CN109019277B - 一种深井提升机钢丝绳纵向低频振荡抑制方法及装置 - Google Patents

一种深井提升机钢丝绳纵向低频振荡抑制方法及装置 Download PDF

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Abstract

一种深井提升机钢丝绳纵向低频振荡抑制方法，包括以下步骤：S1获取电机转轴处的加速度采样信号；S2将采样信号输入低频信号提取模块进行信号提取，提取后的信号输入加速度同步反馈补偿模块，以生成加速度增益补偿信号；S3将加速度增益补偿信号通过电流控制作用于电机，产生反馈补偿控制，增加钢丝绳的阻尼效应，消除提升系统中钢丝绳的纵向低频振荡。应用上述方法的装置，通过加速度传感器采集电机转轴加速度信号，并传送至同步补偿控制装置，生成加速度增益补偿信号，将该信号传送至电流控制器，对钢丝绳纵向低频振荡进行补偿控制。本发明只需要测量驱动电机转轴的加速度，即可实时反馈补偿由于钢丝绳弹性所引发的纵向低频振荡。

Description

一种深井提升机钢丝绳纵向低频振荡抑制方法及装置
技术领域
本发明涉及电机电力传动控制领域，具体涉及一种深井提升机钢丝绳纵向低频振荡抑制方法及装置。
背景技术
直驱式矿用电机与矿井提升系统的滚筒直接连接，通过钢丝绳提升和下放运行载荷。滚筒和运行载荷之间的钢丝绳很长，由于钢丝绳本身弹性的特性，因此经常发生纵向低频振荡,尤其在提升机运动状态发生变化时，这里所说的纵向低频振荡是指因钢丝绳本身弹性特征而引发的竖直方向上的低频率振荡，此纵向低频振荡会对提升机控制系统产生影响，而系统中各个环节会又对钢丝绳产生的纵向低频振荡进行积分、放大，从而影响整个系统的稳定性。
为提高运行载荷的稳定性，常采用“S”形运行曲线来优化提升系统在起动、加速和减速阶段的运行速度，尽管上述方式能解决运行速度和加速度突然跳变问题，在一定程度上减小提升机钢丝绳纵向振荡，但由于钢丝绳的弹性作用，在不同的运行阶段时，运行载荷不能快速趋于稳定，当矿井深度和运行载荷增加时，该问题变得更加突出。目前，主要有两种解决方案被提出，方案一：在运行载荷上安装加速度传感器，增加一个比例积分(Proportional and Integrator，PI)控制器，将采集到的运行载荷加速度信号反馈到控制器进行电流补偿，该方法能有效控制运行的低频振荡，但矿井环境复杂，在运行载荷上安装加速度传感器比较困难，而且随着矿井深度的增加，安装和运行成本也会增加；方案二：根据钢丝绳的可测量机械参数或者提升系统钢丝绳数学模型采用估测算法估测出提升载荷速度值，该方案严重依赖所建立的提升系统钢丝绳数学模型，由于提升系统钢丝绳数学模型比较复杂，目前均采用近似模型，随着提升系统提升深度的增加，建立更加准确的数学模型难度更大，而且采用估测器进行估测，计算比较复杂，计算量很大，占用更多的软件资源。可见，目前针对提升系统钢丝绳纵向低频振荡并没有得到真正的解决。
发明内容
针对上述背景技术存在的问题，本发明提供一种基于电机转轴加速度增益补偿的抑制方法及装置，无需在运行载荷上安装额外的传感器和采用参数估测算法估测提升载荷速度值作为振荡补偿输入量，即可使提升机提升载荷变化时快速趋于稳定状态，方法简单，结构简单，节省成本。
为了实现上述目的，本发明提供一种深井提升机钢丝绳4纵向低频振荡抑制方法，包括以下步骤：
S1获取电机转轴处的加速度采样信号；
S2将加速度采样信号输入至低频信号提取模块，以生成加速度同步反馈补偿模块输入信号，输入至加速度同步反馈补偿模块；
S3加速度同步反馈补偿模块首先将预先设定在该模块内的电机加速度给定信号和低频信号提取模块输出值作差得到待补偿差值，然后通过内置的比例(Proportional，P)控制器对上述信号调整增益，获取校正补偿系数，即加速度增益补偿信号；
S4将加速度增益补偿信号通过电流控制器作用于电机，对提升系统进行补偿控制，增加钢丝绳的阻尼效应，消除提升系统中钢丝绳的纵向低频振荡。
优选地，低频信号提取模块为低通滤波模块，其幅频特性为0dB，相频特性为0deg，截止频率为1Hz。
优选地，比例控制器通过以下方法获取加速度增益补偿信号：
1)基于以下公式获取比例(Proportional，P)控制器的参数：
Figure GDA0002450054190000021
Te＝Ci 公式(2)
