盾構及TBM刀盤驅動電機控制探討

吳朝來/WU Chao-lai

（中鐵隧道集團有限公司專用設備中心，河南 洛陽 471009）

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

1 刀盤驅動電機同步控制系統的構成

刀盤驅動控制系統由PLC和變頻器及其圍輔助電路構成，圖1為6臺電機的控制系統的結構框圖。盾構機刀盤驅動系統采用西門子S7-400PLC為主控器件，采用施耐德Mxeco系列的PLUS250/3153Xpcs的變頻器為驅動器件。

圖1 刀盤驅動同步控制系統

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編碼器構成閉環矢量控制方式。旋轉編碼器的監測信號同時通過PLC得高速數據通道接PLC，從而形成速度雙閉環控制。

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

2 刀盤驅動控制方式

現有盾構/TBM刀盤變頻驅動的控制方式大致分為3種形式：V/F控制、開環矢量控制和閉環矢量控制。

目前所使用的盾構/TBM中海瑞克盾構、中鐵號盾構、LOVAT盾構、羅賓斯TBM及中鐵建盾構均采用開環矢量變頻驅動控制模式；WIRTH盾構和NFM盾構采用閉環矢量變頻驅動控制模式；日系盾構大多采用V/F變頻驅動控模式，如小松盾構、日立盾構等。

2.1 V/F控制

V/F控制方式的最基本原理是V/f=C的正弦脈寬調制模式，其特點是控制電路結構簡單、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速要求。

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

2.2 開環矢量控制

開環矢量控制也叫滑差式自適應控制或無速度傳感器的矢量控制，是V/F控制基礎上的改進方式，該方式可以根據電機負載自動調整電機的輸出電壓以保證電機磁通的動態恒定，從而提高電機的轉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）。以此來實現系統的均衡控制。

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，從而實現扭矩的協調的控制，系統設計為無級調速，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。

開環矢量利用電機的滑差特性實現力矩的均衡控制，具有結構簡單，控制、調試維護容易等特點,開環矢量充分發揮了電機本身的所具有的滑差特性。也是目前TBM和盾構變頻驅動的主要模式。

2.3 閉環控制

閉環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編碼器，并安裝在被控電動機的軸端。而且閉環磁通矢量控制方式與開環方式不同，通常只能控制1臺電動機。

系統通過PROFIBUS DP總線將幾臺變頻器連接，做旋轉方向、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，實現主從控制。簡而言之，系統采用“速度控制，扭矩跟隨”的控制模式。

3 盾構機刀盤驅動系統的同步控制算法

3.1 PID算法

目前大多數控制系統均采用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；

Ti——積分常數；

TD——微分常數。

對于PLC控制采用數字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，

KD——微分常數，

對于本系統偏差值為速度偏差。

位置算法有可能出現積分飽和出現超調，因此本系統采用增量式的PID算法，刀盤驅動控制的PID控制模型如圖3所示，PID算法如下。

圖3 刀盤驅動控制的PID控制模型

3.2 PID參數整定

采樣周器T為了減小系統的純滯后，同時又可有效的調節，采樣樣周期依據相關經驗推薦，對速度調節取為1～2s。本系統取T=1s。

采用擴充臨界比例度法確定比例系數、積分常數和微分常數。取控制度為1.05（即模擬控制效果與數字控制效果接近）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出現振蕩，此時的比例度為δu，振蕩周期為Tu。在計算機上利用系統控制模型進行仿真可方便地獲得Tu、δu。

3.3 算法實現

在s7-400有功能強大的PID調節器，并具有強大的PID算法編程指令。將PID參數和算式用s7-400PID算法指令進行編程。可簡單的實現增量式PID控制。

4 運行試驗

為了進一步研究盾構刀盤驅動同步控制的實現，以閉環矢量控制的方法控制多電機同步為例，對驅動刀盤進行了運行試驗。經過反復仿真試驗后取T=2s、Kp=0.5、Ti=0.3、TD=0.15作為初使參數對單臺電機空載進行PID調節（變頻電機單臺功率250kW），經過反復微調電機運轉良好，無振蕩、異常噪聲、調節時間短。

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測。監測的速度曲線如圖4所示。

由速度監測結果可以看出單臺電機速度波動很小（小于0.1r/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，同步性好。

圖4 電機速度實時監測

5 結 語

通過對盾構刀盤同步控制方法的研究和實驗，V/F控制、開環矢量控制和閉環矢量控制都能實現刀盤驅動電機的同步控制，但V/F方式在低頻時，由于輸出電壓較低，轉矩受定子電阻壓降的影響比較顯著，使輸出最大轉矩減小，及機械特性等方面的原因，其同步性控制方面不如開環矢量控制和閉環矢量控制；閉環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，因此在設備選型過程中，設計人員應嚴格按照工況選用合適的控制方式，確保既能滿足現場使用，又能減少投入。