CN112087165A - 一种刮板输送机的双电机驱动控制方法 - Google Patents

一种刮板输送机的双电机驱动控制方法 Download PDF

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CN112087165A CN202010990961.7A CN202010990961A CN112087165A CN 112087165 A CN112087165 A CN 112087165A CN 202010990961 A CN202010990961 A CN 202010990961A CN 112087165 A CN112087165 A CN 112087165A
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王成
汪沁
谭阜琛
师磊
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Abstract

本发明公开了一种刮板输送机的双电机驱动控制方法，包括将双电机分为主驱动电机和从驱动电机，主驱动电机采用电流模型预测控制，从驱动电机采用直接转矩模型预测控制。本发明方法简单，实现方便，能够有效应用在刮板输送机双电机驱动系统中，能够解决功率不平衡问题，并且在保持矢量控制和直接转矩控制优势的同时发挥了模型预测控制的优点，效果显著，便于推广。

Description

一种刮板输送机的双电机驱动控制方法
技术领域
本发明属于煤矿井下综采工作面开采技术领域，具体涉及一种刮板输送机的双电机驱动控制方法。
背景技术
随着社会和工业技术发展，能源消费越来越多，煤炭仍是国家长期的主要能源。然而，近年来我国各地煤矿开采难度愈来愈大，由于煤矿的常年开采导致煤层发生沉积变化，亟需利用高新技术来提高采煤效率、安全性和可靠性。在实现一矿一井一面的高度集约化生产模式中，作为综采工作面的主要设备，刮板输送机对综采工作面的生产能力至关重要。
由于井下综采工作面空间狭窄，刮板输送机工作环境恶劣，同时运量、运距和功率的增大导致刮板输送机频繁重载启动，电能损耗变大，同时，当刮板输送机处于双电机驱动时，由于两台电机受各种因素的影响导致参数不一致，使得两台电机功率分配不平衡，一机过载一机欠载的情况时有发生，电机功率不平衡会造成各电机的寿命不一，双机驱动的优势无法充分发挥。
刮板输送机驱动电机的变频控制策略决定了刮板输送机能否高效稳定运行。现有技术中，刮板输送机驱动系统常采用矢量控制和直接转矩控制作为其变频控制方式，但是这两种控制方式仍存在一些弊端，鲁棒性和动态性能有待提高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种刮板输送机的双电机驱动控制方法，其方法简单，实现方便，主驱动电机采用电流模型预测控制，从驱动电机采用直接转矩模型预测控制，能够有效应用在刮板输送机双电机驱动系统中，能够解决功率不平衡问题，并且在保持矢量控制和直接转矩控制优势的同时发挥了模型预测控制的优点，效果显著，便于推广。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种刮板输送机的双电机驱动控制方法，该方法包括将双电机分为主驱动电机和从驱动电机，所述主驱动电机采用电流模型预测控制，所述从驱动电机采用直接转矩模型预测控制。
上述的一种刮板输送机的双电机驱动控制方法，所述主驱动电机采用电流模型预测控制中的目标函数为：
Figure BDA0002690917590000021
其中，g1表示电流模型预测控制中的目标函数，
Figure BDA0002690917590000022
为主驱动电机定子电流励磁分量的给定值，
Figure BDA0002690917590000023
为主驱动电机定子电流励磁分量的预测值，
Figure BDA0002690917590000024
为主驱动电机定子电流转矩分量的给定值，
Figure BDA0002690917590000025
为主驱动电机定子电流转矩分量的预测值。
上述的一种刮板输送机的双电机驱动控制方法，所述主驱动电机采用电流模型预测控制中的定子电流预测值为：
Figure BDA0002690917590000026
其中，
Figure BDA0002690917590000027
表示主驱动电机在k+1时刻的定子电流值，
Figure BDA0002690917590000028
表示主驱动电机在k时刻的定子电流值，
Figure BDA0002690917590000029
