CN113114073B - 盾构机的刀盘电机驱动控制方法及装置 - Google Patents

盾构机的刀盘电机驱动控制方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种盾构机的刀盘电机驱动控制方法及装置，其中该方法包括：读取盾构机上驱动刀盘的各个电机的扭矩输出值；根据每个电机的扭矩输出值，计算每个电机对应的同步补偿值和延迟补偿值；根据每个电机对应的同步补偿值和延迟补偿值，确定每个电机变频器的速度补偿值；根据每个电机变频器的速度补偿值，对每个电机的变频器进行速度补偿。本发明能够确保盾构机上驱动刀盘的多个电机在各种运行条件下扭矩输出差异的瞬时值和RMS值均比较小。

Description

盾构机的刀盘电机驱动控制方法及装置
技术领域
本发明涉及盾构机领域，尤其涉及一种盾构机的刀盘电机驱动控制方法及装置。
背景技术
本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明实施例提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。
盾构机的刀盘驱动系统是盾构机上最重要的系统之一。刀盘的驱动方式有电机驱动和液压驱动两种方式，随着变频驱动技术的发展和成熟，电机驱动越来越成为主流方式。
盾构机的刀盘驱动系统是一个刚性连接系统，各电机的速度差异几乎，但由于机械上的差异(例如，齿隙差异，电机制造误差)，在剧烈变化的负载扭矩下，各电机的扭矩输出可能出现很大差异甚至剧烈抖动，严重的会造成断轴事故。
针对上述问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本发明实施例中提供了一种盾构机的刀盘电机驱动控制方法，用以解决现有盾构机的刀盘驱动系统，由于负载扭矩剧烈变化会导致各电机的扭矩输出可能出现很大差异甚至剧烈抖动的技术问题，该方法包括：读取盾构机上驱动刀盘的各个电机的扭矩输出值；根据每个电机的扭矩输出值，计算每个电机对应的同步补偿值和延迟补偿值；根据每个电机对应的同步补偿值和延迟补偿值，确定每个电机变频器的速度补偿值；根据每个电机变频器的速度补偿值，对每个电机的变频器进行速度补偿。
本发明实施例中还提供了一种盾构机的刀盘电机驱动控制装置，用以解决现有盾构机的刀盘驱动系统，由于负载扭矩剧烈变化会导致各电机的扭矩输出可能出现很大差异甚至剧烈抖动的技术问题，该装置包括：电机扭矩输出值获取模块，用于读取盾构机上驱动刀盘的各个电机的扭矩输出值；补偿值计算模块，用于根据每个电机的扭矩输出值，计算每个电机对应的同步补偿值和延迟补偿值；速度补偿值计算模块，用于根据每个电机对应的同步补偿值和延迟补偿值，确定每个电机变频器的速度补偿值；速度补偿模块，用于根据每个电机变频器的速度补偿值，对每个电机的变频器进行速度补偿。
本发明实施例中还提供了一种计算机设备，用以解决现有盾构机的刀盘驱动系统，由于负载扭矩剧烈变化会导致各电机的扭矩输出可能出现很大差异甚至剧烈抖动的技术问题，该计算机设备包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述盾构机的刀盘电机驱动控制方法。
本发明实施例中还提供了一种计算机可读存储介质，用以解决现有盾构机的刀盘驱动系统，由于负载扭矩剧烈变化会导致各电机的扭矩输出可能出现很大差异甚至剧烈抖动的技术问题，该计算机可读存储介质存储有执行上述盾构机的刀盘电机驱动控制方法的计算机程序。
本发明实施例中提供的盾构机的刀盘电机驱动控制方法、装置、计算机设备及计算机可读存储介质，通过读取盾构机上驱动刀盘的各个电机的扭矩输出值，进而根据每个电机的扭矩输出值，计算每个电机对应的同步补偿值和延迟补偿值，并根据每个电机对应的同步补偿值和延迟补偿值，确定每个电机变频器的速度补偿值，最后根据每个电机变频器的速度补偿值，对每个电机的变频器进行速度补偿。
