提升鋼絲繩疲勞試驗臺及其電機同步方法研究

薛宇飛 ，寇子明

（1.太原理工大學 機械工程學院，山西 太原 030024；2.山西省礦山流體控制工程（實驗室）技術研究中心，山西 太原 030024）

1 引言

鋼絲繩具有承載能力大，彎曲柔韌性好的優點，廣泛應用于各種牽引作業及運輸等行業，在提升工況中其優勢更加突出。為避免由于鋼絲繩損傷與失效引起的安全問題，對鋼絲繩相關特性進行測試也是必不可少的環節。傳統鋼絲繩疲勞試驗臺按照其結構形式分為三種類型：立式、臥式以及加速式。其特點為鋼絲繩在一定運行范圍內做單向彎曲運動，且加載載荷較小[1-2]。為克服傳統鋼絲繩疲勞試驗臺相關缺點，設計了一種能較為真實的模擬提升機鋼絲繩實際作業工況下的彎曲疲勞損傷試驗裝置。

提升鋼絲繩疲勞試驗臺由驅動機構的兩臺三相異步電機提供驅動力。在眾多交流調速方式中，矢量變頻調速控制由于其具有良好的動、靜態性能，成為了目前最為熱門的研究方向之一[3-5]。針對本試驗臺驅動機構雙電機的轉速同步問題，提出了一種基于可編程邏輯控制器（PLC），利用矢量變頻調速進行控制的同步控制方法[6-8]。控制系統采用MatLab/SimuLink進行了模型建立與仿真，結果表明該控制系統可行、有效。

2 試驗裝置組成

提升鋼絲繩疲勞試驗臺以礦井提升系統為設計原型，較為貼近實際，可對鋼絲繩經過不同彎曲次數與彎曲曲率的疲勞損傷進行試驗與測試，此外，也可以利用相關檢測儀器對樣品鋼絲繩的振動特性與斷絲損傷進行測試與試驗。為考察提升鋼絲繩各種性能指標提供了一套較為全面的測試系統。該試驗臺由試驗臺臺架、電氣控制系統以及數據在線檢測系統等部分組成。

2.1 試驗臺臺架及工作原理

該測試系統試驗臺架配備有驅動機構、改向輪組、防跑繩裝置、垂直導向架、導向輪、提升容器等，其總體組成示意圖以及實物圖分別，如圖1、圖2所示。

圖1 試驗臺總體組成示意圖Fig.1 Schematic Diagram of the Overall Composition of the Test Bench

圖2 試驗臺實物圖Fig.2 Material Picture of the Test Bench

進行鋼絲繩彎曲疲勞試驗時，將樣品鋼絲繩穿入各機構，鋼絲繩一端與提升容器連接，根據實驗需要可對容器進行加載。為防止提升容器在工作過程中發生扭轉，將提升容器置于垂直導向架中，在導向架中可實現垂直方向的運動。提升鋼絲繩疲勞試驗臺通過驅動機構中的上、下兩臺三相異步電機提供驅動力，控制鋼絲繩的正、反運行及其運行速度，使得鋼絲繩出現磨損、斷絲等現象。當鋼絲繩運行速度超出其設定值時，防跑繩機構開始動作，進行鎖緊，防止鋼絲繩的繼續動作。

2.2 電氣控制系統

電氣控制系統采用PLC集控系統，可實現試驗臺的一體化控制。利用PLC集控系統操作的方便性，可根據各種試驗條件，設置相應的運行程序，準確地實現測試裝置的運行啟停、勻加速、勻減速、緊急制動等動作的協調控制。同時通過接入電氣控制系統的速度、鋼絲繩張力、回路壓力等信號對整套裝置的運行實現故障報警與緊急停止，保障了測試裝置的安全運行。此外，由于PLC通訊的便捷性與有效性，測試系統可以較為方便的接入鋼絲繩各種性能檢測設備，用以系統功能的擴展提供了平臺。