表示主驱动电机在k时刻的转子磁链值，
Figure BDA00026909175900000210
表示主驱动电机的定子电压矢量，Ts1为主驱动电机的定子时间常数，τσ1为主驱动电机的定子瞬变时间常数，且
Figure BDA00026909175900000211
σ为主驱动电机漏感系数，Ls1为主驱动电机定子漏感，Rσ1为主驱动电机等效电阻，且
Figure BDA00026909175900000212
Rs1为主驱动电机的定子电阻，Rr1为主驱动电机的转子电阻，kr1为主驱动电机转子漏感系数，且
Figure BDA00026909175900000213
Lm1为主驱动电机的定子互感，Lr1为主驱动电机的转子电感，τr1为衰减系数，且
Figure BDA00026909175900000214
ωm1为主驱动电机的转速；
主驱动电机转子磁链观测值为：
Figure BDA0002690917590000031
其中，
Figure BDA0002690917590000032
为主驱动电机的定子电流矢量。
上述的一种刮板输送机的双电机驱动控制方法，所述主驱动电机采用电流模型预测控制的具体过程包括：
步骤A1、采集主驱动电机在k时刻的定子电流
Figure BDA0002690917590000033
和转速ωm1(k)，以及主驱动电机逆变器直流侧电压udc1(k)；
步骤A2、计算主驱动电机在k时刻的转子磁链
Figure BDA0002690917590000034
步骤A3、根据主驱动电机的转速和磁链外环获得主驱动电机在k时刻的定子电流励磁分量给定值
Figure BDA0002690917590000035
和定子电流转矩分量给定值
Figure BDA0002690917590000036
并构造目标函数；
步骤A4、预测主驱动电机在k+1时刻的定子电流值
Figure BDA0002690917590000037
步骤A5、对8种开关状态电压矢量循环计算，计算目标函数，选择目标函数最小的开关矢量作为主驱动电机控制的最佳电压矢量Sopt1。
上述的一种刮板输送机的双电机驱动控制方法，所述从驱动电机采用直接转矩模型预测控制的目标函数为：
Figure BDA0002690917590000038
其中，g2表示直接转矩模型预测控制中的目标函数，
Figure BDA0002690917590000039
为从驱动电机的转矩给定值，
Figure BDA00026909175900000310
为从驱动电机的转矩预测值，
Figure BDA00026909175900000311
为从驱动电机定子磁链给定值，
Figure BDA00026909175900000312
为从驱动电机定子磁链预测值。
上述的一种刮板输送机的双电机驱动控制方法，所述从驱动电机采用直接转矩模型预测控制中的定子磁链观测值为：
Figure BDA00026909175900000313
转子磁链观测值为：
Figure BDA0002690917590000041
其中，ψs2α为从驱动电机的定子磁链值在α坐标轴上的分量，ψs2β为从驱动电机的定子磁链值在β坐标轴上的分量，us2α为从驱动电机的电压在α坐标轴上的分量，us2β为从驱动电机的电压在β坐标轴上的分量，is2α为从驱动电机的定子电流在α坐标轴上的分量，is2β为从驱动电机的定子电流在β坐标轴上的分量，Rs2为从驱动电机的定子电阻，Tr2为从驱动电机的转子时间常数，且
Figure BDA0002690917590000042
Lr2为从驱动电机转子漏感，Rr2为从驱动电机转子电阻，ψr2α为从驱动电机的转子磁链在α坐标轴上的分量，ψr2β为从驱动电机的转子磁链在β坐标轴上的分量，Lm2为从驱动电机的定子互感，ωr2为从驱动电机的转子角速度；
从驱动电机定子磁链预测值为：
Figure BDA0002690917590000043
其中，
Figure BDA0002690917590000044
表示从驱动电机在k+1时刻的定子磁链值，
Figure BDA0002690917590000045
表示从驱动电机在k时刻的定子磁链值，
Figure BDA0002690917590000046
表示从驱动电机在k时刻的定子电压矢量，
Figure BDA0002690917590000047
表示从驱动电机在k时刻的定子电流，Ts2为从驱动电机的定子时间常数；
从驱动电机转矩预测值为：
Figure BDA0002690917590000048
其中，Te2(k+1)表示从驱动电机在k+1时刻的转矩值，