其中,Te为电机电磁转矩，TL为负载转矩，TB为电机摩擦损耗转矩，J为系统转动惯量，
Figure GDA0002450054190000022
为电机转轴加速度，为转矩常数C，i为电机定子电流；
电机定子电流i和电机转轴加速度
Figure GDA0002450054190000023
之间没有时延，能够保持同步变化，当矿井提升机提升的载荷质量不变时，即TL是常数时，TB、J、C均为常数，将公式(2)代入公式(1)得到i和
Figure GDA0002450054190000031
之间的系数为
Figure GDA0002450054190000032
该系数即为比例(Proportional，P)控制器的参数；
2)基于以下公式获取校正补偿系数：
Figure GDA0002450054190000033
其中，a差为加速度同步反馈补偿模块中预先设定的电机加速度给定信号和低频信号提取模块输出值作差得到的待补偿差值。
一种应用上述方法的装置，包括：
同步补偿控制装置，由低频信号提取模块以及内置有比例控制器的加速度同步反馈补偿模块组成；
加速度传感器2，安装在电机转轴1处；
矿井提升机电气系统，包括速度控制器、电流控制器、驱动装置和电机；
提升机械系统，包括滚筒3以及缠绕在滚筒3上用于提升载荷的钢丝绳4；
其中，低频信号提取模块输入端接加速度传感器2输出端，输出端接加速度同步反馈补偿模块输入端，加速度同步反馈补偿模块输出端接电流控制器输入端，电流控制器输出端通过驱动装置接电机输入端，电机输出端通过转轴1接滚筒3，速度控制器用于采集电机转轴的转速信号，并根据采集到的转速信号向电流控制器输入控制信号。
优选地，低频信号提取模块为低通滤波器，其幅频特性为0dB，相频特性为0deg，截止频率为1Hz。
与现有技术相比，本发明基于电机转轴加速度增益补偿，对深井提升机钢丝绳纵向低频振荡进行抑制，只需要测量驱动电机转轴的加速度，即可实时反馈补偿由于钢丝绳弹性所引发的纵向低频振荡，本发明是一种测量和计算简单方便的补偿方法，用较低的成本来提高提升系统运行载荷的稳定性，快速有效地使提升系统运行载荷发生变化后趋于稳定，避免了钢丝绳纵向低频振荡。本装置结构简单，易于制造，且成本低。
附图说明
图1为本发明方法流程图；
图2为本发明装置实施例的整体结构示意图；
图3为本发明实施例的摩擦式矿井提升机简化结构图；
图4为本发明实施例加入电机转轴加速度增益补偿与未加入电机转轴加速度增益补偿时的矿井提升载荷加速度曲线示意图；
图5为本发明实施例加入电机转轴加速度增益补偿与未加入电机转轴加速度增益补偿时的矿井提升载荷速度变化曲线示意图；
图6为本发明实施例加入电机转轴加速度增益补偿时的矿井提升机电机定子电流曲线示意图；
图7为本发明实施例未加入电机转轴加速度增益补偿时的矿井提升机电机定子电流曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明提供一种深井提升机钢丝绳纵向低频振荡抑制方法，包括以下步骤：
S1获取电机转轴1处的加速度采样信号；
S2将加速度采样信号输入至低频信号提取模块，以生成加速度同步反馈补偿模块输入信号，输入至加速度同步反馈补偿模块；
S3加速度同步反馈补偿模块首先将预先设定在该模块内的电机加速度给定信号和低频信号提取模块输出值作差得到待补偿差值，然后通过内置的比例(Proportional，P)控制器对上述信号调整增益，获取校正补偿系数，即加速度增益补偿信号；
S4将加速度增益补偿信号通过电流控制器作用于电机，对提升系统进行补偿控制，增加钢丝绳4的阻尼效应，消除提升系统中钢丝绳4的纵向低频振荡。
如图2所示，一种应用上述方法的装置，包括：
同步补偿控制装置，由低频信号提取模块以及内置有比例控制器的加速度同步反馈补偿模块组成，用于产生作用于提升系统的补偿信号；
加速度传感器2，安装在电机转轴1处，用于采集电机转轴1处的加速度信号；
矿井提升机电气系统，包括速度控制器、电流控制器、驱动装置和电机；
提升机械系统，包括滚筒3以及缠绕在滚筒3上用于提升载荷的钢丝绳4；
其中，低频信号提取模块输入端接加速度传感器2输出端，输出端接加速度同步反馈补偿模块输入端，加速度同步反馈补偿模块输出端接电流控制器输入端，电流控制器输出端通过驱动装置接电机输入端，电机输出端通过转轴1接滚筒3，速度控制器用于采集电机转轴1的转速信号，并根据采集到的转速信号向电流控制器输入控制信号，以控制电机的转速。
