CN111431438B - 一种多电机刚性联轴的同步控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多电机刚性联轴的同步控制方法，包括将电机输入速度ω_REF作为输入，并结合下垂控制分量ω_Droop得到电机给定速度ω_REF1；基于电机给定速度ω_REF1与电机反馈速度值ω_FK得到误差速度ω_ERR；误差速度ω_ERR通过转速环PI调节器得到转矩指令值T_CMD；通过转矩指令值T_CMD与第二负载转矩估算值T_{Est_Load1}得到电机转矩指令值T_CMD1；电机转矩指令值T_CMD1减去实际负载转矩T_{real_Load}后输入至刀盘机械模型传递函数中，得到电机反馈速度值ω_FK。本发明不但能在稳态负载情况下达到较好的同步效果，还可以较好解决偏载和负载突变时的同步问题。

Description

一种多电机刚性联轴的同步控制方法

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，更具体的说是涉及一种多电机刚性联轴的同步控制方法。

背景技术

目前，多电机刚性联轴的应用场景中很典型的一种是全断面隧道掘进机(以下简称掘进机)的刀盘驱动。掘进机刀盘的多个电机本质上可以看成是通过减速箱、小齿轮和大齿圈刚性联接在一起，这种刚性连接的情况下，由于各个电机本身的参数略有不同，变频器的控制参数(如转速环PI参数、电流环PI参数)也会有不同。如果采用普通的速度环PI控制，会造成一些电机的转矩输出除了克服负载转矩之外，还会拖动其他电机，从而造成各电机的转矩和电流相差较大，即同步性差，长时间运行，会对电机和相关的机械部件造成损坏。因此，多电机的同步控制性能是掘进机主驱动变频器的最重要的性能指标之一。

现有掘进机刀盘变频系统所采用的变频器，为了保证同步控制性能，大多数采用开环矢量控制模式下的下垂控制功能或者是主从控制功能来实现，其中，应用最多的是下垂控制方式。下垂控制的原理是在转速给定的基础上减去与输出转矩成比例的偏移量，该偏移量的计算方法通常是输出额定转矩时对应额定转速的3％-5％。通过这样的控制，能够保证各电机的机械特性得到一定程度的软化，从而实现输出转矩和电流的平衡；但是，掘进机在掘进时，会面对各种复杂的地质情况，例如上松下硬地层、卵石地层，反映到各个驱动电机上就表现出偏载、波动性负载的情况，尤其在刀盘的尺寸较大时，普通下垂控制还是存在一些问题的。

通常，普通下垂控制的转速调节是经过如下环节的：负载变化-->转速变化-->PI调节输出转矩-->转矩×下垂比例从给定转速减去；一般来说PI调节器的参数设定是折衷的结果，既要保证速度控制的精度，又要保证不对估算的转速中的噪声过响应，导致转矩波动。

所以，普通转速环PI控制加上下垂控制后只能对稳定的负载达到较好的转速跟踪作用和同步效果，但是在负载突变的瞬间，一方面，对给定转速的跟踪性能较差，另一方面，各电机转矩输出和电流的同步性能较差。

因此，如何提供一种多电机刚性联轴的同步控制方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种多电机刚性联轴的同步控制方法，不仅对稳定的负载达到较好的转速跟踪作用和同步效果，在负载突变的瞬间，也可以使各电机转矩输出和电流保持同步性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种多电机刚性联轴的同步控制方法，包括以下步骤：

步骤一：将电机输入速度ω_REF作为输入，并结合下垂控制分量ω_Droop得到电机给定速度ω_REF1；

步骤二：基于所述电机给定速度ω_REF1与电机反馈速度值ω_FK得到误差速度ω_ERR；

步骤三：所述误差速度ω_ERR通过转速环PI调节器得到转矩指令值T_CMD；

步骤四：通过所述转矩指令值T_CMD与第二负载转矩估算值T_{Est_Load1}得到电机转矩指令值T_CMD1；

步骤五：所述电机转矩指令值T_CMD1减去实际负载转矩T_{real_Load}后输入至刀盘机械模型传递函数中，得到电机反馈速度值ω_FK。

进一步，还包括以下步骤：

将所述电机转矩指令值T_CMD1输入至第一低通滤波器得到所述下垂控制分量ω_Droop。

进一步，所述第一低通滤波器具有比例系数K，用于调节下垂控制分量的大小，比例系数K为预设的常数。

进一步，还包括以下步骤：

将所述电机反馈速度值ω_FK输入至刀盘机械模型估算传递函数的倒数，并结合所述电机转矩指令值T_CMD1得到第一负载转矩估算值T_{Est_Load}；

将第一负载转矩估算值T_{Est_Load}输入至第二低通滤波器后，得到第二负载转矩估算值T_{Est_Load1}。

进一步，所述刀盘机械模型传递函数表达式为

其中，J为电机轴上的转动惯量常数，B为电机驱动系统的摩擦系数，s为微分算子。

进一步，所述刀盘机械模型估算传递函数的倒数表达式为T_drive＝J^s+B^，其中，J^表示电机轴上的转动惯量常数，B^表示电机驱动系统的摩擦系数，s为微分算子，T_drive表示驱动转矩估算值。

