CN107623407A - 一种永磁电机驱动的高可靠性传动系统及无传感器控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种永磁电机驱动的高可靠性传动系统及无传感器控制方法，该系统包括壳体，内置式永磁同步电机，弹性扭矩轴，减速传动系统，截割滚筒，所述减速传动系统由三级人字形齿轮和相应扭矩轴系和轴承组成，所述三级人字形齿轮中的第一级大齿轮和小齿轮之间有惰轮，第三级大齿轮和小齿轮之间有惰轮，所述弹性扭矩轴置于内置式永磁同步电机与第一级小齿轮之间，所述截割滚筒与第三级大齿轮通过轴连接；所述无传感器控制方法是通过观测器法观测电机电流，得到电机转子的位置和速度信息。本发明通过采用内置式永磁同步电机，降低了电机输出速度，省去了行星齿轮，缩短了传动链，大大节约了能源，降低了采煤机截割部故障率，增加了其可靠性，测量结果准确。
Description
技术领域
本发明涉及一种传动系统及其控制方法，特别是一种永磁电机驱动的高可靠性传动系统及无传感器控制方法。
背景技术
煤炭是我国的主体能源，在我国经济社会发展中具有重要的战略地位。采煤机作为现代化矿井安全、高效生产的主要机械设备，正受到越来越多的关注。现有采煤机由于截割部传动链长、传动元件多，使得截割部机电传动系统成为采煤机薄弱部分。尤其在对硬煤进行强硬截割过程中，截割部齿轮受到来自滚筒所传递的重载、强振、冲击载荷作用，截割摇臂作为一个结构复杂的串联动力传动链，其中任一齿轮失效将导致整机停止工作，据统计行星齿轮系统故障占到整个齿轮传动故障的30％，同时机械式传感器的引入不仅会增加电动机转轴的转动惯量，降低了机械性能，而且加大了永磁同步电机的尺寸和体积，同时还增加了外围硬件线路的连接，使系统易受干扰和不稳定。综上所述，现有采煤机主要存在如下不足：一、传动链过长，采用高故障率的行星齿轮作为传动元件，易产生故障。二、机械式传感器的使用，增加了电机的体积和成本，同时测量结果易受周围恶劣环境影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种永磁电机驱动的高可靠性传动系统，该系统缩短传动链，更好的节约能源，有效降低系统故障率。使用该方法实现截割煤岩工作，可以缩小截割电机的体积和成本，同时增加系统的可靠性和适应性，测量结果准确。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种永磁电机驱动的高可靠性传动系统，包括壳体、内置式永磁同步电机、弹性扭矩轴、减速传动系统和截割滚筒，所述减速传动系统包括第一级小齿轮，第一级小齿轮扭矩轴支撑轴承，第一级小齿轮扭矩轴，第一级惰轮，第一级惰轮扭矩轴支撑轴承，第一级惰轮扭矩轴，第一级大齿轮，第一级大齿轮扭矩轴支撑轴承，第一级大齿轮扭矩轴，第二级小齿轮，第二级大齿轮，第三级小齿轮，第三级小齿轮扭矩轴支撑轴承，第三级小齿轮扭矩轴，第三级惰轮，内置式永磁同步电机输出轴与第一级小齿轮扭矩轴通过弹性扭矩轴连接，所述第一级小齿轮与第一级惰轮啮合，所述第一级惰轮与第一级大齿轮啮合，所述第一级大齿轮与第二级小齿轮同轴连接，所述第二级小齿轮与第二级大齿轮啮合，所述第二级大齿轮与第三级小齿轮同轴连接,所述第三级小齿轮与第三级惰轮啮合,第三级惰轮与第三级大齿轮啮合,所述第三级大齿轮与截割滚筒同轴连接，所述内置式永磁同步电机设置有电流传感器，所述电流传感器与采煤机的控制器相连。
进一步，所述第一级惰轮扭矩轴通过第一级惰轮扭矩轴支撑轴承安装在第一级惰轮上。
进一步，所述第一级小齿轮通过第一级小齿轮扭矩轴支撑轴承安装在壳体上。
进一步，所述第一级大齿轮与第二级小齿轮通过第一级大齿轮扭矩轴同轴连接，并通过第一级大齿轮扭矩轴支撑轴承安装在壳体上。
进一步，所述第二级大齿轮与第三级小齿轮通过第三级小齿轮扭矩轴同轴连接，并通过第三级小齿轮扭矩轴支撑轴承安装在壳体上。
进一步，所述第三级惰轮扭矩轴通过第三级惰轮扭矩轴支撑轴承安装在第三级惰轮上。
