CN110778325A - 基于网络通讯的顶管机刀盘直接转矩变频控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于网络通讯的顶管机刀盘直接转矩变频控制系统及方法，包括若干台用于驱动顶管机刀盘的电机，每台电机均配有一台变频器控制，每台变频器通过网络与主站控制单元通讯连接；主站控制单元同时向每台变频器发送相同的控制命令；每台变频器同时收到主站控制单元的控制命令后，采用DTC直接转矩控制方式，分别控制对应的电机；每台电机获得相同的转矩输出，控制顶管机刀盘。本发明通过给每台电机配备一台变频器，由主站控制单元通过网络统一控制所有的变频器，从而使每台电机同时获得相同的控制指令，使顶管机刀盘驱动的多电机负载平衡，从而提高顶管机的脱困能力。

Description

基于网络通讯的顶管机刀盘直接转矩变频控制系统及方法
技术领域
本发明属于顶管机领域，具体涉及一种基于网络通讯的顶管机刀盘直接转矩变频控制系统及方法。
背景技术
随着顶管施工方法在国内的普及与发展，顶管机掘进会遇到地层越来越复杂，顶进距离也越来越长。针对长距离曲线岩石顶管机，顶管机刀盘需要提供较大的扭矩，且需要较大的脱困能力。
由于顶管机刀盘驱动中采用多电机（如3台电机）通过各自的减速器共同驱动刀盘大齿圈的形式。传统的顶管机刀盘驱动变频器采用一台变频器驱动多台电机的方式，采用这种形式由于电机制造上的差异，每台电机实际运行的负载会有差异，会出现多台电机的负载不平衡，当顶管机刀盘遇到低速大扭矩的脱困工况时，会因负载不平衡造成顶管机脱困能力不足。更严重的负载不平衡产生的瞬时扭矩过大会对减速机、联轴器、齿轮等传动系统造成损坏。而且变频器一拖多的驱动形式只能采用V/F控制形式，控制精度较低，无法实现更精确的控制。并且变频器一拖多的控制形式无法准确的监控每台电机的电流、电压、扭矩等工作状态，无法准确计算刀盘实际运行扭矩，不便于对顶管机刀盘进行精确的扭矩控制。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种基于网络通讯的顶管机刀盘直接转矩变频控制系统及方法，使顶管机刀盘驱动的多电机负载平衡，从而提高顶管机的脱困能力。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种基于网络通讯的顶管机刀盘直接转矩变频控制系统，包括若干台用于驱动顶管机刀盘的电机，其特征在于：每台电机均配有一台变频器控制，每台变频器通过网络与主站控制单元通讯连接；主站控制单元同时向每台变频器发送相同的控制命令；每台变频器同时收到主站控制单元的控制命令后，采用DTC直接转矩控制方式，分别控制对应的电机；每台电机获得相同的转矩输出，控制顶管机刀盘。
按上述方案，所述的主站控制单元连有人机交互界面，主站控制单元通过人机交互界面接收指令，每台变频器的数据通过以太网返回主站控制单元后显示在人机交互界面上。
按上述方案，所述的主站控制单元为PLC控制器。
按上述方案，所述的网络为以太网。
按上述方案，所述的主站控制单元设置在控制室内，所述的以太网包括控制室以太网交换机、顶管机以太网交换机和Modbus/TCP模块，每台变频器对应一个Modbus/TCP模块；主站控制单元通过网线与控制室以太网交换机连接，控制室以太网交换机通过通信光纤与顶管机以太网交换机连接，顶管机以太网交换机通过网线与最近的一台变频器的Modbus/TCP模块连接，若干台变频器的Modbus/TCP模块顺次通过网线连接。
所述的顶管机刀盘直接转矩变频控制系统的控制方法，其特征在于：本方法包括：
主站控制单元通过网络与每台变频器通讯，获得每台变频器的运行参数，并同时发送相同的控制指令给每台变频器；
每台变频器同时接受主站控制单元的控制指令，采用DTC直接转矩控制方式，分别控制对应的电机；
每台电机获得相同的转矩输出，控制顶管机刀盘。
按上述方法，所述的主站控制单元同时将速度给定值发送给每台变频器；所述的DTC直接转矩控制方式具体为：
