煤礦井下排水泵的雙電機同步控制策略分析

郭衛風

(國能神東煤炭集團有限責任公司石圪臺煤礦，陜西 榆林 719000)

0 引言

隨著現代大型煤礦資源的開發越來越困難，對煤礦井下排水系統的安全運行、水源的合理配置、節能降耗的要求越來越高。水泵是排水系統中的主要設備之一，隨著多電機控制技術的快速發展，水泵機組多電機同步控制系統的控制策略和控制算法已成為許多學者的研究內容[1-3]。目前大型礦用水泵電機工作條件十分的艱難，其自身的結構設計技術水平也具有一些局限性，在實際工程作業時，經常會導致大量的能量損失，使得實際揚程降低，從而嚴重影響水泵工作效率[4-8]。

針對單臺水泵電機的控制已無法滿足煤礦井下自動化生產要求的現狀，提出將雙電機控制技術應用在礦井工作當中，設計一個雙電機泵裝置。在煤礦井下排水系統中，采用雙電機拖動水泵的裝置來滿足排水過程中高揚程高效率的要求，對雙電機同步性能要求更高。因此，分析由2個永磁同步電動機組成的同步控制系統及其優化的同步控制算法，以實現2臺電機的同步協調控制。

1 機械同步控制方法

1.1 工作原理

機械同步方法是用于控制2個或更多個電動機的最傳統的控制方法。機械同步控制方式的主要原理是在該系統中建立高功率電動機作為控制系統的主電動機；通過驅動系統中剩余電動機的運行，實現電動機的多軸同步控制。當單元上的負載突然增大時，該單元產生相反速度的扭矩，并且扭矩通過變速器傳遞到機械主軸。由于所有單元的輸入信號是機械總軸的旋轉角速度，因此剩余單元的速度也將隨著總機械軸速度而變化。當負載變化時，與其直接連接的單元的速度發生變化，其他單元處于機械總軸的作用下，速度也會改變。因此通過機械總軸的協調，電動機將從非同步狀態變為同步運行狀態。

1.2 不足之處

盡管機械同步方式廣泛應用于煤礦井下排水系統的雙電機泵的設計中，但此種方案仍有許多不足之處[9-11]。采用單臺電動機拖動負載，單元的負載受到了限制。由于機械總軸的固有彈性受到限制，機械總軸的最大輸出扭矩與軸的橫截面積成正比；與總軸長度成反比，電機距離較遠時需增大總軸的橫截面積，從而保證機械總軸拖動負載時所需的扭矩，提高了系統的成本，且機械總軸容易產生振蕩現象。當諧振頻率低時，系統的穩定性將受到影響；當需要調節轉速比的時候，只能采取更換齒輪的方式，不夠靈活。此外，所有的機械單元通過齒輪箱連接在一起，其結構相對固定。鑒于機械同步控制方法的上述缺點，電子同步控制方法逐漸發展并廣泛應用于生產和生活中。

2 電子同步控制方法

2.1 并行控制方式

并行(并聯)控制出現較早，屬于一種同步控制，其結構如圖1所示。系統中的2個電機為并聯關系，具有相同的速度值，然后通過控制器串聯。反饋控制是單獨實現的，因此每個電機及其逆變器和控制器形成一個閉環系統。

并行(并聯)同步控制系統的優點在于該系統在電機啟動和停止階段具有良好的同步性能，但通過觀察其框圖，整個控制系統實際上等同于開環控制系統。將系統的仿真模擬時間設置為0.5 s，2臺電機均在空載時啟動，2臺電機的輸入速度在啟動時為500 r/min；在0.15 s時，給第1臺主動電機加負載轉矩10 N/m，令第2臺從動電機保持空載狀態；在0.3 s時，系統給出的步進輸入從500 r/min變為400 r/min，仿真曲線如圖2所示。可以看出，在0.15 s時，由于2個電機驅動的負載并不平衡，第1臺主動電機的轉速降低，第2臺從動電機的轉速不變，第2臺從動電機不能跟隨第1臺從動電機轉速的變化而變化，并且在速度突然下降的情況下，2個電機之間存在的同步誤差大，最高可達25 r/min，如圖2(c)所示。在穩定狀態下，2個電機之間仍然存在同步誤差。因此，在實際工業生產應用中，并聯控制結構無法實現同步輸出的速度。

圖2 仿真曲線Fig.2 Simulation curve

2.2 主從控制方式

由于并聯控制就像2個電機使用相同的輸入信號進行控制，但是2個電機之間沒有直接的邏輯關系連接，系統很容易被干擾，控制精度會因此受到相應的影響。如圖3所示，在以并行控制為基礎的前提下，改進了主從控制，其基本思想是其中一個電機用作主軸，另一個用作從軸。速度信號只在主軸上輸入，主軸的輸出信號則輸入到從機。在此控制策略下，無論主電動機的速度或負載如何變化，從電機都能根據變化及時作出反應。這在一定程度上滿足了高速和高精度的要求。但是，如果轉速由于電動機的干擾而發生改變，主電動機不能跟隨電動機的變化而發生相應的變化。因此，這種同步控制方式不能夠滿足工程需要。