2.3 數據在線監測系統

通過安裝相關測試儀器，該試驗臺可實現鋼絲繩各性能與損傷，以及電機工作狀態的在線監測。

2.3.1 鋼絲繩彎曲性能與斷絲檢測

試驗臺可通過調整改向輪組的高度與水平位置來改變鋼絲繩的曲率半徑和彎曲次數，并由驅動機構帶動鋼絲繩不斷上提或下放不同的載荷配重，以模擬鋼絲繩的彎曲過程，以及可能產生的斷絲情況。利用檢測儀器進行在線檢測，實現對鋼絲繩相關數據的采集與分析。

2.3.2 張力與扭矩動態監測

在鋼絲繩靠近載重一端布置張力與扭矩傳感器，通過驅動機構帶動鋼絲繩進行不同狀態的運行，可以實時采集到在加減速上提、加減速下放、勻速上提或下放、緊急制動、正常啟動、防跑繩抓捕等不同運行狀態下鋼絲繩的張力與扭矩變化數據。

2.3.3 振動測試

將振動測試儀固定于所要測試的鋼絲繩段上，在提升鋼絲繩不同的運行狀態下，利用相關檢測儀器采集鋼絲繩上軸向和徑向的位移、速度、加速度等數據，得出相應的振動變化規律。

2.3.4 電機運行狀態監測

試驗臺在導向輪、改向輪組、電機處安裝了增量型旋轉編碼器，通過對三處的旋轉速度進行讀取與記錄，并利用PLC的高速計數功能，可實現鋼絲繩速度、運動行程的實時監測與控制。

3 驅動機構雙電機同步方法研究

驅動機構是本試驗臺最為核心的模塊，采用上下兩組鏈傳動機構來實現鋼絲繩的運動，即將其旋轉副轉化為鋼絲繩的前后直線運動。利用位于傳動鏈條中間的夾繩裝置，將傳動鏈上的摩擦塊與鋼絲繩充分接觸并產生穩定的正壓力，為鋼絲繩的直線運動創造初始條件。由上、下兩臺三相異步異步電機和減速器為試驗臺提供動力，電機配備有變頻器，使鋼絲繩的運動能夠實現一定速度范圍內的無極變速，并利用PLC程序調節來實現對不同運行工況的模擬。

3.1 雙電機同步傳動控制

由于電機制造原因，在實際使用中兩臺電機的參數不會完全相等。對于同一給定速度，兩臺電機的速度輸出會有一定差別，會對電機以及鋼絲繩造成一定損傷。針對這一問題，提出了一種基于PLC，利用矢量變頻調速進行控制的雙電機同步傳動控制方法。

為實現上電機與下電機的轉速同步控制，兩臺電機各自采用變頻器進行矢量變頻調速，并利用PLC對兩臺變頻器進行控制，其控制框圖，如圖3所示。

圖3 雙電機同步傳動控制原理框圖Fig.3 Block Diagram of Double Motor Synchronous Drive Control

系統啟動后，上電機以給定速度為目標，利用安裝在上電機處的旋轉編碼器采集其脈沖信號，將信號送至PLC高速計數模塊，以采集得到的速度數據與給定速度作為輸入量，進行比例積分（PI）控制運算，將運算所得結果作為輸出量送至PLC的D/A模塊，將數字量轉換為模擬量，從而控制上電機的變頻器，以達到轉速要求；對于下電機，在此閉環控制系統中，以上電機的速度為目標，輸入量為上、下電機處安裝的旋轉編碼器所測得的速度信號數據，其處理方式與上述方式相同，這樣，就可以保證下電機速度跟隨上電機速度的變化而發生變化，使兩個電機的速度保持同步。

3.2 矢量變頻調速控制

該同步傳動控制系統采用了矢量變頻調速控制的思想對三相異步電機進行調速。該控制思想的基本思路，是以產生同樣的旋轉磁場為準則，建立三相交流繞組電流、兩相交流繞組電流以及兩相同步旋轉坐標系上的直流電流之間的等效關系，并對等效的直流電流加以控制，從而將交流電機解析為直流電機，以達到其控制效果[9-10]。

