永磁同步直驅式帶式輸送機多電動機功率平衡控制策略

黃海飛

(中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司， 太原 030006)

0 引言

1 永磁同步直驅帶式輸送機

1.1 基本結構介紹

永磁同步直驅帶式輸送機滾筒布置結構以圖1為例，驅動電動機與滾筒直接互聯并通過摩擦力直接驅動帶式輸送機運行。

圖1 永磁直驅式帶式輸送機結構

圖1所示為3臺永磁同步電動機(Permanent magnet Synchronous motor，PMSM)直接驅動負載的帶式輸送機結構，PMSM1與PMSM2為剛性連接，直接驅動滾筒A；PMSM3直接驅動滾筒B；滾筒A與滾筒B之間為柔性連接，由輸送帶互聯。PMSM1、PMSM2以及PMSM3的額定功率、基本參數相等，共同驅動帶式輸送機實現物料、煤料的運輸。

1.2 基本原理分析

對帶式輸送機多電動機功率平衡控制時采用自抗擾控制技術(Auto-disturbance Rejection Controller，ADRC)，將帶式輸送機前后滾筒的PMSM1、PMSM3、PMSM3的不確定因素視為未知擾動，對輸入、輸出參數進行相應的控制后便可對未知擾動進行精確估算和實時補償，消除控制誤差。ADRC由跟蹤微分器TD、擴張狀態觀測器ESO、非線性狀態誤差反饋控制規律NLSEF三部分組成，TD可有效改善傳統控制系統存在的初始誤差較高、超調嚴重的問題，如假設系統誤差為e=v-y，其中v為設定值，y為輸出值。采用TD后，可對設定值v合理過度至v1(t)，由TD對微分信號進行提取，系統誤差可調節為e=v1(t)-y，達到減小誤差、降低超調的目的[6-7]。ESO可解決傳統PID控制器無法對控制系統進行實時估計的問題，將控制系統的所有擾動視為控制系統的一種狀態，無需進行擾動類別的識別和測量。ESO只根據控制系統的輸入、輸出信號就可構建控制系統原態和擴張態，完成對控制系統的補償。ELSEF即利用非線性函數fal、fhan解決傳統PID控制器控制量誤差非最優的問題，如fal函數可表示為式(1)：

(1)

由式(1)可知，α越小，控制系統的跟蹤速度越快，但濾波效果越差；δ越大，濾波效果越好，但跟蹤速度較差；且α<1時，fal函數具有小誤差、大增益或者大誤差、小增益的特性，有效抑制控制系統的穩態誤差。

自抗擾控制器中的NLSEF誤差增益系數β在外部干擾較大時智能依靠控制經驗進行手動調節，因此引入模糊控制理論對NLSEF參數進行模糊整定，達到ADRC參數實時修正的目的。模糊自抗擾控制器原理如圖2所示，電動機的誤差e以及誤差變化率ec作為模糊控制器的輸出為NLSEF的整定參數Δβ。

圖2 模糊自抗擾控制器原理

2 功率不平衡問題分析

定義帶式輸送機負載率為電動機實際輸出功率與額定功率之比，則只要確保各電動機的負載率相等即可達到多電動機功率平衡的目的。定義PMSM1、PMSM2以及PMSM3的實際輸出功率、額定功率分別為P1、P2、P3、PN1、PN2以及PN3，理想負載率為ξN，實際負載率為ξi，則得式(2)、式(3)：

(2)

(3)

當多電動機功率平衡時，滿足式(4)：

ξN=ξii=1,2,3

(4)

定義帶式輸送機電動機的功率不平衡度為Ωi，可表示為式(5)：

(5)

由電動機運動方程可知，影響帶式輸送機電機功率不平衡的因素主要有輸送帶寬度、輸送帶彈性模量、輸送帶阻力、輸送帶與滾筒的應變差、滾筒半徑以及電動機定子電流頻率[8]。

3 多機功率平衡控制策略研究

3.1 轉矩分配

3臺永磁同步電動機驅動的帶式輸送機驅動電動機功率分配按照式(6)進行：

(6)

式中:Pi為永磁電動機1/2/3分配的給定功率；Pei為永磁電動機額定功率；P為負載功率，且滿足P=P1+P2+P3；n為永磁同步電動機數量，數值為3，且滿足永磁同步電動機1/2/3的型號、參數完全相同。

3臺永磁同步電動機帶式輸送機系統運行時滿足式(7)：

(7)

式中:P1、P2以及P3為3臺永磁同步電動機各自的輸出功率，單位為kW；T1、T2以及T3為各永磁電動機的電磁轉矩，單位為N·m；ω1、ω2以及ω3為各永磁電動機的角速度，單位為rad/s。帶式輸送機運行時，在保證3臺永磁同步電動機轉速相等時，對電動機電磁轉矩T進行控制即可完成負載功率均衡分配，可表示為式(8)：

(8)

式中:T為帶式輸送機負載轉矩，Tei為各永磁同步電動機的額定電磁轉矩，單位為N·m。根據圖1，設定PMSM1為主運動電動機，PMSM2以及PMSM3為從運動電動機，則3臺永磁同步電動機轉矩分配可表示為式(9)：

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(9)