圖3 主從控制結構框圖Fig.3 Block diagram of master-slave control structure

同樣，設定系統的模擬時間為0.5 s，2個電機都保持空載啟動。在0.3 s時，系統給出的步進輸入從500 r/min變為400 r/min，仿真曲線如圖4所示。由得出的仿真結果圖可知，當由于自身原因或外部原因而產生的主電機的轉速值發生波動時，其從電機的操作命令將會以自身的變化反映出主電機更換或有所改變。根據圖5所示，電機會產生高達40 r/min的同步誤差，在系統開始啟動時其主電機速度將會發生突變。擾動只會產生單項影響，具體表現在當轉速受電機擾動干擾時主電機不會跟隨同步電機變化。因此可知，該策略并不適用于工程應用中要求的多工況，只適合少部分具有明顯主從關系的場合。

圖4 系統仿真全過程Fig.4 The whole process of system simulation

圖5 從電機加載時電機轉速響應Fig.5 Motor speed response diagram when the slave motor is loaded

2.3 偏差耦合控制方式

偏差耦合控制方式并非是將電機之間的位置或是速度差值，當作全部電機的反饋補償，從而改善軸之間的協調性能，而是關聯了一個電機的自狀態和其他電機的自狀態，其所需要的速度控制精度，通常情況下也較為合理，如圖6所示。但由于該種控制策略的計算量比較大，運算過程復雜，不適用于位置同步要求高的場合。

圖6 偏差耦合控制結構框圖Fig.6 Block diagram of deviation coupling control structure

2.4 交叉耦合控制方式

交叉耦合控制策略結構如圖7所示。其仍然選擇2個使用相同輸入信號的電機，以保證2個電機能同時對輸入信號作出響應，并輸入補償器。該補償器可通過對2個信號進行相關的算法應用，以得到補償信號。最后，給2個電機分別反饋補償信號。該方式不僅保證了2臺電機同時接收給定的信號并作出相應的響應，而且2臺電機間的差值也得到了相應地校正，系統同步性能良好。交叉耦合控制可以很好地控制2個受控對象的精度。

圖7 交叉耦合控制結構框圖Fig.7 Block diagram of cross-coupling control structure

系統動態響應仿真曲線如圖8所示。模擬時間設定為0.5 s，2個電機均在空載時啟動，給定電機的輸入速度在開始時為500 r/min。在0.15 s時，給主動電機的負載轉矩為10 N/m，令從動電機保持在空載狀態。在0.3 s時，系統給出的步進輸入從500 r/min變為400 r/min。

圖8 系統動態響應Fig.8 System dynamic response diagram

在系統啟動初期，主電機與從電機兩者起始運轉速度同步。此時，若出現附加的負載擾動或當前速度發生突變時，將會導致之前一致的速度產生一定的差異，經仿真可得最大差異值為4 r/min。0.3 s左右，速度值下降100 r/min，當超過0.015 s后，系統再次恢復穩定狀態。進入穩定狀態后，其轉速誤差的穩態值維持在0.05 r/min范圍內。因此可得出交叉耦合同步控制結構的同步性能較為優良。

可以看出，不管是哪種同步控制策略，都有其對應的優點和缺點。系統啟動期間產生的波動不會影響后續過程的測量結果，因此在選擇控制方法時，應首先確保系統的穩定性。

3 雙電機同步控制方式的選擇

并聯控制方式結構比較簡單，無干擾時同步精度高，但是其抗干擾性能較弱，控制精度在緊急情況下不夠準確。從電機跟蹤滯后的問題，僅靠主從控制系統的結構不能夠被解決。即便是移位法，也難以消除這些問題。與前3種控制策略相比，在雙電機同步控制系統中，交叉耦合控制方法更為合適，可以保證較小的相位差。經研究和分析，比較上述4種常用的雙電機電同步控制方法的優缺點，見表1。綜合分析可得，交叉耦合同步控制策略可以更好地滿足系統所需的同步性能。

表1 4種同步控制方法的優缺點Table 1 Advantages and disadvantages of four synchronous control methods

4 結論

(1)為研究2臺電機的協同運動過程，主要針對并行控制、主從控制以及交叉耦合控制這3種控制結構下的雙電機控制系統進行了分析。

(2)并行控制雖然控制方式比較簡單，無干擾時同步精度高，但是其抗干擾性能較弱，控制精度在緊急情況下不夠準確。

(3)通過仿真研究得出交叉耦合同步控制策略優于其他控制策略，可以更好地滿足系統所需的同步性能。