在确定的速度给定值下，利用空间矢量坐标的概念，在定子坐标系下分析电机的数学模型，直接控制电机的磁通和转矩，并把转矩检测值与转矩给定值作比较，使转矩波动限制在一定的容差范围内，容差的大小由频率调节器来控制；产生PWM脉宽调制信号，直接对逆变器开关状态进行控制，以获得转矩输出给电机。
按上述方法，所述的每台变频器的运行参数包括变频器的电流、电压、扭矩、转速、运行状态和故障代码。
按上述方法，所述的主站控制单元的控制指令包括变频器的启动、停止、正转、反转、速度给定值和转矩限制值。
本发明的有益效果为：通过给每台电机配备一台变频器，由主站控制单元通过网络统一控制所有的变频器，从而使每台电机同时获得相同的控制指令，使顶管机刀盘驱动的多电机负载平衡，从而提高顶管机的脱困能力。
附图说明
图1为本发明一实施例的结构示意图。
图2为DTC直接转矩控制原理图。
具体实施方式
下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。
本发明提供一种基于网络通讯的顶管机刀盘直接转矩变频控制系统，如图1所示，包括若干台用于驱动顶管机刀盘的电机，每台电机均配有一台变频器控制，每台变频器通过网络与主站控制单元通讯连接；主站控制单元同时向每台变频器发送相同的控制命令；每台变频器同时收到主站控制单元的控制命令后，采用DTC直接转矩控制方式，分别控制对应的电机；每台电机获得相同的转矩输出，控制顶管机刀盘。所述的主站控制单元还可以连有人机交互界面，主站控制单元通过人机交互界面接收指令，每台变频器的数据通过以太网返回主站控制单元后显示在人机交互界面上。本实施例中，主站控制单元为PLC控制器。
本实施例中，所述的网络为以太网。所述的主站控制单元设置在控制室内，所述的以太网包括控制室以太网交换机、顶管机以太网交换机和Modbus/TCP模块，每台变频器对应一个Modbus/TCP模块。主站控制单元是控制装置的核心部件，内部存有控制程序，根据人机交互界面传来的指令，进行运算后，通过网线与控制室以太网交换机连接，控制室以太网交换机通过通信光纤与顶管机以太网交换机连接，顶管机以太网交换机通过网线与最近的一台变频器的Modbus/TCP模块连接，若干台变频器的Modbus/TCP模块顺次通过网线连接。Modbus/TCP模块将信号转换后，同时控制三台变频器的启动、停止、正传、反转、速度给定、转矩限制等；同时接收三台变频器的电流、电压、扭矩、转速、运行状态、故障代码等参数，并把结果传递给人机交互界面进行显示。
所述的顶管机刀盘直接转矩变频控制系统的控制方法，主站控制单元通过网络与每台变频器通讯，获得每台变频器的运行参数，并同时发送相同的控制指令给每台变频器；每台变频器同时接受主站控制单元的控制指令，采用DTC直接转矩控制方式，分别控制对应的电机；每台电机获得相同的转矩输出，控制顶管机刀盘。
所述的主站控制单元将速度给定值同时发送给每台变频器；所述的DTC直接转矩控制方式如图2所示，具体为：在确定的速度给定值下，利用空间矢量坐标的概念，在定子坐标系下分析电机的数学模型，直接控制电机的磁通和转矩，并把转矩检测值与转矩给定值作比较，使转矩波动限制在一定的容差范围内，容差的大小由频率调节器来控制；产生PWM脉宽调制信号，直接对逆变器开关状态进行控制，以获得高动态性能的转矩输出给电机。这样三台电机在刚性连接的状态下可以获得相同的转矩输出，保证三台电机的力矩平衡。
DTC直接转矩控制技术主要优势很多，1.具有精确的动态和静态速度及转矩控制，在没有脉冲编码器的情况下也可以提供优异的过程控制。2.具有高过载和高起动转矩，可靠性高，无需加大传动选型即可实现平稳起动，具有较强的脱困能力。3.可以实现高速控制，避免不必须的跳闸和生产中断。4.保护机械装置，减小对机械装置的压力。
本发明中每台变频器分别单独驱动对应的电机，采用单台变频器驱动单台电机的方式可以自由选择需要启动的电机，并可以单独的读取每台电机的扭矩，以便在地面的主站控制单元中的计算刀盘扭矩，并在人机交互界面中显示。