三相異步交流電機在兩相同步旋轉坐標系（d-p坐標系）上的數學模型為：

當此坐標系軸沿著轉子磁鏈方向時，ψrm=ψr，ψrt=0，則得：

式中：ωe—同步轉速；ωr—轉子角頻率；ωs—轉差角速度；Tr—轉子時間常數；np—極對數；Rs、Rr—定子、轉子電阻；Ls、Lr、Lm—定子、轉子電感及定子與轉子之間的互感；p—微分算子；ψr—轉子磁鏈。

通過如上變換，三相異步電機可獲得類似直流電機的動態特性，并可按照直流電機的控制方法進行調速控制。

3.3 雙電機同步控制仿真分析

對于以上所述的雙電機同步傳動控制思想以及矢量變頻調速方法，采用MatLab/SimuLink進行了模型建立與仿真。其仿真模型，如圖4所示。如圖所示的控制系統仿真模型中，其主電路由直流電源、逆變器、電機以及電機測試模塊組成，逆變器的驅動信號由滯環脈沖發生器產生。其中轉速調節器、轉矩調節器與磁鏈調節器均是比例積分（PI）調節器。

控制系統具體仿真參數設置為：逆變器直流電源510V，電機380V、50Hz兩對磁極，定子、轉子繞組自感0.071Mh，漏磁系數0.056，模型仿真采用Ode23tb算法。

圖4 系統仿真模型圖Fig.4 System Simulation Model

系統給定轉速1400r/min，給定磁鏈1.5Wb，空載啟動，0.6s時加載40N·m，1.5s時對下電機施加一時長為0.1s的外部干擾，2.5s時將系統給定速度調整為1200 r/min，仿真時間為3s，系統仿真結果，如圖5所示。

圖5 控制系統轉速仿真結果Fig.5 Speed Simulation Results of Control System

分析仿真結果，可得出以下幾點結論：

（1）在矢量控制下，系統啟動速度調節短，上下兩電機轉速曲線上升平穩，分別于0.41s與0.43s增加至給定速度，0.6s時兩電機加載后轉速有小幅下降，但立即恢復穩定，說明下電機跟蹤上電機轉速性能好，調節時間短，在啟動與穩態時都表現出很強的跟隨性；

（2）下電機在1.5s受到外部干擾時速度有明顯下降，但在擾動消除后能迅速調整并跟隨上電機轉速，說明在矢量轉速閉環控制下，下電機有較強的抗干擾能力，能在較短時間內迅速跟蹤上電機轉速，達到同步狀態；

（3）2.5s系統給定速度變化時，上、下電機分別于2.54s與2.55s調節至給定速度，表明系統在調速狀態下，兩電機都能及時的根據給定速度進行調節，且說明下電機在調速時也能表現很強的跟蹤性能。

綜上所述，兩電機啟動速度快，調節時間較短，且穩定后轉速能迅速收斂到給定值，轉速超調量小且穩態誤差小。此外，下電機轉速跟隨性能好，且轉速調節時間短，無論是啟動、加載、施加外部干擾以及調速時都表現出了較強的跟隨性能與抗干擾能力。說明該雙電機同步傳動控制系統具有優良的動、靜態性能，從而驗證了本控制系統設計的正確性。

4 結論

（1）提升鋼絲繩疲勞試驗臺克服了傳統鋼絲繩疲勞試驗臺加載載荷較小、只能在一定運行范圍內做單項彎曲運動等缺點，可通過給定不同的試驗參數與條件來進行提升鋼絲繩疲勞與失效行為試驗，并通過相關檢測儀器對數據進行分析，從而可以對鋼絲繩進行更加科學的測試與試驗。

（2）針對驅動機構特點，提出了一種基于PLC控制，利用矢量變頻調速控制的雙電機同步方法，建立了MatLab/SimuLink仿真模型，仿真結果表明上、下兩臺電機同步傳動效果好，調速性能與抗干擾能力強，動、靜態性能優良，該控制系統的設計是可行且有效的。