CN109861590A - 一种双电机驱动的惯性式弛张筛控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种双电机驱动的惯性式弛张筛控制系统，采用不同规格的剪切橡胶弹簧和隔振橡胶弹簧，并通过控制双变频器得输入电压来控制双激振电机偏心块的转速，可进行试验分析不同激振电机转速，不同偏心块相位，不同剪切弹簧和隔振橡胶弹簧对弛张筛动态性能的影响。该发明公开的双电机驱动的惯性式弛张筛控制系统具有设计简单，安装方便，测试方式灵活多样，控制系统稳定可靠。

Description

一种双电机驱动的惯性式弛张筛控制系统

技术领域

本发明属于振动试验台领域，具体涉及一种双电机驱动的惯性式弛张筛控制系统。

背景技术

利用直线振动筛或者圆迹振动筛对潮湿细粒煤进行分级处理是很困难的，效率低下并且筛孔不容易清理。现有技术的弛张筛中激振电机安置在固定筛框上，固定筛框和浮动筛框通过剪切橡胶弹簧连接，聚氨酯筛板的两端分别固定在固定筛框和浮动筛框的下端横梁上。激振作用使得固定筛框和浮动筛框之间产生相对运动，从而带动聚氨酯筛板产生弛张运动。其显著特点是筛板的振动加速度大，并且能有效的防止筛面堵孔现象的发生。在干法筛分领域发挥着重要的作用。

现有技术的弛张筛的不足之处是固定筛框和浮动筛框的振幅和相位会根据来料量的变化而发生变化，双筛框的振动相位差很难保持成理想的180°，导致聚氨酯筛板在筛分过程中并不能时刻保持在完全伸展或蜷缩的状态，筛孔也很难将筛面上的煤颗粒完全透筛下去，使得筛分效率受到来料量的影响。因此，需要设计出一种新型结构的弛张筛控制系统，并且通过控制弛张筛的驱动部分，来实现弛张筛理想的动态特性。

目前，已有工业用的弛张筛，但由于是单电机驱动固定筛框，弛张筛的振动特性不满足要求。所以需要对其结构进行改造，并且对其驱动部分施加控制，使固定筛框和浮动筛框的振动幅度和相位保持在理想范围内。

发明内容

为解决传统弛张筛中固定筛框和浮动筛框的振动相位差不能保持成理想的180°的情况，本发明公开一种双电机驱动的惯性式弛张筛控制系统。该双电机惯性式弛张筛具有设计安装方便，测试方式灵活，控制系统简单等优势。

一种双电机驱动的惯性式弛张筛控制系统，包括：计算机(12)、数据采集及控制器(17)、浮动筛框激振电机霍尔测速传感器(20)及固定筛框激振电机霍尔测速传感器(23)；固定筛框激振电机霍尔测速传感器固定在筛框激振电机偏心块的传感器定位面上，浮动筛框激振电机霍尔测速传感器固定在浮动筛框激振电机偏心块的传感器定位面上；双激振电机转速部分采取基于交叉耦合的转速同步控制，相位部分采取改进的基于点动的Bang-Bang相位补偿控制；速度和相位同步控制算法在计算机中安装的Matlab/Simulink软件中搭建，并通过数据采集及控制器实现控制；双激振电机偏心块的速度和相位信号通过固定筛框激振电机霍尔测速传感器和浮动筛框激振电机霍尔测速传感器进行检测，并将信号通过数据采集及控制器的输入接口反馈到计算机中进行处理；计算机将控制信号输出到数据采集及控制器，并通过数据采集及控制器的输出接口将电压信号输出到双激振电机的变频器上，改变双激振电机的速度，使双激振电机的速度和相位均满足要求。

所述的固定筛框霍尔测速传感器和浮动筛框霍尔测速传感器均包括测速芯片主体和安装在激振电机偏心块中心线上的磁钢片，当偏心块旋转到感应区域时，传感器就会产生一个低电平电压信号，离开感应区域，传感器感应出高电平电压信号，通过高低电平的占空比进而可以计算出激振电机的转速。在数据采集及控制器上设置一个相同的传感器时间基准，由固定筛框霍尔测速传感器和浮动筛框霍尔测速传感器反馈回来的脉冲信号可以计算出固定筛框和浮动筛框激振电机偏心块的相位差。