Figure BDA0002690917590000049
表示从驱动电机在k+1时刻的定子电流，nP为从驱动电机的极对数。
上述的一种刮板输送机的双电机驱动控制方法，所述从驱动电机采用直接转矩模型预测控制的具体过程包括：
步骤B1、采集从驱动电机在k时刻的定子电流
Figure BDA00026909175900000410
和转速ωm2(k)，以及从驱动电机逆变器直流侧电压udc2(k)；
步骤B2、计算从驱动电机在k时刻的定子磁链
Figure BDA00026909175900000411
和电磁转矩Te2(k)；
步骤B3、根据转矩分配获得从驱动电机的转矩给定值
Figure BDA0002690917590000051
并构造目标函数；
步骤B4、预测从驱动电机在k+1时刻的定子磁链
Figure BDA0002690917590000052
和电磁转矩Te2(k+1)；
步骤B5、对8种开关状态电压矢量循环计算，计算目标函数，选择目标函数最小的开关矢量作为从驱动电机控制的最佳电压矢量Sopt2。
本发明与现有技术相比具有以下优点：本发明方法简单，实现方便，主驱动电机采用电流模型预测控制，从驱动电机采用直接转矩模型预测控制，能够有效应用在刮板输送机双电机驱动系统中，能够解决功率不平衡问题，并且在保持矢量控制和直接转矩控制优势的同时发挥了模型预测控制的优点，效果显著，便于推广。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的方法示意图；
图2为本发明主驱动电机采用电流模型预测控制的方法流程图；
图3为本发明从驱动电机采用直接转矩模型预测控制的方法流程图；
图4为本发明主驱动电机与从驱动电机在转矩分配为1:1时的仿真效果图；
图5为本发明主驱动电机与从驱动电机在转矩分配为1:1.2时的仿真效果图；
图6为本发明主驱动电机与从驱动电机功率不一致时的仿真效果图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的刮板输送机的双电机驱动控制方法，包括将双电机分为主驱动电机和从驱动电机，所述主驱动电机采用电流模型预测控制，所述从驱动电机采用直接转矩模型预测控制。
本方法中，所述主驱动电机采用电流模型预测控制中的目标函数为：
Figure BDA0002690917590000061
其中，g1表示电流模型预测控制中的目标函数，
Figure BDA0002690917590000062
为主驱动电机定子电流励磁分量的给定值，
Figure BDA0002690917590000063
为主驱动电机定子电流励磁分量的预测值，
Figure BDA0002690917590000064
为主驱动电机定子电流转矩分量的给定值，
Figure BDA0002690917590000065
为主驱动电机定子电流转矩分量的预测值。
本方法中，所述主驱动电机采用电流模型预测控制中的定子电流预测值为：
Figure BDA0002690917590000066
其中，
Figure BDA0002690917590000067
表示主驱动电机在k+1时刻的定子电流值，
Figure BDA0002690917590000068
表示主驱动电机在k时刻的定子电流值，
Figure BDA0002690917590000069
表示主驱动电机在k时刻的转子磁链值，
Figure BDA00026909175900000610
表示主驱动电机的定子电压矢量，Ts1为主驱动电机的定子时间常数，τσ1为主驱动电机的定子瞬变时间常数，且
Figure BDA00026909175900000611
σ为主驱动电机漏感系数，Ls1为主驱动电机定子漏感，Rσ1为主驱动电机等效电阻，且
Figure BDA00026909175900000612
Rs1为主驱动电机的定子电阻，Rr1为主驱动电机的转子电阻，kr1为主驱动电机转子漏感系数，且
Figure BDA00026909175900000613
Lm1为主驱动电机的定子互感，Lr1为主驱动电机的转子电感，τr1为衰减系数，且
Figure BDA00026909175900000614
ωm1为主驱动电机的转速；
主驱动电机转子磁链观测值为：
Figure BDA00026909175900000615
其中，
Figure BDA00026909175900000616
为主驱动电机的定子电流矢量。
本方法中，如图2所示，所述主驱动电机采用电流模型预测控制的具体过程包括：
步骤A1、采集主驱动电机在k时刻的定子电流
Figure BDA00026909175900000617