當帶式輸送機的PMSM1、PMSM2以及PMSM3的型號、參數一致且滾筒A、滾筒B負載分配比例為2∶1時，K=1。

3.2 功率平衡控制

以雙滾筒三電動機煤礦井下帶式輸送機為例，基于偏差耦合結構對3臺永磁同步電動機的轉速、電流進行采集、控制并經Clark、Park坐標變換后得到三電動機的轉矩電流值iq，通過iq標識三電動機輸出功率，達到帶式輸送機三電動機功率均衡分配的目的。永磁同步直驅式帶式輸送機偏差耦合控制系統如圖3所示[9-10]，實時采集、檢測3臺電動機的轉速、電流，同時利用補償器將非本臺電動機的轉矩電流偏差值補償至本電動機并對電動機轉速進行調節，使得3臺電動機的運行工況一致、同步并達到功率平衡控制。

圖3 3臺永磁同步電動機直驅的帶式輸送機偏差耦合控制系統

基于偏差耦合結構的帶式輸送機多電動機功率平衡過程為：當任意一臺永磁同步電動機的負載發生變化時，PMSM1、PMSM2以及PMSM3的轉矩電流會存在偏差，3臺電動機輸出功率出現不平衡；對其余2臺PMSM的轉矩電流與本臺PMSM轉矩電流進行比較并利用補償器對電流偏差值進行補償；基于電流偏差值實現對PMSM轉矩電流的動態調節。PMSM1、PMSM2以及PMSM3轉矩電流可形成耦合環，轉矩電流偏差與轉速偏差補償可互為補充，從而使得轉矩電流實現動態平衡，最終實現PMSM1、PMSM2以及PMSM3功率負載均衡分配。

圖4所示為PMSM1的偏差耦合補償器結構，即PMSM1的負載變化或者擾動較大時，轉矩電流值與PMSM2、PMSM3的轉矩電流值會存在較大偏差，基于圖4偏差耦合補償器結構，將轉矩電流偏差值補償至其他2臺電動機，并在3臺電動機之間形成耦合環，實現三電動機負載均衡分配，提升系統抗干擾能力，即將PMSM1的轉矩電流偏差分散至PMSM2以及PMSM3中，使得三電動機驅動系統運行狀態保持一致，輸出為Δω。

圖4 偏差耦合補償器結構

4 多機功率平衡控制系統仿真

為驗證3臺永磁同步電動機直驅的帶式輸送機偏差耦合控制系統，根據圖3控制系統原理搭建仿真模型，并對設計的多電動機功率平衡控制系統的正確性、有效性進行驗證。PMSM1、PMSM2以及PMSM3的額定功率相等，定子電阻分別為0.05 Ω、0.054 Ω、0.058 Ω，采用模糊ADRC控制算法完成帶式輸送機三電動機功率平衡方案仿真對比以及空載啟動、帶載啟動仿真試驗。

4.1 功率平衡方案仿真對比

帶式輸送機空載啟動后，給2臺電動機添加初始負載80 N·m，0.4 s時將電動機2的負載增加至120 N·m，電動機1的負載保持不變，分別采用無模糊ADRC控制功率平衡方案和有模糊ADRC控制功率平衡方案完成仿真，轉矩波形曲線如圖5、圖6所示。由圖5和圖6仿真結果可知，無功率平衡控制方案時，系統不會進行負載分配，電動機輸出轉矩不均衡；采用功率平衡控制方案后，2臺電動機負載變化且不一致時，輸出轉矩能夠保持一致，首先負載均衡分配。

圖5 無功率平衡方案電動機轉矩波形

圖6 有功率平衡方案電動機轉矩波形

4.2 空載啟動仿真

圖7 空載啟動轉矩波形

圖8 空載啟動電流波形

4.3 帶載啟動仿真

帶式輸送機帶載啟動，初始負載為85 N·m，運行至0.3 s時增加負載180 N·m，PMSM1、PMSM2以及PMSM3的轉矩曲線、電流曲線見圖9、圖10。在0.3 s時，帶式輸送機負載突然增加時，3臺電動機的轉矩、電流能夠在短時間內快速響應并達到穩態，且始終保持Te1=Te2=Te3、i1=i2=i3，保證3臺電動機處于平衡狀態，實現3臺電動機負載均衡分配。

圖9 帶載啟動轉矩波形

圖10 帶載啟動電流波形

由帶式輸送機空載啟動、帶載啟動仿真試驗表明，基于偏差耦合結構的三電動機功率平衡控制策略能夠實現帶式輸送機前后電動機的負載均衡分配，按照控制系統分配比例均衡驅動，防止單電動機出現過載、過流現象，實現多機功率平衡控制。

5 結論

1) 對礦用永磁同步直驅式帶式輸送機結構進行分析，由剛性+柔性連接的PMSM1、PMSM2以及PMSM3組成。

2) 對模糊自抗擾控制技術基本原理進行分析，能較好地解決帶式輸送機多電動機控制系統存在外部干擾大、無法建立精確模型的問題。

3) 在分析帶式輸送機多電動機控制系統功率不平衡因素的基礎上，以偏差耦合結構為基礎，基于模糊自抗擾控制技術設計多電動機功率平衡控制策略。

4) 基于設計的多電動機功率平衡控制策略，完成空載、帶載仿真，試驗結果驗證了所設計控制策略的正確性和可用性。