数据采集及控制器由接口输入部分，接口输出部分组成。固定筛框霍尔测速传感器和浮动筛框霍尔测速传感器将采集回来的激振电机偏心块的脉冲信号反馈到数据采集及控制器的输入接口，通过算法将脉冲信号转化为速度和相位信号，以此来判断双偏心块的速度是否同步，双偏心块的相位差是否满足允许的误差范围；数据采集及控制器通过输出接口对两台变频器输出不同的电压信号，进而改变双激振电机的转速，使激振电机偏心块的速度和相位均达到要求。

所述的双电机驱动的惯性式弛张筛的固定筛框和浮动筛框的力学模型为：

由以上微分方程解得，固定筛框和浮动筛框沿x和z方向的绝对位移振幅和激振力超前绝对位移振幅的相位差角分别为：

上式中：m₁,m₂：固定筛框和浮动筛框的质量；

k_x,k_z,c_x,c_z：剪切橡胶弹簧沿x和z方向的等效刚度和阻尼系数；

k₁,k₂,c₁,c₂：隔振橡胶弹簧沿x和z方向的等效刚度和阻尼系数；

∑m₀是偏心块的质量，激振力幅值P＝∑m₀ω²r；

r：偏心块旋转半径；

ω：激振电机转动的角速度；

t：时间；

x₁＝A₁cosθ₁＝A₁cos(ω₁t-α₁),x₂＝A₂cosθ₂＝A₂cos(ω₂t-α₂)；

z₁＝B₁sinθ₃＝B₁sin(ω₁t-β₁),z₂＝B₂sinθ₄＝B₂sin(ω₂t-β₂)；

x₁,x₂,z₁,z₂：固定筛框和浮动筛框沿x和z向的绝对位移；

A₁,A₂,B₁,B₂：固定筛框和浮动筛框沿x和z方向的绝对位移振幅；

θ₁,θ₂：固定筛框和浮动筛框沿x方向振动位移的相位角；

θ₃,θ₄：固定筛框和浮动筛框沿z方向的振动位移相位角；

A,B：固定筛框和浮动筛框沿x和z方向的相对位移振幅；

ω₁,ω₂：固定筛框激振电机和浮动筛框激振电机实际旋转情况下的角速度；

α_x:x方向激振力超前相对位移的相位差角；

α_z:z方向激振力超前相对位移的相位差角；

α₁,α₂：固定筛框和浮动筛框沿x方向激振力超前绝对位移振幅的相位差角；

β₁,β₂：固定筛框和浮动筛框沿z方向激振力超前绝对位移振幅的相位差角；

m′₁,m′₂：固定筛框和浮动筛框的等效质量；

u：固定筛框和浮动筛框等效质量之比:u＝m′₁/m′₂；

z_x:x方向的频率比：z_x＝ω/ω_x；

z_z:z方向的频率比：z_z＝ω/ω_z；

ω_x:x方向系统的固有圆频率：

ω_z:z方向系统的固有圆频率,

b_x:x方向的阻尼比,b_x＝c_x·(2mω_x)^-1；

b_z:z方向的阻尼比,b_z＝c_z·(2mω_z)^-1；

γ₁,γ₂：固定筛框和浮动筛框沿x方向的相对相位差角；

固定筛框和浮动筛框沿z方向的相对相位差角。

本发明具有以下有益效果:

本发明提供的一种双电机惯性式弛张筛控制系统，设计简单，安装方便，测试方式灵活多样，控制系统稳定可靠。

本发明采用的一种双电机惯性式弛张筛控制系统，采用不同规格的剪切橡胶弹簧和隔振橡胶弹簧，并通过控制双变频器得输入电压来控制双激振电机偏心块的转速，可进行试验分析不同激振电机转速，不同偏心块相位，不同剪切弹簧和隔振橡胶弹簧对弛张筛动态性能的影响。

本发明提供的一种双电机惯性式弛张筛控制系统，其控制算法部分是通过将计算机中的控制模型导入到数据采集及控制器中进行搭建的，便于对惯性式弛张筛性能进行后续的理论分析及模型优化，进而对仿真参数及算法进行调整，缩短研发和设计的周期，降低成本。