本发明实施例中，将转矩的同步放在速度环进行补偿，不增加开环零点，对系统稳定性影响小，同时增加了延迟补偿值，克服了通信和变频器动作延时造成的控制滞后问题；通过本发明实施例，能够确保盾构机上驱动刀盘的多个电机在各种运行条件下扭矩输出差异的瞬时值和RMS值均比较小。
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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1为本发明实施例中提供的一种盾构机的刀盘电机驱动控制方法流程图；
图2为采用本发明实施例控制下的四个电机输出扭矩曲线示意图；
图3为本发明实施例中提供的与图2对应的局部放大示意图；
图4为传统Droop控制下四个电机输出扭矩曲线示意图；
图5为本发明实施例中提供的一种盾构机的刀盘电机驱动控制装置示意图；
图6为本发明实施例中提供的一种计算机设备示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
本发明实施例中提供了一种盾构机的刀盘电机驱动控制方法，图1为本发明实施例中提供的一种盾构机的刀盘电机驱动控制方法流程图，如图1所示，该方法包括如下步骤：
S101，读取盾构机上驱动刀盘的各个电机的扭矩输出值。
S102，根据每个电机的扭矩输出值，计算每个电机对应的同步补偿值和延迟补偿值。
在具体实施时，本发明实施例中提供的盾构机的刀盘电机驱动控制方法，可以通过如下公式(1)计算每个电机对应的同步补偿值：
Figure BDA0003051690550000031
其中，CSYN为第i个电机对应的同步补偿值；Ti为当前控制刷新周期内第i个电机的扭矩输出值；
Figure BDA0003051690550000032
表示各个电机的扭矩平均值；KA和KB为预设的补偿系数。
可选地，KA可以设置为一个大于1且小于3的补偿系数；KB可以设置为一个小于1的补偿系数。
在具体实施时，本发明实施例中提供的盾构机的刀盘电机驱动控制方法，可以通过如下公式(2)计算每个电机对应的延迟补偿值：
Cdelay＝Ti *×KC (2)
其中，Cdelay为第i个电机对应的延迟补偿值；Ti *为第i个电机变频器的速度控制器向该变频器下达的扭矩指令；KC为预设的补偿系数。
可选地，KC可以设置为一个小于1的补偿系数。
需要说明的是，本发明实施例中的参数KA、KB、KC可根据实际效果的反馈进行现场调试，上位机可显示和记录扭矩输出值，根据输出值的反馈对这些参数进行调试。
S103，根据每个电机对应的同步补偿值和延迟补偿值，确定每个电机变频器的速度补偿值。
在具体实施时，本发明实施例中提供的盾构机的刀盘电机驱动控制方法，可以通过如下公式(3)计算每个电机变频器的速度补偿值：
Ci＝CSYN+Cdelay (3)
其中，Ci为第i个电机变频器的速度补偿值；CSYN为第i个电机对应的同步补偿值；Cdelay为第i个电机对应的延迟补偿值。
S104，根据每个电机变频器的速度补偿值，对每个电机的变频器进行速度补偿。
在具体实施时，可将本发明实施例中上述S101～S104提供的方案，应用于各个电机的变频器工控板中，并建立星型拓扑结构的ProfinetIRT或EtherCAT通信网络，使得各个电机与中央控制单元通信。
在一个实施例中，本发明实施例中提供的盾构机的刀盘电机驱动控制方法还可以包括如下步骤：获取各个电机的扭矩输出值；根据各个电机的扭矩输出值，计算各个电机的扭矩平均值。