作为本发明的优选方式，所述比例控制器通过以下方法获取加速度增益补偿信号：
1)基于以下公式获取比例(Proportional，P)控制器的参数：
Figure GDA0002450054190000051
Te＝Ci 公式(2)
其中,Te为电机电磁转矩，TL为负载转矩，TB为电机摩擦损耗转矩，J为系统转动惯量，
Figure GDA0002450054190000052
为电机转轴加速度，为转矩常数C，i为电机定子电流；
电机定子电流i和电机转轴加速度
Figure GDA0002450054190000053
之间没有时延，能够保持同步变化，当矿井提升机提升的载荷质量不变时，即TL是常数时，TB、J、C均为常数，将公式(2)代入公式(1)公式
Figure GDA0002450054190000054
进而得到i和
Figure GDA0002450054190000055
之间的系数为
Figure GDA0002450054190000056
该系数即为比例(Proportional，P)控制器的参数；
2)基于以下公式获取校正补偿系数，即加速度增益补偿信号：
Figure GDA0002450054190000057
其中，a差为加速度同步反馈补偿模块中预先设定的电机加速度给定信号和低频信号提取模块输出值作差得到的待补偿差值。
作为本发明的优选方式，所述低频信号提取模块为低通滤波器，用于快速有效地提取低频信号，其幅频特性为0dB，相频特性为0deg，截止频率为1Hz，由于截止频率是根据提升机械系统的运行参数Vd、钢丝绳刚度系数k、阻尼系数c以及提升载荷参数M共同作用造成的低频振荡频率范围确定的，但也有可能会受其他因素影响，所以在不同的提升系统中，由于给定运行参数、钢丝绳刚度系数、阻尼系数以及提升载荷参数的不同，低频振荡频率的范围也会有所不同，根据现场经验和试验表明，该低频率一般低于2Hz，在本发明实例中，选用截止频率为1Hz。
工作时，加速度传感器2从与滚筒3直接相连的电机转轴1上实时进行加速度信号采样，以得到一加速度采样信号，将采样信号输入至低通滤波器，由低通滤波器进行滤波，得到滤波信号，即加速度同步反馈补偿模块输入信号，并将该信号输入至加速度同步反馈补偿模块，加速度同步反馈补偿模块通过内置的比例(Proportional，P)控制器调整增益，获取加速度增益补偿信号，将该加速度增益补偿信号反馈到电流控制器进行电流补偿，并通过电流控制器作用于电机，产生反馈补偿控制，增加钢丝绳4的阻尼效应，从而消除提升系统中钢丝绳4的纵向低频振荡，实时控制提升重物的速度Vs，保证重物的稳定运行。
如图3所示，本发明是在电机的直驱转轴处安装加速度传感器2，实时控制重物速度Vs，保证重物尽可能的稳定运行。
基于上述实施例，得到3组仿真实验结果，如图4、图5和图6所示。
如图4所示，横坐标为时间(单位：s)，纵坐标为矿井提升载荷加速度(单位：m/s2),曲线1为加入电机转轴1加速度增益补偿后的矿井提升载荷加速度响应曲线，曲线2为未加入电机转轴1加速度增益补偿时的矿井提升载荷加速度响应曲线。由图中可见，加入电机转轴1加速度增益补偿后，矿井提升载荷加速度波动明显减小，快速地趋于稳定。
如图5所示，横坐标为时间(单位：s)，纵坐标为矿井提升载荷速度变化(单位：m/s),曲线3为加入电机转轴1加速度增益补偿后的矿井提升载荷速度变化响应曲线，曲线4为未加入电机转轴1加速度增益补偿时的矿井提升载荷速度变化响应曲线。由图中可见，加入电机转轴1加速度增益补偿后，矿井提升载荷速度变化幅值减小，以显著的速度衰减至0。
如图6和图7所示，横坐标为时间(单位：s)，纵坐标为矿井提升机电机定子电流(单位：A),曲线5为加入电机转轴1加速度增益补偿后的矿井提升机电机定子电流响应曲线，曲线6为未加入电机转轴1加速度增益补偿时的矿井提升机电机定子电流响应曲线。由图中可见，加入电机转轴1加速度增益补偿后，尽管定子电流值比较大，但矿井提升机中电机定子电流在速度变化阶段干扰波动明显减小，运行稳定，减小了电机的带载时的运行负担。
本发明有效地实现了用较低的成本来提高提升系统运行载荷的稳定性，另外，电机转轴1上的加速度传感器2还可用于提升系统转轴1以及提升机滚筒3的故障检测，使得装置安装成本大大降低。