进一步，所述实际负载转矩T_{real_Load}通过负载观测器实时计算得到。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种多电机刚性联轴的同步控制方法，不但能在稳态负载情况下达到较好的同步效果，还可以较好解决偏载和负载突变时的同步问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种多电机刚性联轴的同步控制方法原理图。

其中，1.第一低通滤波器，2.转速环PI调节器，3.刀盘机械模型传递函数，4.刀盘机械模型估算传递函数的倒数，5.第二低通滤波器。

图2是无下垂控制，无负载转矩观测器控制时电机转速、转矩、机械轴扭矩、两电机转矩差波形图。其中，从上到下的波形图纵坐标分别为，第一张图中实线的是给定转速波形，虚线的是两台电机的反馈转速波形；第二张图中实线表示电机1的输出转矩，虚线表示电机2的输出转矩；第三张图表示机械轴上的转矩；第四张图表示两电机转矩差值，横坐标均为时间。

图3是有下垂控制，无负载转矩观测器控制时电机转速、转矩、机械轴扭矩、两电机转矩差波形图。其中，从上到下的波形图纵坐标分别为，第一张图中实线的是给定转速波形，虚线的是两台电机的反馈转速波形；第二张图中实线表示电机1的输出转矩，虚线表示电机2的输出转矩；第三张图表示机械轴上的转矩；第四张图表示两电机转矩差值，横坐标均为时间。

图4是有下垂控制，有负载转矩观测器控制时电机转速、转矩、机械轴扭矩、两电机转矩差波形图。其中，从上到下的波形图纵坐标分别为，第一张图中实线的是给定转速波形，虚线的是两台电机的反馈转速波形；第二张图中实线表示电机1的输出转矩，虚线表示电机2的输出转矩；第三张图表示机械轴上的转矩；第四张图表示两电机转矩差值，横坐标均为时间。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种多电机刚性联轴的同步控制方法，该方法对应的系统包括司机所在的中控室、中控室PLC、多台带有通信接口的刀盘电机驱动变频器，中控室内PLC会采集司机的速度控制指令，并通过通信形式发送到多台带有通信接口的刀盘电机驱动变频器，刀盘电机驱动变频器再根据司机的速度控制指令驱动对应的刀盘电机工作。以下方法都是在刀盘电机驱动变频器中实施的。

如图1所示，具体包括以下步骤：

步骤一：电机输入速度ω_REF与下垂控制分量ω_Droop相减后得到电机给定速度ω_REF1；其中，电机输入速度ω_REF通常由掘进机的司机根据掘进需要给出，下垂控制分量ω_Droop是电机转矩指令值T_CMD1经过第一低通滤波器1滤波后得到的，第一低通滤波器允许其输入信号中低于截止频率的部分通过，截止频率是预设的常数；

步骤二：电机给定速度ω_REF1与电机反馈速度值ω_FK相减得到误差速度ω_ERR；

步骤三:误差速度ω_ERR经过转速环PI调节器2的比例放大得到转矩指令值T_CMD，其中转速环PI调节器是公知的比例与积分控制器，其输入与比例系数相乘，再加上输入的积分值乘以积分系数，得到PI调节器的输出，比例系数与积分系数都是预设的常数；

步骤四：转矩指令值T_CMD与第二负载转矩估算值T_{Est_Load1}相加得到电机转矩指令值T_CMD1，通常电机转矩指令值T_CMD1可认为是电机转矩的实际输出值；

步骤五：电机转矩指令值T_CMD1减去实际负载转矩T_{real_Load}后作用在刀盘机械模型传递函数3上，得到电机反馈速度值ω_FK。其中，刀盘机械模型传递函数表达式为

J为电机轴上的转动惯量常数，B为电机驱动系统的摩擦系数，s为微分算子，是传递函数的公知表示方法；ω_FK是变频器根据开环矢量控制方法得到的电机实际转速的估算值。

步骤六：电机反馈速度值ω_FK经过刀盘机械模型估算传递函数的倒数4后，得到的驱动转矩估算值与电机转矩指令值T_CMD1相加得到第一负载转矩估算值T_{Est_Load}；其中，刀盘机械模型估算传递函数的倒数表达式为T_drive＝J^s+B^，J^Λ为电机轴上的转动惯量常数，通过公知的测量方法得到，B^Λ为电机驱动系统的摩擦系数，通过公知的测量方法得到，T_drive表示驱动转矩估算值；

步骤七：第一负载转矩估算值T_{Est_Load}经过第二低通滤波器5滤波后，得到第二负载转矩估算值T_{Est_Load1}，其中，第二低通滤波器的截止频率与第一低通滤波器的截止频率不同。

进一步，第一低通滤波器的输出与比例系数K相乘，可调节下垂控制分量的大小，比例系数K是预设的常数。

进一步，实际负载转矩T_{real_Load}通过负载观测器实时计算得到。

本发明通过一个负载观测器，能将电机轴上的实际负载实时计算出来(其运算的滞后仅为几十毫秒)，将第二负载转矩估算值加到速度PI调节器的输出转矩上，起到前馈控制的作用，不但能够快速准确响应负载的变化，还可以使PI调节器的参数不至于过大，对估算转速的噪声也有较好的抑制作用。反映在多台电机的转矩和电流上，就是偏载或负载快速变化时的同步性更好。