附图说明

图1是本发明整体结构的示意图；

图2是本发明浮动筛框霍尔传感器的安装示意图；

图3是本发明固定筛框霍尔传感器的安装示意图；

图4是本发明双电机驱动的惯性式弛张筛的力学模型；

图5是本发明基于交叉耦合的转速同步控制；

图6是本发明相位补偿控制策略。

图中，1-固定筛框激振电机变频器；2-固定筛框激振电机支撑架；3-固定筛框激振电机；4-聚氨酯筛板；5-固定筛框支座；6-固定筛框；7-浮动筛框；8-隔振橡胶弹簧；9-浮动筛框激振电机变频器；10-固定筛框后支撑架；11-浮动筛框激振电机支撑架；12-计算机；13-浮动筛框激振电机；14-固定筛框前支撑架；15-剪切橡胶弹簧；16-固定筛框前支撑架；17-数据采集及控制器；18-激振装置安装板；19-激振电机偏心块保护罩；20-浮动筛框激振电机霍尔测速传感器；21-激振电机偏心块；22-固定筛框偏心块保护罩；23-固定筛框激振电机霍尔测速传感器；24-固定筛框激振电机偏心块25-固定筛框激振电机保护罩法兰。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

如图1所示，双电机惯性式弛张筛，包括固定筛框6、浮动筛框7、剪切橡胶弹簧15、隔振橡胶弹簧8、聚氨酯筛板4等。其中：固定筛框系统包括固定筛框支座5、固定筛框前支撑架16、固定筛框后支撑架10、固定筛框激振电机3、固定筛框激振电机变频器1、固定筛框激振电机支撑架2等。浮动筛框系统包括浮动筛框激振电机支撑架11、浮动筛框激振电机13、浮动筛框激振电机变频器9，此外，还包括计算机12、数据采集及控制器17。

如图2所示，浮动筛框激振电机上有激振装置安装板18、激振电机偏心块保护罩19、激振电机偏心块21等。激振电机偏心块保护罩的内壁上有传感器定位面用来安装浮动筛框激振电机霍尔测速传感器20。

如图3所示，固定筛框激振电机上有固定筛框偏心块保护罩22、固定筛框激振电机霍尔测速传感器23、固定筛框激振电机偏心块24、固定筛框激振电机保护罩法兰25等。

双电机惯性式弛张筛的力学模型如图4所示，根据图4的力学模型，可以写出双电机惯性式弛张筛固定筛框和浮动筛框的振动方程，如公式(1)所示，固定筛框和浮动筛框沿x和z方向的绝对位移振幅和激振力超前绝对位移振幅的相位差角如公式(2)和公式(3)所示。弛张筛x方向上的运动是主要的运动形式，因此，通过控制双电机弛张筛筛框沿x方向上的运动就可以达到很好的筛分效果。调节双电机惯性式弛张筛的结构参数和双激振电机的转速可以使固定筛框和浮动筛框的振动位移的相位差角在x方向上达到180°，如公式(4)所示。固定筛框和浮动筛框的振动位移的相位差角会随双激振电机偏心块的转速的变化而发生变化，因此要想使得固定筛框和浮动筛框的振动位移的相位差角维持在一个恒定值，双激振电机的转速应该保持一致，这样两个筛框振动位移的相位差角调节才有意义。双电机惯性式弛张筛的结构参数会对双筛框的相位差产生影响，如公式(5)所示，所以应该协调好双电机惯性式弛张筛的结构参数和双激振电机转速之间的关系，使固定筛框和浮动筛框的振动位移的相位差角维持到180°。