在具体实施时，各个电机的变频器将各自电机当前的扭矩输出值，发送给中央控制单元，当中央控制单元根据各个电机的扭矩输出值，计算出扭矩平均值后，再发送给各个电机的变频器，整个过程存在一定的通信延时；本发明实施例中，利用上述公式(3)计算出的速度补偿值，考虑了通信延时，能够进一步降低各个电机扭矩输出值的差异。
假设某个盾构机的刀盘驱动系统是由n个相同型号的电机驱动的，对于1号电机的变频器，其同步补偿值为：
Figure BDA0003051690550000041
其延迟补偿值为：Cdelay＝T1 *×KC；最终1号电机的变频器补偿值为：C1＝CSYN+Cdelay。
本发明实施例中提供的盾构机的刀盘电机驱动控制方法，将电机的扭矩输出值通过数据总线(例如，profinetIRT或EtherCAT)传输给中央计算单元(通信模块的通信速度越快越好，刷新时间一般至少小于50ms)，计算平均值再反馈给各个电机的变频器，再同时读取当前输出扭矩值，在变频器的计算单元中，将当前输出扭矩值乘以大于1且小于3的系数KA再减去中央计算单元传来的扭矩平均值，再乘以一个小于1的系数KB得到同步补偿值；因变频器执行扭矩指令也会有一个延时，将当前变频器的扭矩指令值乘以一个小于1的系数KC得到延迟补偿值，将同步补偿值和延迟补偿值相加得到最终补偿值，将其负反馈给速度给定。
本发明实施例中，将转矩的同步放在速度环进行补偿，不增加开环零点，对系统稳定性影响小，同时增加了延迟补偿值，克服了通信和变频器动作延时造成的控制滞后问题。通过本发明实施例中提供的盾构机的刀盘电机驱动控制方法，能够取得更好的同步效果，能够应对突变负载带来的扭矩抖动问题，并且需要调试的参数个数少，只在速度环进行补偿，对变频调速系统的鲁棒性影响小，参数调试相比于环形耦合和各种偏差耦合更为简单，相比于非耦合控制的同步能力更强，通信数据量也很少。
实验证明，本发明实施例中提供的基于耦合控制方式的盾构机刀盘电机驱动控制方法，能够在多电机在负载剧烈波动条件下扭矩输出差异的瞬时值和RMS值均小于最小电机输出瞬时值和RMS值的5％。图2至图4为利用有限元软件与MATLAB联合仿真，控制刀盘上的四个驱动电机按实际工况转动的扭矩曲线，在第五秒施加200％突变负载。图2显示的仿真结果利用了本发明实施例中提供的基于耦合控制方式的盾构机刀盘电机驱动控制方法，可以看出，四台电机扭矩的波动更小；图3为图2的局部放大图像，可见扭矩波动非常小；图4的仿真仍使用Droop控制，与图2的仿真结果对比，可见传统Droop控制的扭矩波动很大。图2～图4中横坐标为时间，纵坐标为电机扭矩输出值。
基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种盾构机的刀盘电机驱动控制装置，如下面的实施例所述。由于该装置解决问题的原理与盾构机的刀盘电机驱动控制方法相似，因此该装置的实施可以参见盾构机的刀盘电机驱动控制方法的实施，重复之处不再赘述。
图5为本发明实施例中提供的一种盾构机的刀盘电机驱动控制装置示意图，如图5所示，该装置包括：电机扭矩输出值获取模块51、补偿值计算模块52、速度补偿值计算模块53和速度补偿模块54。
其中，电机扭矩输出值获取模块51，用于读取盾构机上驱动刀盘的各个电机的扭矩输出值；补偿值计算模块52，用于根据每个电机的扭矩输出值，计算每个电机对应的同步补偿值和延迟补偿值；速度补偿值计算模块53，用于根据每个电机对应的同步补偿值和延迟补偿值，确定每个电机变频器的速度补偿值；速度补偿模块54，用于根据每个电机变频器的速度补偿值，对每个电机的变频器进行速度补偿。
此处需要说明的是，上述电机扭矩输出值获取模块51、补偿值计算模块52、速度补偿值计算模块53和速度补偿模块54对应于方法实施例中的S101～S104，上述模块与对应的步骤所实现的示例和应用场景相同，但不限于上述方法实施例所公开的内容。需要说明的是，上述模块作为装置的一部分可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。