进一步，所述第三级大齿轮扭矩轴通过第三级大齿轮扭矩轴支撑轴承安装在壳体上。
一种永磁电机驱动的高可靠性传动系统的无传感器控制方法，包括以下步骤：
步骤S1，流程开始，首先整机启动，内置式永磁同步电机作为驱动源，经过弹性扭矩轴，减速传动系统将动力传递给截割滚筒，截割滚筒旋转带动截割刀对煤壁进行切削，根据需求的块煤率的要求，确定合适的煤壁切削的厚度，经过n＝100Vq/mhmax公式计算得到理论切削速度，即切削速度的期望值，记为n；
步骤S2：内置式永磁同步电机上的电流传感器测得电机电流，控制器将内置式永磁同步电机的电流作为反馈值，对其进行Clark和Park变化后，进入模糊滑模观测器并通过锁相环技术得到切削速度的观测值，记为
步骤S3：控制器将采煤机切削速度的期望值和切削速度的观测值相减，将Δn的值与预先手动设定的范围进行比较，若在设定范围内，则进行步骤S5；若超出设定范围，则进行步骤S4；
步骤S4：在控制器上手动进行速度和电流PI控制器调节；
步骤S5：按期望值实现采煤机永磁截割系统的无传感器控制，流程结束。
与现有采煤机截割技术相比，本发明采用低能耗内置式永磁同步电机作为驱动源，经过弹性扭矩轴，减速传动系统将动力传递给截割滚筒，采用无传感器控制方法，省去了机械式传感器的引入，实现截割采煤工作，可以更好的节约能源，由于电机输出速度较低，省去了行星齿轮减速器，可以有效降低故障率。所述内置式永磁同步电机具有低速度，大扭矩，低能耗的特点，降低了电机输出速度，所述减速传动系统由三级人字形齿轮和相应扭矩轴系和轴承组成，缩短了传动链，通过无传感器控制方法实现截割煤岩工作，可以缩小截割电机的体积和成本，同时增加了系统的可靠性和适应性，测量结果准确。
附图说明
图1为本发明永磁电机驱动的高可靠性传动系统的结构示意图，
图2本发明永磁电机驱动的高可靠性传动系统无传感器控制方法流程图，
图3本发明永磁电机驱动的高可靠性传动系统无传感器的控制原理图，
图中，1、壳体，2、第一级小齿轮，3、第一级小齿轮扭矩轴支撑轴承，4、第一级小齿轮扭矩轴，5、第一级惰轮，6、第一级惰轮扭矩轴支撑轴承，7、第一级惰轮扭矩轴，8、第一级大齿轮，9、第一级大齿轮扭矩轴支撑轴承，10、第一级大齿轮扭矩轴，11、第三级小齿轮，12、第三级小齿轮扭矩轴支撑轴承，13、第三级小齿轮扭矩轴，14、第三级惰轮，15、截割滚筒，16、弹性扭矩轴，17、内置式永磁同步电机，18、第二级小齿轮，19、第二级大齿轮20、第三级惰轮扭矩轴，21、第三级惰轮扭矩轴支撑轴承，22、第三级大齿轮，23、第三级大齿轮扭矩轴支撑轴承，24、第三级大齿轮扭矩轴。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明采用的技术方案是：一种永磁电机驱动的高可靠性传动系统，包括壳体1、内置式永磁同步电机17、弹性扭矩轴16、减速传动系统和截割滚筒15，所述减速传动系统包括第一级小齿轮2，第一级小齿轮扭矩轴支撑轴承3，第一级小齿轮扭矩轴4，第一级惰轮5，第一级惰轮扭矩轴支撑轴承6，第一级惰轮扭矩轴7，第一级大齿轮8，第一级大齿轮扭矩轴支撑轴承9，第一级大齿轮扭矩轴10，第二级小齿轮18，第二级大齿轮19，第三级小齿轮11，第三级小齿轮扭矩轴支撑轴承12，第三级小齿轮扭矩轴13，第三级惰轮14，所述内置式永磁同步电机17具有低速度，大扭矩，低能耗的特点，所述内置式永磁同步电机17作为动力源输出扭矩和速度，经过弹性扭矩轴16、减速传动系统将动力传递给截割滚筒，实现截割采煤工作，内置式永磁同步电机输出轴与第一级小齿轮扭矩轴4通过弹性扭矩轴16连接，所述弹性扭矩轴16具有过载保护的作用，所述第一级小齿轮2与第一级惰轮5啮合，所述第一级惰轮5与第一级大齿轮8啮合，所述第一级大齿轮8与第二级小齿轮18同轴连接，所述第二级小齿轮18与第二级大齿轮19啮合，所述第二级大齿轮19与第三级小齿轮11同轴连接,所述第三级小齿轮11与第三级惰轮14啮合,第三级惰轮14与第三级大齿轮22啮合,所述第三级大齿轮22与截割滚筒15同轴连接，所述内置式永磁同步电机17设置有电流传感器，所述电流传感器与采煤机的控制器相连。减速传动系统由三级人字形齿轮和相应扭矩轴系和轴承组成，省去了行星齿轮，缩短了传动链，大大节约了能源，降低了采煤机截割部故障率。