上式中：m₁,m₂：固定筛框和浮动筛框的质量；

k_x,k_z,c_x,c_z：剪切橡胶弹簧沿x和z方向的等效刚度和阻尼系数；

k₁,k₂,c₁,c₂：隔振橡胶弹簧沿x和z方向的等效刚度和阻尼系数；

∑m₀是偏心块的质量，激振力幅值P＝∑m₀ω²r；

r：偏心块旋转半径；

ω：激振电机转动的角速度；

t：时间；

x₁＝A₁cosθ₁＝A₁cos(ω₁t-α₁),x₂＝A₂cosθ₂＝A₂cos(ω₂t-α₂)；

z₁＝B₁sinθ₃＝B₁sin(ω₁t-β₁),z₂＝B₂sinθ₄＝B₂sin(ω₂t-β₂)；

x₁,x₂,z₁,z₂：固定筛框和浮动筛框沿x和z向的绝对位移；

A₁,A₂,B₁,B₂：固定筛框和浮动筛框沿x和z方向的绝对位移振幅；

θ₁,θ₂：固定筛框和浮动筛框沿x方向振动位移的相位角；

θ₃,θ₄：固定筛框和浮动筛框沿z方向的振动位移相位角；

ω₁,ω₂：固定筛框激振电机和浮动筛框激振电机实际旋转情况下的角速度；

Δt：固定筛框激振电机和浮动筛框激振电机速度不相等时维持的时间；

A,B：固定筛框和浮动筛框沿x和z方向的相对位移振幅；

α_x：x方向激振力超前相对位移的相位差角；

α_z：z方向激振力超前相对位移的相位差角；

α₁,α₂：固定筛框和浮动筛框沿x方向激振力超前绝对位移振幅的相位差角；

β₁,β₂：固定筛框和浮动筛框沿z方向激振力超前绝对位移振幅的相位差角；

m′₁,m′₂：固定筛框和浮动筛框的等效质量；

u：固定筛框和浮动筛框等效质量之比:u＝m′₁/m′₂；

z_x:x方向的频率比：z_x＝ω/ω_x；

z_z:z方向的频率比：z_z＝ω/ω_z；

ω_x:x方向系统的固有圆频率：

ω_z:z方向系统的固有圆频率,

b_x:x方向的阻尼比,b_x＝c_x·(2mω_x)^-1；

b_z:z方向的阻尼比,b_z＝c_z·(2mω_z)^-1；

γ₁,γ₂：固定筛框和浮动筛框沿x方向的相对相位差角；

固定筛框和浮动筛框沿z方向的相对相位差角；

双激振电机转速部分采用的是基于交叉耦合的转速同步控制，其控制结构如图5所示，两个激振电机均采用同一给定电压，作用于激振电机Ⅰ的控制量为激振电机II的控制量为每台电机都有各自的速度反馈环节。两台电机的转速叠加之后通过速度补偿器给激振电机Ⅰ的转速施加正补偿，对激振电机II的转速施加负补偿，使两台激振电机的速度维持相等。速度补偿器的原理相当于一个PI控制器。

双激振电机偏心块的相位调节部分是通过两部分实现的，包括相位间接补偿和直接补偿两个环节，如图6所示。当双激振电机偏心块的相位差不在误差允许的范围内时，首先通过相位间接补偿环节使激振电机II的转速增加或者减少，若双激振电机偏心块的相位差还没有满足要求，则通过相位直接补偿控制使激振电机II的转速增加或者减少，使双激振电机偏心块的相位差在规定的误差范围内。相位直接补偿环节采用的是改进的基于点动Bang-Bang的控制策略，具有时间最优的特性。图6中，M₁是第一台激振电机，M₂是第二台激振电机，ΔP(t)是双激振电机偏心块相位差，e_s是设定的误差阈值，Δθ是相位间接补偿量，K_t是点动控制系数，Δu(t)是相位直接控制量，r_max是设定的转速补偿量，U₂(t)是激振电机II上相位间接和相位直接相加起来总的补偿量。

惯性式弛张筛测试装置开始工作时，固定筛框和浮动筛框上的激振电机开始转动，带动安装在固定横梁和浮动横梁上的筛板做弛张运动。固定筛框和浮动筛框激振电机偏心块的速度和相位信号由霍尔传感器检测出来，计算机通过数据采集及控制器改变双变频器的输入信号从而对双激振电机的速度进行调节，使得双激振电机偏心块的相位差满足要求。为验证控制系统的准确性，可以在固定筛框和浮动筛框的横梁上分别安装加速度传感器，进一步验证固定筛框和浮动筛框振动位移的相位差在理想的范围之内。

Claims (4)

1.一种双电机驱动的惯性式弛张筛控制系统，其特征在于包括：计算机(12)、数据采集及控制器(17)、浮动筛框激振电机霍尔测速传感器(20)及固定筛框激振电机霍尔测速传感器(23)；固定筛框激振电机霍尔测速传感器固定在筛框激振电机偏心块的传感器定位面上，浮动筛框激振电机霍尔测速传感器固定在浮动筛框激振电机偏心块的传感器定位面上；双激振电机转速部分采取基于交叉耦合的转速同步控制，相位部分采取改进的基于点动的Bang-Bang相位补偿控制；速度和相位同步控制算法在计算机中安装的Matlab/Simulink软件中搭建，并通过数据采集及控制器实现控制；双激振电机偏心块的速度和相位信号通过固定筛框激振电机霍尔测速传感器和浮动筛框激振电机霍尔测速传感器进行检测，并将信号通过数据采集及控制器的输入接口反馈到计算机中进行处理；计算机将控制信号输出到数据采集及控制器，并通过数据采集及控制器的输出接口将电压信号输出到双激振电机的变频器上，改变双激振电机的速度，使双激振电机的速度和相位均满足要求。