本发明中每台变频器采用直接转矩控制方式，具有以下优势：（1）具有精确的动态和静态速度及转矩控制,在没有脉冲编码器的情况下也可以提供优异的过程控制。（2）具有高过载和高起动转矩,可靠性高,无需加大传动选型即可实现平稳起动，具有较强的脱困能力。（3）可以实现高速控制,避免不必须的跳闸和生产中断。（4）三台电机输出力矩平衡，保护机械装置,减小对机械装置的压力。
本发明中主站控制单元与三台顶管机刀盘驱动变频器之间的通讯采用以太网通讯，以太网通讯可以组成树形拓扑结构，与串行通讯相比，通讯节点上某一个设备的故障不会影响整个通讯网络，且故障排查较为方便，可以有效降低故障率。而且采用以太网通讯可以在顶管机顶进距离较大时采用光纤进行通讯，可以防止信号干扰，增强通讯稳定性。采用以太网通讯也可以全方位的监控每台变频器的状态，可以在地面控制室全方位了解变频器的运行参数。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于网络通讯的顶管机刀盘直接转矩变频控制系统，包括若干台用于驱动顶管机刀盘的电机，其特征在于：每台电机均配有一台变频器控制，每台变频器通过网络与主站控制单元通讯连接；主站控制单元同时向每台变频器发送相同的控制命令；每台变频器同时收到主站控制单元的控制命令后，采用DTC直接转矩控制方式，分别控制对应的电机；每台电机获得相同的转矩输出，控制顶管机刀盘。
2.根据权利要求1 所述的顶管机刀盘直接转矩变频控制系统，其特征在于：所述的主站控制单元连有人机交互界面，主站控制单元通过人机交互界面接收指令，每台变频器的数据通过以太网返回主站控制单元后显示在人机交互界面上。
3.根据权利要求1或2所述的顶管机刀盘直接转矩变频控制系统，其特征在于：所述的主站控制单元为PLC控制器。
4.根据权利要求1所述的顶管机刀盘直接转矩变频控制系统，其特征在于：所述的网络为以太网。
5.根据权利要求4所述的顶管机刀盘直接转矩变频控制系统，其特征在于：所述的主站控制单元设置在控制室内，所述的以太网包括控制室以太网交换机、顶管机以太网交换机和Modbus/TCP模块，每台变频器对应一个Modbus/TCP模块；主站控制单元通过网线与控制室以太网交换机连接，控制室以太网交换机通过通信光纤与顶管机以太网交换机连接，顶管机以太网交换机通过网线与最近的一台变频器的Modbus/TCP模块连接，若干台变频器的Modbus/TCP模块顺次通过网线连接。
6.权利要求1所述的顶管机刀盘直接转矩变频控制系统的控制方法，其特征在于：本方法包括：
主站控制单元通过网络与每台变频器通讯，获得每台变频器的运行参数，并同时发送相同的控制指令给每台变频器；
每台变频器同时接受主站控制单元的控制指令，采用DTC直接转矩控制方式，分别控制对应的电机；
每台电机获得相同的转矩输出，控制顶管机刀盘。
7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于：所述的主站控制单元将速度给定值同时发送给每台变频器；所述的DTC直接转矩控制方式具体为：
在确定的速度给定值下，利用空间矢量坐标的概念，在定子坐标系下分析电机的数学模型，直接控制电机的磁通和转矩，并把转矩检测值与转矩给定值作比较，使转矩波动限制在一定的容差范围内，容差的大小由频率调节器来控制；产生PWM脉宽调制信号，直接对逆变器开关状态进行控制，以获得转矩输出给电机。
8.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于：所述的每台变频器的运行参数包括变频器的电流、电压、扭矩、转速、运行状态和故障代码。
9.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于：所述的主站控制单元的控制指令包括变频器的启动、停止、正转、反转、速度给定值和转矩限制值。
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