进一步，所述第一级惰轮扭矩轴7通过第一级惰轮扭矩轴支撑轴承6安装在第一级惰轮5上。
进一步，所述第一级小齿轮2通过第一级小齿轮扭矩轴支撑轴承3安装在壳体1上。
进一步，所述第一级大齿轮8与第二级小齿轮18通过第一级大齿轮扭矩轴10同轴连接，并通过第一级大齿轮扭矩轴支撑轴承9安装在壳体1上。
进一步，所述第二级大齿轮19与第三级小齿轮11通过第三级小齿轮扭矩轴13同轴连接，并通过第三级小齿轮扭矩轴支撑轴承12安装在壳体1上。
进一步，所述第三级惰轮扭矩轴20通过第三级惰轮扭矩轴支撑轴承21安装在第三级惰轮14上。
进一步，所述第三级大齿轮扭矩轴24通过第三级大齿轮扭矩轴支撑轴承23安装在壳体1上。
在上述方案的基础上，所述减速传动系统中的减速器可以设置为变速器。
如图2所示，一种永磁电机驱动的高可靠性传动系统的无传感器控制方法，包括以下步骤：
步骤S1，流程开始，首先整机启动，内置式永磁同步电机17作为驱动源，经过弹性扭矩轴16，减速传动系统将动力传递给截割滚筒15，截割滚筒15旋转带动截割刀对煤壁进行切削，根据需求的块煤率的要求，确定合适的煤壁切削的厚度，经过n＝100Vq/mhmax公式计算得到理论切削速度，即切削速度的期望值，记为n；
步骤S2：内置式永磁同步电机17上的电流传感器测得电机电流，控制器将内置式永磁同步电机17的电流作为反馈值，对其进行Clark和Park变化后，进入模糊滑模观测器并通过锁相环技术得到切削速度的观测值，记为
步骤S3：控制器将采煤机切削速度的期望值和切削速度的观测值相减，将Δn的值与预先手动设定的范围进行比较(本发明专利设定为2rpm)，若在设定范围内，则进行步骤S5；若超出设定范围，则进行步骤S4；
步骤S4：在控制器上手动进行速度和电流PI控制器调节；
步骤S5：按期望值实现采煤机永磁截割系统的无传感器控制，流程结束。
所述无传感器方法是基于模糊滑模观测器和锁相环技术实现内置式永磁同步电机转子的位置和速度估计，从而实现采煤机永磁短程截割传动系统无传感器控制。
如图3所示，控制原理：首先结合末端截割负载特性，其中截割滚筒末端负载特性可通过公式(1)得到
式中，Vq为采煤机牵引速度，m/min；n为滚筒转速，r/min；αij为第i条截线上第j个截齿的圆心角；mi为第i条截线上的截齿数；t为滚筒的工作时间。bp为截齿工作部分计算宽度，镐齿为其直径一半；KZ为外漏自由表现系数；KY为截角α的影响系数，范围为0.9～1.34；为截齿前刀面形状影响系数，范围为0.85～0.9；KC为截齿排列方式系数，顺序式排列取1，棋盘式排列取1.25；Kot为地压对工作面煤壁影响系数；Kψ为煤的脆性程度系数，范围为2.1～3.5；βi为i截线上截齿相对于牵引方向的偏转角。D为滚筒直径，取2m。f为煤岩坚固性系数，其中软煤f≤1.5，中硬煤层f＝1.5～3.0，硬煤f＝3.0～4.0，中硬岩f＝4.0～8.0，硬岩f≥8，最硬的岩f可达到20；Sa为截齿磨钝后，磨损面在截割平面上的投影面积，镐型齿取0.15～0.2cm2；Kδ为矿体应力状态体积系数，0.8～1.59，脆性程度较高的煤取较小值；f′为抗切削阻力系数，0.38～0.42。
然后对采煤机永磁高可靠性截割传动系统的永磁驱动电机在两相旋转坐标系下，以电流为观测状态变量，设计模糊滑模观测器，用以更好的实现对永磁同步电机转子位置和转速的估计，增加了观测器的鲁棒性，滑模观测器的状态通过方程式(2)得到：
式中，ud为直轴电压，uq为交轴电压，分别为定子d轴和q轴的电流观测值，Ld为直轴电感，Lq为交轴电感，ωe为电机的电角速度，R为定子电阻，p为微分算子，ψf为永磁磁链，Ed＝0，Eq＝ωeψf，可以看作是dq坐标下的感应电动势。
