多电机驱动带式输送机主从控制策略研究

多电机驱动带式输送机主从控制策略研究
【摘要】介绍了主从控制的连接方式及主从控制基本原理，详细分析了刚性连接方式主从控制对扭振的抑制能力，并基于Matlab/Simulink仿真平台对刚性连接方式的主从控制策略进行了仿真研究，仿真结果验证了主从控制策略的正确性和有效性。

【关键词】带式输送机多电机驱动主从控制功率平衡
1 引言
带式输送机具有长距离、大运量、连续输送等优点，且运行可靠，易于实现自动化和集中控制，是目前煤炭高效开采机电一体化技术与装备的关键设备。

随着高效开采工艺的发展，带式输送机向着长距离、大运量、高带速、大功率的大型化方向发展[1，2，3]。

大型带式输送机线路长、运量大，使得单条带式输送机的装机功率越来越大，以致单台电机已不能产生带式输送机所需的驱动力。

因此，现场大型带式输送机的驱动装置多采用多电机多点驱动的方式，这样可以在很大程度上减少皮带所需强度，降低企业生产成本，降低电网电压的峰值，同时也有利于设备的小型化，提高企业经济效益。

由于输送带的粘弹性性质和各种阻力的作用，带式输送机的驱动控制系统是一个复杂的机电系统[4]。

其中存在一个关键问题，即带式输送机的功率平衡控制问题。

针对多电机驱动带式输送机需要协调控制的特点，对进行变频调速的多台变频器采用主从控制技术，即可实现各电机之间的功率平衡，并能有效减小启动电流冲击及机械冲击，降低企业生产成本，提高煤矿生产效率。

本文以ABB 公司ACS800系列变频器为例介绍了主从控制的连接方式及主从控制基本原理，详细分析了刚性连接方式主从控制对扭振的抑制能力，并基于Matlab/Simulink 仿真平台对刚性连接方式的主从控制策略进行了仿真研究，仿真结果验证了主从控制策略的正确性和有效性。

2 主从控制策略的基本原理
主从控制是指以需要同步的几个驱动单元中的一个驱动单元的相关参数作为其他驱动单元的跟踪对象而进行控制并达到同步驱动的控制形式。

即选择驱动系统中的一台电动机作为主机，其余电动机作为从机。

主机以用户给定的速度等给定值作为参考值，在运行过程中跟踪系统给定值；从机不再跟踪系统给定值而是以主机的转矩等输出值作为自己的参考值，在运行过程中跟踪主机的相关参数。

这样，多台电机并不是分别跟踪系统的给定值，而是从机跟踪主机，使得多台电机实现同步协调控制和功率平衡。

2.1 主从控制系统连接方式
在多电机主从控制系统中，传动系统由几个驱动单元共同驱动，各驱动单元
的电动机轴通过不同的方式相互连接。

其连接方式分为两种：刚性连接和柔性连接，本文主要分析刚性连接方式。

所谓刚性连接，是指几个不同电动机轴之间通过减速器、齿轮、链条等硬连接方式进行连接的。

在这种连接方式中，只要其中一台电动机运行，另外一台或几台电动机也将被动运行，主机和从机的机械结构连接保证了速度同步，如图1所示。

2.2 主从控制原理
ABB公司ACS800系列变频器主从控制技术的核心控制原理是直接转矩控制。

当主从机为刚性连接时，主机采用速度控制模式，从机采用转矩控制模式。

图2为主从机为刚性连接时，从机跟随主机转矩给定的控制原理图。

主机采用速度控制模式，从机采用转矩控制模式。

主机转速控制器比较转速给定值与编码器实测的转速实际值，通过PI调节器得到初始转矩给定值，该初始值经过频率限幅、直流电压限幅、功率限幅和转矩限幅后，得到最终转矩给定值。

该转矩给定值在转矩滞环比较器内同转矩实际值进行比较，同时定子磁链给定值在磁链滞环比较器内同定子磁链实际值进行比较，就可以得到最优的PWM 开关信号，并通过驱动逆变器的开关器件达到调节电机转速的目的。

与此同时，主机速度控制器得到的最终转矩给定值同样作为从机的转矩给定值，使得主从机能够均衡分配负载，实现功率平衡。

由于从机采用转矩控制模式，那么从机的转速将由主机速度和机械耦合度共同决定。

当主从机机械耦合度较高时，从机速度能够与主机保持一致；当主从机机械耦合度较低时，从机速度将不能与主机保持一致。

此时，从机的实际负载转矩将由于机械原因而减小，从机的实际负载转矩将小于来自主机的最终转矩给定值，这将导致从机转速迅速升高，直到达到其转速的限幅值，如图3（a）所示。

这样，从机控制模式将由转矩控制模式变为速度控制模式，从机转速限幅值为其速度给定值。

在实际应用中，在从机速度环增加窗口控制功能（Window Control）以防止出现上述情况，窗口控制功能原理如图3（b）所示。

当主从机机械耦合度变差时，从机转速升高，当其超过窗口控制功能所设定的转速范围后，窗口控制功能将激活从机转速控制器中的PI调节器输出转矩给定值，并将该转矩给定值与主机转矩给定值的和作为新的从机转矩给定值，以此来保证从机转速被限制在窗口控制功能设定的限制范围之内。

3 扭振抑制能力分析
对于刚性连接场合，主从机机械轴通过减速器连接在一起，如果主从机距离较远且机械轴细而长，则传递扭矩所需的扭转角将变大，使得机械轴两端瞬时转速和转角不同而导致扭振。

图4所示的传动系统是最常见的情况，两台电动机通过减速器和机械轴联在一起，下面以它为例进行分析。

3.1 功率平衡控制系统
主从控制系统连接方式选为刚性连接时，功率平衡采用转矩控制模式即从机跟随主机转矩给定的控制系统，从机转速调节器输出无效，主机转速调节器的输出转矩作为主、从机共同的转矩给定，称为经转矩环功率平衡控制系统，如图5所示。

3.2 扭振抑制能力
4 仿真结果和分析
多电机驱动带式输送机功率平衡控制系统是一个复杂的机电控制系统，本文仅从控制算法角度对刚性连接的两电机驱动系统进行仿真，对于外特性不同的两台电机，通过观察应用主从控制策略的效果，即两台电动机是否能够功率平衡，以此来验证多电机驱动带式输送机主从控制策略实现功率平衡的正确性和有效性。