和转速ωm1(k)，以及主驱动电机逆变器直流侧电压udc1(k)；
步骤A2、计算主驱动电机在k时刻的转子磁链
Figure BDA0002690917590000071
步骤A3、根据主驱动电机的转速和磁链外环获得主驱动电机在k时刻的定子电流励磁分量给定值
Figure BDA0002690917590000072
和定子电流转矩分量给定值
Figure BDA0002690917590000073
并构造目标函数；
步骤A4、预测主驱动电机在k+1时刻的定子电流值
Figure BDA0002690917590000074
步骤A5、对8种开关状态电压矢量循环计算，计算目标函数，选择目标函数最小的开关矢量作为主驱动电机控制的最佳电压矢量Sopt1。
具体实施时，通过最佳电压矢量Sopt1控制主驱动电机逆变器的功率开关。
本方法中，所述从驱动电机采用直接转矩模型预测控制的目标函数为：
Figure BDA0002690917590000075
其中，g2表示直接转矩模型预测控制中的目标函数，
Figure BDA0002690917590000076
为从驱动电机的转矩给定值，
Figure BDA0002690917590000077
为从驱动电机的转矩预测值，
Figure BDA0002690917590000078
为从驱动电机定子磁链给定值，
Figure BDA0002690917590000079
为从驱动电机定子磁链预测值。
本方法中，所述从驱动电机采用直接转矩模型预测控制中的定子磁链观测值为：
Figure BDA00026909175900000710
转子磁链观测值为：
Figure BDA00026909175900000711
其中，ψs2α为从驱动电机的定子磁链值在α坐标轴上的分量，ψs2β为从驱动电机的定子磁链值在β坐标轴上的分量，us2α为从驱动电机的电压在α坐标轴上的分量，us2β为从驱动电机的电压在β坐标轴上的分量，is2α为从驱动电机的定子电流在α坐标轴上的分量，is2β为从驱动电机的定子电流在β坐标轴上的分量，Rs2为从驱动电机的定子电阻，Tr2为从驱动电机的转子时间常数，且
Figure BDA0002690917590000081
Lr2为从驱动电机转子漏感，Rr2为从驱动电机转子电阻，ψr2α为从驱动电机的转子磁链在α坐标轴上的分量，ψr2β为从驱动电机的转子磁链在β坐标轴上的分量，Lm2为从驱动电机的定子互感，ωr2为从驱动电机的转子角速度；
从驱动电机定子磁链预测值为：
Figure BDA0002690917590000082
其中，
Figure BDA0002690917590000083
表示从驱动电机在k+1时刻的定子磁链值，
Figure BDA0002690917590000084
表示从驱动电机在k时刻的定子磁链值，
Figure BDA0002690917590000085
表示从驱动电机在k时刻的定子电压矢量，
Figure BDA0002690917590000086
表示从驱动电机在k时刻的定子电流，Ts2为从驱动电机的定子时间常数；
从驱动电机转矩预测值为：
Figure BDA0002690917590000087
其中，Te2(k+1)表示从驱动电机在k+1时刻的转矩值，
Figure BDA0002690917590000088
表示从驱动电机在k+1时刻的定子电流，nP为从驱动电机的极对数。
本方法中，如图3所示，所述从驱动电机采用直接转矩模型预测控制的具体过程包括：
步骤B1、采集从驱动电机在k时刻的定子电流
Figure BDA0002690917590000089
和转速ωm2(k)，以及从驱动电机逆变器直流侧电压udc2(k)；
步骤B2、计算从驱动电机在k时刻的定子磁链
Figure BDA00026909175900000810
和电磁转矩Te2(k)；
步骤B3、根据转矩分配获得从驱动电机的转矩给定值
Figure BDA00026909175900000811
并构造目标函数；
步骤B4、预测从驱动电机在k+1时刻的定子磁链
Figure BDA00026909175900000812
和电磁转矩Te2(k+1)；
步骤B5、对8种开关状态电压矢量循环计算，计算目标函数，选择目标函数最小的开关矢量作为从驱动电机控制的最佳电压矢量Sopt2。
具体实施时，根据模型预测控制对目标函数最优化的要求，对两电平8种开关状态的电压矢量进行遍历，然后筛选出合适的输出矢量。输出矢量的筛选规则为：选择能够使得目标函数数值最小的开关矢量作为输出矢量。在筛选输出矢量的过程中，选择(0,0,0)和(1,1,1)两种零矢量中的任意一种。最后，通过最佳电压矢量Sopt2控制从驱动电机逆变器的功率开关。
