盾構(gòu)及TBM刀盤驅(qū)動電機控制探討

吳朝來/WU Chao-lai

（中鐵隧道集團有限公司專用設(shè)備中心，河南 洛陽 471009）

盾構(gòu)及TBM刀盤主驅(qū)動單元的圓周分布著多臺驅(qū)動電機，這些驅(qū)動電機通過安裝在軸上的小齒輪與回轉(zhuǎn)大齒輪嚙合，剛性的連接成一個整體，從而驅(qū)動整個刀盤。驅(qū)動電機的數(shù)量和功率隨設(shè)備的類型和大小而有所不同，一般為6～20臺電機或馬達。要使盾構(gòu)機驅(qū)動系統(tǒng)安全可靠的工作，每臺電機的負荷必須均衡，因此驅(qū)動電機必須同步運行。電機的同步控制目前有多種實現(xiàn)方法，交流變頻電機驅(qū)動有著啟動電流小、效率高，調(diào)節(jié)環(huán)路的反映好，維修簡單、噪音低、冷卻性能好等優(yōu)點，特別適用于大功率驅(qū)動。變頻電機被廣泛應(yīng)用在盾構(gòu)刀盤驅(qū)動中。

1 刀盤驅(qū)動電機同步控制系統(tǒng)的構(gòu)成

刀盤驅(qū)動控制系統(tǒng)由PLC和變頻器及其圍輔助電路構(gòu)成，圖1為6臺電機的控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。盾構(gòu)機刀盤驅(qū)動系統(tǒng)采用西門子S7-400PLC為主控器件，采用施耐德Mxeco系列的PLUS250/3153Xpcs的變頻器為驅(qū)動器件。

圖1 刀盤驅(qū)動同步控制系統(tǒng)

PLC為上位控制器，通過模擬量控制變頻器輸出頻率進而控制每臺電機的速度。變頻器通過增量式旋轉(zhuǎn)編碼器構(gòu)成閉環(huán)矢量控制方式。旋轉(zhuǎn)編碼器的監(jiān)測信號同時通過PLC得高速數(shù)據(jù)通道接PLC，從而形成速度雙閉環(huán)控制。

由于每臺電機的編碼器信號均需接入PLC，對PLC的計數(shù)通道要求度多，S7-400PLC采用模塊化設(shè)計，利用功能模塊FM450-1可方便地接入多路編碼器信號。

2 刀盤驅(qū)動控制方式

現(xiàn)有盾構(gòu)/TBM刀盤變頻驅(qū)動的控制方式大致分為3種形式：V/F控制、開環(huán)矢量控制和閉環(huán)矢量控制。

目前所使用的盾構(gòu)/TBM中海瑞克盾構(gòu)、中鐵號盾構(gòu)、LOVAT盾構(gòu)、羅賓斯TBM及中鐵建盾構(gòu)均采用開環(huán)矢量變頻驅(qū)動控制模式；WIRTH盾構(gòu)和NFM盾構(gòu)采用閉環(huán)矢量變頻驅(qū)動控制模式；日系盾構(gòu)大多采用V/F變頻驅(qū)動控模式，如小松盾構(gòu)、日立盾構(gòu)等。

2.1 V/F控制

V/F控制方式的最基本原理是V/f=C的正弦脈寬調(diào)制模式，其特點是控制電路結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，機械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動的平滑調(diào)速要求。

V/F方式在低頻時，由于輸出電壓較低，轉(zhuǎn)矩受定子電阻壓降的影響比較顯著，使輸出最大轉(zhuǎn)矩減小。另外，其機械特性終究沒有直流電動機硬，動態(tài)轉(zhuǎn)矩能力和靜態(tài)調(diào)速性能都還不盡如人意，且系統(tǒng)性能不高、控制曲線會隨負載的變化而變化，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢、電動機轉(zhuǎn)矩利用率不高，低速時因定子電阻和逆變器死區(qū)效應(yīng)的存在而性能下降，穩(wěn)定性變差等。

2.2 開環(huán)矢量控制

開環(huán)矢量控制也叫滑差式自適應(yīng)控制或無速度傳感器的矢量控制，是V/F控制基礎(chǔ)上的改進方式，該方式可以根據(jù)電機負載自動調(diào)整電機的輸出電壓以保證電機磁通的動態(tài)恒定，從而提高電機的轉(zhuǎn)速精度和低頻帶載功能。

當某個電動機力矩偏大時，由于電動機的滑差特性，速度會降低，輸出力矩隨之降低；當某個電動機力矩偏小時，由于電動機的滑差特性，速度就會增加，輸出力矩隨之加大（圖2）。以此來實現(xiàn)系統(tǒng)的均衡控制。

圖2 電動機滑差特性

通過PROFIBUS DP總線連接各臺變頻器，將1號變頻器作為主變頻器，其將1號電機的扭矩通過DP總線傳給PLC，PLC在計算后同時賦予其他7臺變頻器，從而實現(xiàn)扭矩的協(xié)調(diào)的控制，系統(tǒng)設(shè)計為無級調(diào)速，各臺變頻器的運行情況也通過DP總線返回，各變頻器扭矩情況在人機界面上顯示。

開環(huán)矢量利用電機的滑差特性實現(xiàn)力矩的均衡控制，具有結(jié)構(gòu)簡單，控制、調(diào)試維護容易等特點,開環(huán)矢量充分發(fā)揮了電機本身的所具有的滑差特性。也是目前TBM和盾構(gòu)變頻驅(qū)動的主要模式。