2.根据权利要求1所述的所述的一种双电机驱动的惯性式弛张筛控制系统，其特征在于：固定筛框霍尔测速传感器和浮动筛框霍尔测速传感器均包括测速芯片主体和安装在激振电机偏心块中心线上的磁钢片，当偏心块旋转到感应区域时，传感器就会产生一个低电平电压信号，离开感应区域，传感器感应出高电平电压信号，通过高低电平的占空比进而可以计算出激振电机的转速，在数据采集及控制器上设置一个相同的传感器时间基准，由固定筛框和浮动筛框霍尔传感器反馈回来的脉冲信号可以计算出固定筛框和浮动筛框激振电机偏心块的相位差。

3.根据权利要求1所述的所述的一种双电机驱动的惯性式弛张筛控制系统，其特征在于：数据采集及控制器由接口输入部分，接口输出部分组成，固定筛框和浮动筛框霍尔测速传感器将采集回来的激振电机偏心块的脉冲信号反馈到数据采集及控制器的输入接口，通过算法将脉冲信号转化为速度和相位信号，以此来判断双偏心块的速度是否同步，双偏心块的相位差是否满足允许的误差范围；数据采集及控制器通过输出接口对两台变频器输出不同的电压信号，进而改变双激振电机的转速，使激振电机偏心块的速度和相位均达到要求。

4.根据权利要求1所述的所述的一种双电机驱动的惯性式弛张筛控制系统，其特征在于：所述双电机驱动的惯性式弛张筛中固定筛框和浮动筛框的力学模型为：

固定筛框和浮动筛框沿x和z方向的绝对位移振幅和激振力超前绝对位移振幅的相位差角分别为：

上式中：m₁，m₂：固定筛框和浮动筛框的质量；

k_x，k_z，c_x，c_z：剪切橡胶弹簧沿x和z方向的等效刚度和阻尼系数；

k₁，k₂，c₁，c₂：隔振橡胶弹簧沿x和z方向的等效刚度和阻尼系数；

∑m₀是偏心块的质量，激振力幅值P＝∑m₀ω²r；

r：偏心块旋转半径；

ω：激振电机转动的角速度；

t：时间；

x₁＝A₁ cosθ₁＝A₁ cos(ω₁t-α₁)，x₂＝A₂ cosθ₂＝A₂ cos(ω₂t-α₂)；

z₁＝B₁ sinθ₃＝B₁ sin(ω₁t-β₁)，z₂＝B₂ sinθ₄＝B₂ sin(ω₂t-β₂)；

x₁，x₂，z₁，z₂：固定筛框和浮动筛框沿x和z向的绝对位移；

A₁，A₂，B₁，B₂：固定筛框和浮动筛框沿x和z方向的绝对位移振幅；

θ₁，θ₂：固定筛框和浮动筛框沿x方向振动位移的相位角；

θ₃，θ₄：固定筛框和浮动筛框沿z方向的振动位移相位角；

A，B：固定筛框和浮动筛框沿x和z方向的相对位移振幅；

ω₁，ω₂：固定筛框激振电机和浮动筛框激振电机实际旋转情况下的角速度；

α_x：x方向激振力超前相对位移的相位差角；

α_z：z方向激振力超前相对位移的相位差角；

α₁，α₂：固定筛框和浮动筛框沿x方向激振力超前绝对位移振幅的相位差角；

β₁，β₂：固定筛框和浮动筛框沿z方向激振力超前绝对位移振幅的相位差角；

m′₁，m′₂：固定筛框和浮动筛框的等效质量；

u：固定筛框和浮动筛框等效质量之比：u＝m′₁/m′₂；

z_x：x方向的频率比：z_x＝ω/ω_x；

z_z：z方向的频率比：z_z＝ω/ω_z；

ω_x：x方向系统的固有圆频率：

ω_z：z方向系统的固有圆频率，

b_x：x方向的阻尼比，b_x＝c_x·(2mω_x)^-1；

b_z：z方向的阻尼比，b_z＝c_z·(2mω_z)^-1；

γ₁，γ₂：固定筛框和浮动筛框沿x方向的相对相位差角；

固定筛框和浮动筛框沿z方向的相对相位差角。