基于雙軸耦合的采煤機(jī)截割部雙電機(jī)協(xié)調(diào)控制

崔艷芳

(西山煤電股份公司 屯蘭煤礦，山西 太原 030200)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，采掘機(jī)械設(shè)備向著現(xiàn)代化、智能化、數(shù)字化方向發(fā)展。采煤機(jī)是采掘機(jī)械的重要設(shè)備，而截割部是采煤機(jī)的重要組成部分。隨著大功率采煤機(jī)的不斷應(yīng)用，對(duì)截割部的電機(jī)也提出了更高的要求[1]。

目前截割電機(jī)在外觀體積、制造成本、在線可靠性等方面還存在著一定的技術(shù)難題，大多使用的是由兩臺(tái)變頻器來(lái)分別控制兩臺(tái)截割電機(jī)“一拖一”的控制方式，即采取主、從變頻器的控制方式[2]。

對(duì)于雙電機(jī)的耦合協(xié)調(diào)控制，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者進(jìn)行了許多研究并取得了一定的成果。Koren等[3]提出了交叉耦合控制思想；Tomizuka等[4]將自適應(yīng)前饋控制引入到同步控制中以提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和抗干擾能力；陳慶偉等[5]提出了一種“差速負(fù)反饋”同步聯(lián)動(dòng)控制方案；李力等[6]針對(duì)雙電機(jī)轉(zhuǎn)速同步的問(wèn)題，提出了偏差耦合同步控制策略。但是很多協(xié)調(diào)控制策略還存在控制調(diào)整精度不夠，電機(jī)參數(shù)一致性存在一定的偏差，信號(hào)反饋延時(shí)甚至偏差等問(wèn)題，極大影響電機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)的壽命和可靠性，因此有必要改進(jìn)現(xiàn)有截割雙電機(jī)的協(xié)調(diào)控制策略，提高系統(tǒng)控制精度，提升采煤機(jī)工作的安全可靠性[7]。

1 采煤機(jī)截割部電機(jī)數(shù)學(xué)模型

采煤機(jī)在截割煤巖的過(guò)程中需要消耗整機(jī)的大部分功率，因此通常對(duì)電機(jī)設(shè)置過(guò)載保護(hù)，電機(jī)過(guò)載保護(hù)曲線如圖1所示。

采煤機(jī)截割功率和煤巖性質(zhì)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)、滾筒結(jié)構(gòu)參數(shù)等因素有關(guān)。截割功率隨著牽引速度的增大而增大。目前采煤機(jī)工作時(shí)截割部采用恒功率自動(dòng)調(diào)節(jié)，以截割部滿載或速度達(dá)到司機(jī)設(shè)定的最大允許值為設(shè)定目標(biāo)。當(dāng)截割功率大于額定功率時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)降低牽引速度，當(dāng)截割功率小于額定值時(shí)，則系統(tǒng)自動(dòng)提高牽引速度，確保采煤機(jī)能夠在穩(wěn)定的工作效率下運(yùn)行。

圖1 電機(jī)過(guò)載保護(hù)特性曲線

為了研究截割部電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，建立了三相交流異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。三相繞組在空間對(duì)稱分布，沿逆時(shí)針?lè)较蚋骼@組軸線互差120°電角度，轉(zhuǎn)子按逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，三相交流電機(jī)定、轉(zhuǎn)子繞組的空間分布縱向剖面如圖2所示。

圖2中：sA和sA'、sB和sB'、sC和sC'分別表示A、B、C三相定子繞組；ra和ra'、rb和rb'、rc和rc'分別表示a、b、c三相轉(zhuǎn)子繞組；定子A相繞組軸線正方向?yàn)榭臻g位置參考方向即sD軸，轉(zhuǎn)子繞組a相軸線即rα軸超前sD軸θr電角度。

式中：Rs、Rr分別為定、轉(zhuǎn)子繞組電阻；usY、urY、isY、irY、ψsY、ψrY(Y=A、B、C、a、b、c)分別為定、轉(zhuǎn)子繞組電壓、電流和磁鏈。

電流和磁鏈方程：

(3)

式中：Lss、Lrr、Lsr=LrsT均為3×3的電感子矩陣，分別表示定子繞組電感矩陣、轉(zhuǎn)子繞組電感矩陣和定、轉(zhuǎn)子繞組之間的互感矩陣。

(4)

式中：Ωr為電子旋轉(zhuǎn)角速度；Tj為發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Tm為機(jī)械力矩；Te為電磁力矩。

2 采煤機(jī)雙電機(jī)主從控制系統(tǒng)分析

截割雙電機(jī)性能的好壞直接影響著采煤機(jī)的工作效率及可靠性。針對(duì)采煤機(jī)截割部雙電機(jī)常用的主從控制方式，以MG300/700電牽引采煤機(jī)為研究對(duì)象分別進(jìn)行Simulink仿真分析。主從控制框圖如圖3所示。