同时为了避免负载突变以及电压变化引起电流变化，影响观测效果的问题，采用锁相环技术代替传统的反正切函数。通过李雅普诺夫稳定性理论分析，推导得出观测器中反馈增益及滑模开关增益的取值条件以及电机转速估计值的计算表达式。最后采用直接转矩控制方法实现采煤机永磁高可靠性截割传动系统的无传感器控制。
Claims (8)
1.一种永磁电机驱动的高可靠性传动系统，其特征在于，包括壳体(1)、内置式永磁同步电机(17)、弹性扭矩轴(16)、减速传动系统和截割滚筒(15)，所述减速传动系统包括第一级小齿轮(2)，第一级小齿轮扭矩轴支撑轴承(3)，第一级小齿轮扭矩轴(4)，第一级惰轮(5)，第一级惰轮扭矩轴支撑轴承(6)，第一级惰轮扭矩轴(7)，第一级大齿轮(8)，第一级大齿轮扭矩轴支撑轴承(9)，第一级大齿轮扭矩轴(10)，第二级小齿轮(18)，第二级大齿轮(19)，第三级小齿轮(11)，第三级小齿轮扭矩轴支撑轴承(12)，第三级小齿轮扭矩轴(13)，第三级惰轮(14)，内置式永磁同步电机输出轴与第一级小齿轮扭矩轴(4)通过弹性扭矩轴(16)连接，所述第一级小齿轮(2)与第一级惰轮(5)啮合，所述第一级惰轮(5)与第一级大齿轮(8)啮合，所述第一级大齿轮(8)与第二级小齿轮(18)同轴连接，所述第二级小齿轮(18)与第二级大齿轮(19)啮合，所述第二级大齿轮(19)与第三级小齿轮(11)同轴连接,所述第三级小齿轮(11)与第三级惰轮(14)啮合,第三级惰轮(14)与第三级大齿轮(22)啮合,所述第三级大齿轮(22)与截割滚筒(15)同轴连接，所述内置式永磁同步电机(17)设置有电流传感器，所述电流传感器与采煤机的控制器相连。
2.根据权利要求1所述的一种永磁电机驱动的高可靠性传动系统，其特征在于，所述第一级惰轮扭矩轴(7)通过第一级惰轮扭矩轴支撑轴承(6)安装在第一级惰轮(5)上。
3.根据权利要求1所述的一种永磁电机驱动的高可靠性传动系统，其特征在于，所述第一级小齿轮(2)通过第一级小齿轮扭矩轴支撑轴承(3)安装在壳体(1)上。
4.根据权利要求1所述的一种永磁电机驱动的高可靠性传动系统，其特征在于，所述第一级大齿轮(8)与第二级小齿轮(18)通过第一级大齿轮扭矩轴(10)同轴连接，并通过第一级大齿轮扭矩轴支撑轴承(9)安装在壳体(1)上。
5.根据权利要求1所述的一种永磁电机驱动的高可靠性传动系统，其特征在于，所述第二级大齿轮(19)与第三级小齿轮(11)通过第三级小齿轮扭矩轴(13)同轴连接，并通过第三级小齿轮扭矩轴支撑轴承(12)安装在壳体(1)上。
6.根据权利要求1所述的一种永磁电机驱动的高可靠性传动系统，其特征在于，所述第三级惰轮扭矩轴(20)通过第三级惰轮扭矩轴支撑轴承(21)安装在第三级惰轮(14)上。
7.根据权利要求1至6中任一权利要求所述的一种永磁电机驱动的高可靠性传动系统，其特征在于，所述第三级大齿轮扭矩轴(24)通过第三级大齿轮扭矩轴支撑轴承(23)安装在壳体(1)上。
8.一种永磁电机驱动的高可靠性传动系统的无传感器控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，流程开始，首先整机启动，内置式永磁同步电机(17)作为驱动源，经过弹性扭矩轴(16)，减速传动系统将动力传递给截割滚筒(15)，截割滚筒(15)旋转带动截割刀对煤壁进行切削，根据需求的块煤率的要求，确定合适的煤壁切削的厚度，经过n＝100Vq/mhmax公式计算得到理论切削速度，即切削速度的期望值，记为n；
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步骤S4：在控制器上手动进行速度和电流PI控制器调节；
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20180123 |
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