Claims (5)

1.一种深井提升机钢丝绳纵向低频振荡抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1获取电机转轴处的加速度采样信号；
S2将加速度采样信号输入至低频信号提取模块，以生成加速度同步反馈补偿模块输入信号，输入至加速度同步反馈补偿模块；
S3加速度同步反馈补偿模块首先将预先设定在该模块内的电机加速度给定信号和低频信号提取模块输出值作差得到待补偿差值，然后通过内置的比例控制器对上述信号调整增益，获取校正补偿系数，即加速度增益补偿信号；
比例控制器通过以下方法获取加速度增益补偿信号：
1)基于以下公式获取比例控制器的参数：
Figure FDA0002450054180000011
Te＝Ci 公式(2)
其中,Te为电机电磁转矩，TL为负载转矩，TB为电机摩擦损耗转矩，J为系统转动惯量，
Figure FDA0002450054180000012
为电机转轴加速度，C 为转矩常数，i为电机定子电流；
电机定子电流i和电机转轴加速度
Figure FDA0002450054180000013
之间没有时延，能够保持同步变化，当矿井提升机提升的载荷质量不变时，即TL是常数时，TB、J、C均为常数，将公式(2)代入公式(1)得到i和
Figure FDA0002450054180000014
之间的系数为
Figure FDA0002450054180000015
该系数即为比例(Proportional，P)控制器的参数；
2)基于以下公式获取校正补偿系数：
Figure FDA0002450054180000016
其中，a差为加速度同步反馈补偿模块中预先设定的电机加速度给定信号和低频信号提取模块输出值作差得到的待补偿差值；
S4将加速度增益补偿信号通过电流控制器作用于电机，对提升系统进行补偿控制，增加钢丝绳的阻尼效应，消除提升系统中钢丝绳的纵向低频振荡。
2.根据权利要求1所述的一种深井提升机钢丝绳纵向低频振荡抑制方法，其特征在于，所述低频信号提取模块为低通滤波模块，其幅频特性为0dB，相频特性为0deg，截止频率为1Hz。
3.一种应用 如权利要求1所述方法的深井提升机钢丝绳纵向低频振荡抑制装置，其特征在于，包括
同步补偿控制装置，由低频信号提取模块以及内置有比例控制器的加速度同步反馈补偿模块组成；
加速度传感器，安装在电机转轴处；
矿井提升机电气系统，包括速度控制器、电流控制器、驱动装置和电机；
提升机械系统，包括滚筒以及缠绕在滚筒上用于提升载荷的钢丝绳；
其中，低频信号提取模块输入端接加速度传感器输出端，输出端接加速度同步反馈补偿模块输入端，加速度同步反馈补偿模块输出端接电流控制器输入端，电流控制器输出端通过驱动装置接电机输入端，电机输出端通过转轴接滚筒，速度控制器用于采集电机转轴的转速信号，并根据采集到的转速信号向电流控制器输入控制信号。
4.根据权利要求3所述的一种深井提升机钢丝绳纵向低频振荡抑制装置，其特征在于，低频信号提取模块为低通滤波器，其幅频特性为0dB，相频特性为0deg，截止频率1Hz。
5.根据权利要求3或4所述的一种深井提升机钢丝绳纵向低频振荡抑制装置，其特征在于，比例控制器通过权利要求1中的方法获取加速度增益补偿信号。
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