为了验证本发明方法的控制效果，通过MATLAB/Simulink进行仿真分析。
选择相同参数电机进行仿真分析，电机参数如表1所示。
表1电机参数
Figure BDA0002690917590000091
电机空载起动，在2s时突加负载，负载转矩为200N·m，2.5s时负载转矩为0，3s时电机升速至1146r/min，此过程始终保持转矩分配为1:1，仿真结果如图4所示。
电机空载起动，在2s时突加负载，负载转矩为200N·m，2.5s时负载转矩为0，3s时电机升速至1146r/min，此过程始终保持转矩分配为1:1.2，仿真结果如图5所示。
对比图4和图5可以看出，转矩分配比改变，两电机转速能够完全保持一致，主从电机的输出转矩也完全符合转矩分配比，结果表明本发明控制方法在两电机参数一致时能有效解决功率不平衡问题。
保持主电机功率不变，改变从电机功率，从电机参数如表2所示。
表2从电机参数
Figure BDA0002690917590000101
电机空载起动，在2s时突加负载，负载转矩为200N·m，2.5s时负载转矩为0N·m，3s时电机升速至1146r/min，仿真结果如图6所示。
对图6分析可得，当主从电机功率不一致时，本发明控制方法仍能保证两电机转速完全一致。转矩方面，主电机转矩与从电机转矩之间的跟随性良好，转矩分配比与两电机功率比值保持一致。图6(c)和6(d)为两电机转矩在加载和减载时的比值，由图可知比值基本维持在2(±0.25)。
因此，本发明控制方法能够有效的解决各种情况下的功率不平衡问题。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (7)

1.一种刮板输送机的双电机驱动控制方法，其特征在于，该方法包括将双电机分为主驱动电机和从驱动电机，所述主驱动电机采用电流模型预测控制，所述从驱动电机采用直接转矩模型预测控制。
2.按照权利要求1所述的一种刮板输送机的双电机驱动控制方法，其特征在于，所述主驱动电机采用电流模型预测控制中的目标函数为：
Figure FDA0002690917580000011
其中，g1表示电流模型预测控制中的目标函数，
Figure FDA0002690917580000012
为主驱动电机定子电流励磁分量的给定值，
Figure FDA00026909175800000114
为主驱动电机定子电流励磁分量的预测值，
Figure FDA0002690917580000013
为主驱动电机定子电流转矩分量的给定值，
Figure FDA0002690917580000014
为主驱动电机定子电流转矩分量的预测值。
3.按照权利要求1所述的一种刮板输送机的双电机驱动控制方法，其特征在于，所述主驱动电机采用电流模型预测控制中的定子电流预测值为：
Figure FDA0002690917580000015
其中，
Figure FDA0002690917580000016
表示主驱动电机在k+1时刻的定子电流值，
Figure FDA0002690917580000017
表示主驱动电机在k时刻的定子电流值，
Figure FDA0002690917580000018
表示主驱动电机在k时刻的转子磁链值，
Figure FDA0002690917580000019
表示主驱动电机的定子电压矢量，Ts1为主驱动电机的定子时间常数，τσ1为主驱动电机的定子瞬变时间常数，且
Figure FDA00026909175800000110
σ为主驱动电机漏感系数，Ls1为主驱动电机定子漏感，Rσ1为主驱动电机等效电阻，且
Figure FDA00026909175800000111
Rs1为主驱动电机的定子电阻，Rr1为主驱动电机的转子电阻，kr1为主驱动电机转子漏感系数，且
Figure FDA00026909175800000112
Lm1为主驱动电机的定子互感，Lr1为主驱动电机的转子电感，τr1为衰减系数，且
Figure FDA00026909175800000113
ωm1为主驱动电机的转速；
主驱动电机转子磁链观测值为：
Figure FDA0002690917580000021
其中，
Figure FDA0002690917580000022
为主驱动电机的定子电流矢量。
4.按照权利要求1所述的一种刮板输送机的双电机驱动控制方法，其特征在于，所述主驱动电机采用电流模型预测控制的具体过程包括：
步骤A1、采集主驱动电机在k时刻的定子电流