实验验证部分：

下面用仿真数据来说明本发明的控制效果，仿真模型采用两台电机通过机械轴刚性连接，并可对单台电机施加负载，机械轴的仿真计算公式如下式所示：

T_l＝K∫(ω_m-ω_l)dt+B(ω_m-ω_l)

其中，T_l为机械轴上输出的转矩，K为机械轴的刚性系数，ω_m和ω_l为机械轴所连接两台电机的实际转速，B为机械轴的阻尼系数。

电机输入转速为1500rpm，在稳速阶段的第10秒，对其中一台电机施加从0到1500的阶跃负载转矩，在第19秒切除。模拟偏载和突加突减负载。仿真在速度环的PI参数上采用了不一样的设置来模拟不同电机控制系统之间的差异。在仿真中没有电流波形一项，这是因为转矩给定到电流给定实际上是比机械时间(秒级)快的多的一阶传递(毫秒级)，转矩的响应特性基本等同于电流响应特性。

从图2中可以看出，在没有下垂控制和转矩观测器的情况下，1.电机转速在突加突减负载时，其响应时间达到了4秒，即4秒后才从负载扰动中恢复到给定转速；2.两台电机的转矩出现了明显的差值，达到150Nm，且在负载存在期间无法恢复到零，这表示电机出现了不同步现象。

从图3中可以看出，在有下垂控制但没有转矩观测器的情况下，1.电机转速在突加突减负载时，其响应时间同样达到了4秒，即4秒后才从负载扰动中恢复，但是由于负载的存在导致给定值也出现变化，因此是恢复到下垂后的速度给定；2.两台电机的转矩在负载突加突减时出现了差值，达到80Nm，但由于下垂的调节作用，该差值是逐渐减小的，从图中看约用10秒的时间减小到0附近，这表示电机会在负载突变时出现不同步，但是在稳态时，不同步现象会逐渐消除。

从图4中可以看出，在下垂控制和转矩观测器都起作用的情况下，1.电机转速在突加突减负载时，其响应时间缩短到了1秒，即1秒即从负载扰动中恢复，同样的，因为负载的存在导致给定值也出现变化，因此恢复到下垂后的速度给定；2.两台电机的转矩在负载突加突减时变化幅度仅为25Nm，且仅用1秒多的时间即可减小到0附近，这表示电机在负载突变时仍能快速保持同步。3.另外，从3个图的机械轴扭矩波形可以看出，在负载突加突减的瞬间，前两种控制方式都会形成一个扭矩的尖峰，而采用了下垂+负载转矩观测器方法的扭矩波形则没有这个尖峰，这说明，本方法不但对于电机的同步性有显著作用，还可减少对机械的冲击，考虑到某些掘进机应用现场负载剧烈波动的情况较为常见，应用本方法对机械系统的保护和机械寿命的延长都有好处。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (3)

1.一种多电机刚性联轴的同步控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：将电机转矩指令值T_CMD1输入至第一低通滤波器得到下垂控制分量ω_Droop，将电机输入速度ω_REF作为输入，并结合下垂控制分量ω_Droop得到电机给定速度ω_REF1；

步骤二：基于所述电机给定速度ω_REF1与电机反馈速度值ω_FK得到误差速度ω_ERR；

步骤三：所述误差速度ω_ERR通过转速环PI调节器得到转矩指令值T_CMD；

步骤四：通过所述转矩指令值T_CMD与第二负载转矩估算值T_{Est_Load1}得到电机转矩指令值T_CMD1；

步骤五：所述电机转矩指令值T_CMD1减去实际负载转矩T_{real_Load}后输入至刀盘机械模型传递函数中，得到电机反馈速度值ω_FK；刀盘机械模型传递函数表达式为

其中，J为电机轴上的转动惯量常数，B为电机驱动系统的摩擦系数，s为微分算子；

将所述电机反馈速度值ω_FK输入至刀盘机械模型估算传递函数的倒数中，并结合所述电机转矩指令值T_CMD1得到第一负载转矩估算值T_{Est_Load}；所述刀盘机械模型估算传递函数的倒数表达式为T_drive＝J^s+B^，其中，J^表示电机轴上的转动惯量常数，B^表示电机驱动系统的摩擦系数，s为微分算子，T_drive表示驱动转矩估算值；

将所述第一负载转矩估算值T_{Est_Load}输入至第二低通滤波器后，得到第二负载转矩估算值T_{Est_Load1}。

2.根据权利要求1所述的一种多电机刚性联轴的同步控制方法，其特征在于，所述第一低通滤波器具有比例系数K，用于调节下垂控制分量的大小，比例系数K为预设的常数。

3.根据权利要求1所述的一种多电机刚性联轴的同步控制方法，其特征在于，所述实际负载转矩T_{real_Load}通过负载观测器实时计算得到。

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