刻之后,電動機根據(jù)當(dāng)前速度和離終點距離,產(chǎn)生制動力矩對電機車進(jìn)行制動,仿真系統(tǒng)記錄仿真過程中永磁同步電動機的轉(zhuǎn)矩、定子電流,電機車的加速度、速度以及路程等參數(shù)。
仿真工況如下:電機車停車前速度為 1.7 m/s,停車距離為 23 m,坡度為 1°,載重為 12 000 kg。
在第 0~ 5 s 期間,駕駛員控制永磁同步電動機輸出驅(qū)動力矩,驅(qū)動電機車加速,在第 5 s 時加速到 1.7 m/s;第 5~ 35 s 期間,電機車進(jìn)入精準(zhǔn)停車狀態(tài),系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前速度和離終點距離,控制電動機輸出相應(yīng)的制動力矩,使電機車進(jìn)入分階段的勻減速直線運動狀態(tài)。每隔 1 s,系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前速度和離終點距離,對永磁同步電動機輸出的制動力矩進(jìn)行校正,減小停車誤差。永磁同步電動機的定子電流及電磁轉(zhuǎn)矩的變化曲線分別如圖 8、9 所示。第 0~ 5 s 期間,定子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場,控制電動機產(chǎn)生驅(qū)動力,驅(qū)動電機車加速,此時電動機輸出驅(qū)動力矩;第 5 s 后,電機車達(dá)到設(shè)定速度v0,三相定子電流發(fā)生變化,電動機的電磁轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換為制動力矩,電機車進(jìn)入精準(zhǔn)停車狀態(tài)。從圖 8、9 可以看出第 5 s 前后電動機的定子電流和輸出轉(zhuǎn)矩的突變。
圖8 永磁同步電動機定子電流變化曲線Fig.8 Variaton curve of rotor current of PMSM
圖9 永磁同步電動機電磁轉(zhuǎn)矩變化曲線Fig.9 Variation curve of electromagnetic torque of PMSM
圖10 電機車加速度變化曲線Fig.10 Variation curve of acceleration of locomotive
精準(zhǔn)停車過程中電機車的加速度變化曲線如圖10 所示。第 0~ 5 s 期間,電機車啟動,電動機輸出驅(qū)動力矩,此時加速度為正,電機車處于加速狀態(tài);第 5 s 時,電機車達(dá)到指定速度;第 5 s 后,隨著永磁同步電動機輸出轉(zhuǎn)矩的變化,電機車的加速度變?yōu)樨?fù)值,電機車處于分階段的勻減速直線運動狀態(tài),直至速度為零。
電機車速度變化曲線如圖 11 所示。仿真開始時,電機車的速度開始增加,直至速度達(dá)到 1.7 m/s,然后對電機車進(jìn)行精準(zhǔn)停車的仿真;第 5 s 后,速度逐漸下降,直至速度為零時,精準(zhǔn)停車結(jié)束。
圖11 電機車速度變化曲線Fig.11 Variation curve of speed of locomotive
對電機車的速度進(jìn)行積分,得到電機車的位移變化曲線,如圖 12 所示。第 0~ 5 s 期間,電機車處于加速狀態(tài),速度逐漸增加,此時電機車的位移曲線是一個斜率逐漸增大的拋物線,電機車從啟動開始走過的距離為 3.97 m;第 5 s 后,電機車速度逐漸減小,曲線的斜率逐漸變小,直至速度為零,曲線停止變化,電機車停止運行,此時電機車走過的距離為26.92 m。第 5~ 35 s 期間為電機車精準(zhǔn)停車的時間,電機車行駛的距離為 22.95 m,定位誤差僅為 0.05 m。
圖12 電機車位移變化曲線Fig.12 Variation curve of displacement of locomotive
為了實現(xiàn)煤礦井下電機車的精準(zhǔn)停車,構(gòu)建了PID 模糊雙閉環(huán)矢量控制系統(tǒng),基于電機車當(dāng)前速度、距離、坡度及載重等參數(shù)輸出制動力矩,以實現(xiàn)精準(zhǔn)停車。仿真結(jié)果表明本文所提出停車方法能夠滿足電機車的精準(zhǔn)停車要求。