2.3 閉環(huán)控制

閉環(huán)矢量控制是有速度傳感器的矢量控制，其主要用于高精度的速度控制、轉(zhuǎn)矩控制等對控制性能要求嚴格的使用場合。在該方式下采用的控制傳感器一般是旋轉(zhuǎn)編碼器，并安裝在被控電動機的軸端。而且閉環(huán)磁通矢量控制方式與開環(huán)方式不同，通常只能控制1臺電動機。

系統(tǒng)通過PROFIBUS DP總線將幾臺變頻器連接，做旋轉(zhuǎn)方向、速度等控制功能及變頻器運行信息的檢測功能，1號電機作為主電機安裝旋轉(zhuǎn)編碼器，做速度控制，通過SIMLINK總線連接光纜將1號電機的扭矩傳輸給其他幾臺變頻器，做扭矩控制，以達到扭矩一致，實現(xiàn)主從控制。簡而言之，系統(tǒng)采用“速度控制，扭矩跟隨”的控制模式。

3 盾構(gòu)機刀盤驅(qū)動系統(tǒng)的同步控制算法

3.1 PID算法

目前大多數(shù)控制系統(tǒng)均采用PID控制算法，理想PID控制算法算式如下

式中u(t)——輸出信號；

e(t)——誤差信號；

Kp——比例系數(shù)；

Ti——積分常數(shù)；

TD——微分常數(shù)。

對于PLC控制采用數(shù)字PID算法，離散位置PID算式如下

式中T——采樣周期；

E(k)——第k次采樣偏差值；

E(k-1)——第(k-1)次采樣偏差值；

E(k-2)——第（k-2）次采樣偏差值。

Ki——積分常數(shù)，

KD——微分常數(shù)，

對于本系統(tǒng)偏差值為速度偏差。

位置算法有可能出現(xiàn)積分飽和出現(xiàn)超調(diào)，因此本系統(tǒng)采用增量式的PID算法，刀盤驅(qū)動控制的PID控制模型如圖3所示，PID算法如下。

圖3 刀盤驅(qū)動控制的PID控制模型

3.2 PID參數(shù)整定

采樣周器T為了減小系統(tǒng)的純滯后，同時又可有效的調(diào)節(jié)，采樣樣周期依據(jù)相關(guān)經(jīng)驗推薦，對速度調(diào)節(jié)取為1～2s。本系統(tǒng)取T=1s。

采用擴充臨界比例度法確定比例系數(shù)、積分常數(shù)和微分常數(shù)。取控制度為1.05（即模擬控制效果與數(shù)字控制效果接近）則Kp和Ki可按下式計算

式中δu——臨界比例度；

Tu——臨界振蕩周期。

采用純比例控制，在采樣周期T足夠短的情況下，逐漸縮小比例帶直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，此時的比例度為δu，振蕩周期為Tu。在計算機上利用系統(tǒng)控制模型進行仿真可方便地獲得Tu、δu。

3.3 算法實現(xiàn)

在s7-400有功能強大的PID調(diào)節(jié)器，并具有強大的PID算法編程指令。將PID參數(shù)和算式用s7-400PID算法指令進行編程?？珊唵蔚膶崿F(xiàn)增量式PID控制。

4 運行試驗

為了進一步研究盾構(gòu)刀盤驅(qū)動同步控制的實現(xiàn)，以閉環(huán)矢量控制的方法控制多電機同步為例，對驅(qū)動刀盤進行了運行試驗。經(jīng)過反復(fù)仿真試驗后取T=2s、Kp=0.5、Ti=0.3、TD=0.15作為初使參數(shù)對單臺電機空載進行PID調(diào)節(jié)（變頻電機單臺功率250kW），經(jīng)過反復(fù)微調(diào)電機運轉(zhuǎn)良好，無振蕩、異常噪聲、調(diào)節(jié)時間短。

6臺電機同時空載運行，在給定頻率為45Hz的條件下對電機進行速度監(jiān)測。監(jiān)測的速度曲線如圖4所示。

由速度監(jiān)測結(jié)果可以看出單臺電機速度波動很?。ㄐ∮?.1r/min）,1號電機和2號電機波動范圍相同。這說明電機速度平穩(wěn)，同步性好。

圖4 電機速度實時監(jiān)測

5 結(jié) 語

通過對盾構(gòu)刀盤同步控制方法的研究和實驗，V/F控制、開環(huán)矢量控制和閉環(huán)矢量控制都能實現(xiàn)刀盤驅(qū)動電機的同步控制，但V/F方式在低頻時，由于輸出電壓較低，轉(zhuǎn)矩受定子電阻壓降的影響比較顯著，使輸出最大轉(zhuǎn)矩減小，及機械特性等方面的原因，其同步性控制方面不如開環(huán)矢量控制和閉環(huán)矢量控制；閉環(huán)矢量控制同步性控制精度高于前兩種方式，適用于對控制性能要求嚴格的使用場合。但這三種控制方式隨控制精度的提高其成本也有大幅提高，因此在設(shè)備選型過程中，設(shè)計人員應(yīng)嚴格按照工況選用合適的控制方式，確保既能滿足現(xiàn)場使用，又能減少投入。