Figure FDA0002690917580000023
和转速ωm1(k)，以及主驱动电机逆变器直流侧电压udc1(k)；
步骤A2、计算主驱动电机在k时刻的转子磁链
Figure FDA0002690917580000024
步骤A3、根据主驱动电机的转速和磁链外环获得主驱动电机在k时刻的定子电流励磁分量给定值
Figure FDA0002690917580000025
和定子电流转矩分量给定值
Figure FDA0002690917580000026
并构造目标函数；
步骤A4、预测主驱动电机在k+1时刻的定子电流值
Figure FDA0002690917580000027
步骤A5、对8种开关状态电压矢量循环计算，计算目标函数，选择目标函数最小的开关矢量作为主驱动电机控制的最佳电压矢量Sopt1。
5.按照权利要求1所述的一种刮板输送机的双电机驱动控制方法，其特征在于，所述从驱动电机采用直接转矩模型预测控制的目标函数为：
Figure FDA0002690917580000028
其中，g2表示直接转矩模型预测控制中的目标函数，
Figure FDA0002690917580000029
为从驱动电机的转矩给定值，
Figure FDA00026909175800000210
为从驱动电机的转矩预测值，
Figure FDA00026909175800000211
为从驱动电机定子磁链给定值，
Figure FDA00026909175800000212
为从驱动电机定子磁链预测值。
6.按照权利要求1所述的一种刮板输送机的双电机驱动控制方法，其特征在于，所述从驱动电机采用直接转矩模型预测控制中的定子磁链观测值为：
Figure FDA00026909175800000213
转子磁链观测值为：
Figure FDA0002690917580000031
其中，ψs2α为从驱动电机的定子磁链值在α坐标轴上的分量，ψs2β为从驱动电机的定子磁链值在β坐标轴上的分量，us2α为从驱动电机的电压在α坐标轴上的分量，us2β为从驱动电机的电压在β坐标轴上的分量，is2α为从驱动电机的定子电流在α坐标轴上的分量，is2β为从驱动电机的定子电流在β坐标轴上的分量，Rs2为从驱动电机的定子电阻，Tr2为从驱动电机的转子时间常数，且
Figure FDA0002690917580000032
Lr2为从驱动电机转子漏感，Rr2为从驱动电机转子电阻，ψr2α为从驱动电机的转子磁链在α坐标轴上的分量，ψr2β为从驱动电机的转子磁链在β坐标轴上的分量，Lm2为从驱动电机的定子互感，ωr2为从驱动电机的转子角速度；
从驱动电机定子磁链预测值为：
Figure FDA0002690917580000033
其中，
Figure FDA0002690917580000034
表示从驱动电机在k+1时刻的定子磁链值，
Figure FDA0002690917580000035
表示从驱动电机在k时刻的定子磁链值，
Figure FDA0002690917580000036
表示从驱动电机在k时刻的定子电压矢量，
Figure FDA0002690917580000037
表示从驱动电机在k时刻的定子电流，Ts2为从驱动电机的定子时间常数；
从驱动电机转矩预测值为：
Figure FDA0002690917580000038
其中，Te2(k+1)表示从驱动电机在k+1时刻的转矩值，
Figure FDA0002690917580000039
表示从驱动电机在k+1时刻的定子电流，nP为从驱动电机的极对数。
7.按照权利要求1所述的一种刮板输送机的双电机驱动控制方法，其特征在于，所述从驱动电机采用直接转矩模型预测控制的具体过程包括：
步骤B1、采集从驱动电机在k时刻的定子电流
Figure FDA00026909175800000310
和转速ωm2(k)，以及从驱动电机逆变器直流侧电压udc2(k)；
步骤B2、计算从驱动电机在k时刻的定子磁链
Figure FDA00026909175800000311
和电磁转矩Te2(k)；
步骤B3、根据转矩分配获得从驱动电机的转矩给定值
Figure FDA0002690917580000041
并构造目标函数；
步骤B4、预测从驱动电机在k+1时刻的定子磁链
Figure FDA0002690917580000042
和电磁转矩Te2(k+1)；
步骤B5、对8种开关状态电压矢量循环计算，计算目标函数，选择目标函数最小的开关矢量作为从驱动电机控制的最佳电压矢量Sopt2。
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