圖3 主從控制框

采用主從控制，主電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速作為從電機(jī)的轉(zhuǎn)速參考值，由此可知任何加在主電機(jī)上的速度或負(fù)載擾動(dòng)都會(huì)直接影響到從電機(jī)，但任何從電機(jī)上受到的擾動(dòng)不能反饋到主電機(jī)，當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，電機(jī)之間的同步精度將會(huì)受到很大影響，并且從電機(jī)有一定滯后。

通過(guò)給主電機(jī)和從電機(jī)施加隨機(jī)負(fù)載來(lái)分析主從控制下兩電機(jī)的同步性能，見(jiàn)圖4，仿真中電機(jī)轉(zhuǎn)速恒給定為90 r/s。由圖4可以看出，當(dāng)兩電機(jī)為主從控制方式時(shí)，電機(jī)1為主電機(jī)，電機(jī)2為從電機(jī)，從電機(jī)會(huì)因?yàn)橹麟姍C(jī)受到的擾動(dòng)而被擾動(dòng)，而當(dāng)從電機(jī)受擾時(shí)，主電機(jī)不會(huì)受到影響。也就是說(shuō)一旦從電機(jī)受到擾動(dòng)，那么兩電機(jī)將會(huì)失去同步狀態(tài)，極大影響電機(jī)的工作效率。

圖4 基于主從控制的單個(gè)電機(jī)受擾時(shí)兩

圖5 兩電機(jī)電流有效值仿真曲線

兩電機(jī)電流有效值仿真曲線如圖5所示，由圖5可知，兩電機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中由于從電機(jī)滯后的原因?qū)е缕d運(yùn)行，單個(gè)電機(jī)電流過(guò)大、長(zhǎng)期過(guò)載運(yùn)行，電機(jī)將發(fā)熱，易損壞電機(jī)[9]。由此可知傳統(tǒng)采煤機(jī)主從控制在變速過(guò)程中，兩電機(jī)會(huì)因?yàn)樾盘?hào)延遲或者從電機(jī)的負(fù)載波動(dòng)而導(dǎo)致失去同步。

基于上述原因，本文提出一種基于雙軸耦合的控制方式，將雙電機(jī)的轉(zhuǎn)速差作為補(bǔ)償進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而提高雙電機(jī)的轉(zhuǎn)速同步性。

3 基于雙軸耦合的采煤機(jī)截割電機(jī)控制研究

將兩電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速差通過(guò)耦合控制器作為附加信號(hào)輸入到兩電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器中，使得兩電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速差能盡可能的消除，從而獲得良好的同步控制精度。雙軸交叉耦合控制框圖如圖6所示。

依據(jù)圖6采用Matlab/Simulink建立仿真模型，在同樣的仿真條件下仿真變速工況，在5 s時(shí)給定電機(jī)信號(hào)由60 r/s上升到90 r/s。圖7分別為電機(jī)1、2受干擾時(shí)交叉耦合控制兩電機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線，從圖中可以明顯看出交叉耦合控制下的兩電機(jī)轉(zhuǎn)速同步精度很高。這是由于交叉耦合控制中增加的速度耦合控制器，兩電機(jī)的速度信號(hào)是同時(shí)給定，兩個(gè)電機(jī)互為主從，無(wú)論哪個(gè)電機(jī)受到擾動(dòng)始終都能保證同步。

圖6 交叉耦合控制框

圖7 基于雙軸耦合控制的單個(gè)電機(jī)受擾時(shí)兩電機(jī)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線

對(duì)比這兩種控制方式下的電機(jī)轉(zhuǎn)速誤差區(qū)別，如圖8所示。從仿真結(jié)果可以看出，交叉耦合控制下的兩電機(jī)的同步精度在正常調(diào)速工況下明顯要好于主從控制，而且波動(dòng)幅值更小[10]，因此交叉耦合控制在變速工況下的高同步性能有利于提高兩變頻器的利用效率。

圖8 轉(zhuǎn)速偏差仿真曲線

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出一種高效的雙軸耦合的雙電機(jī)控制方式，并以MG300/700電牽引采煤機(jī)為例對(duì)截割電機(jī)控制方式進(jìn)行Simulink仿真，通過(guò)仿真分析研究可得到如下結(jié)論：

1) 傳統(tǒng)的主從控制偏載現(xiàn)象較為明顯，極大影響電機(jī)的工作效率，會(huì)造成電機(jī)及傳動(dòng)裝置的損壞。

2) 提出的雙軸交叉耦合的控制方式，速度同步精度高，極大改善偏載現(xiàn)象，提高變頻器的利用率。

3) 雙軸交叉耦合控制便于控制，易于實(shí)現(xiàn)，該控制方法具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義，可為企業(yè)節(jié)約成本，提高工作效率，創(chuàng)造一定的經(jīng)濟(jì)效益。