在一个实施例中，上述补偿值计算模块52还用于通过上述公式(1)计算每个电机对应的同步补偿值。
进一步地，一个实施例中，本发明实施例中提供的盾构机的刀盘电机驱动控制方法还包括如下步骤：获取各个电机的扭矩输出值；根据各个电机的扭矩输出值，计算各个电机的扭矩平均值。
在一个实施例中，上述补偿值计算模块52还用于通过上述公式(2)计算每个电机对应的延迟补偿值。
在一个实施例中，上述速度补偿值计算模块53还用于通过上述公式(3)计算每个电机变频器的速度补偿值。
基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种计算机设备，用以解决现有盾构机的刀盘驱动系统，由于负载扭矩剧烈变化会导致各电机的扭矩输出可能出现很大差异甚至剧烈抖动的技术问题，图6为本发明实施例中提供的一种计算机设备示意图，如图6所示，该计算机设备60包括存储器601、处理器602及存储在存储器601上并可在处理器602上运行的计算机程序，处理器602执行计算机程序时实现上述盾构机的刀盘电机驱动控制方法。
基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种计算机可读存储介质，用以解决现有盾构机的刀盘驱动系统，由于负载扭矩剧烈变化会导致各电机的扭矩输出可能出现很大差异甚至剧烈抖动的技术问题，该计算机可读存储介质存储有执行上述盾构机的刀盘电机驱动控制方法的计算机程序。
综上所述，本发明实施例中提供的盾构机的刀盘电机驱动控制方法、装置、计算机设备及计算机可读存储介质，通过读取盾构机上驱动刀盘的各个电机的扭矩输出值，进而根据每个电机的扭矩输出值，计算每个电机对应的同步补偿值和延迟补偿值，并根据每个电机对应的同步补偿值和延迟补偿值，确定每个电机变频器的速度补偿值，最后根据每个电机变频器的速度补偿值，对每个电机的变频器进行速度补偿。
本发明实施例中，将转矩的同步放在速度环进行补偿，不增加开环零点，对系统稳定性影响小，同时增加了延迟补偿值，克服了通信和变频器动作延时造成的控制滞后问题；通过本发明实施例，能够确保盾构机上驱动刀盘的多个电机在各种运行条件下扭矩输出差异的瞬时值和RMS值均比较小。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种盾构机的刀盘电机驱动控制方法，其特征在于，包括：
读取盾构机上驱动刀盘的各个电机的扭矩输出值；
根据每个电机的扭矩输出值，计算每个电机对应的同步补偿值和延迟补偿值；
根据每个电机对应的同步补偿值和延迟补偿值，确定每个电机变频器的速度补偿值；
根据每个电机变频器的速度补偿值，对每个电机的变频器进行速度补偿；
通过如下公式计算每个电机对应的同步补偿值：
Figure QLYQS_1
其中，CSYN为第i个电机对应的同步补偿值；Ti为当前控制刷新周期内第i个电机的扭矩输出值；
Figure QLYQS_2
表示各个电机的扭矩平均值；KA和KB为预设的补偿系数；
通过如下公式计算每个电机对应的延迟补偿值：
Cdelay＝Ti *×KC；
其中，Cdelay为第i个电机对应的延迟补偿值；Ti *为当前控制刷新周期内第i个电机变频器的速度控制器向该电机变频器下达的扭矩指令；KC为预设的补偿系数；
通过如下公式计算每个电机变频器的速度补偿值：
Ci＝CSYN+Cdelay；
其中，Ci为第i个电机变频器的速度补偿值；CSYN为第i个电机对应的同步补偿值；Cdelay为第i个电机对应的延迟补偿值。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，KA为一个大于1且小于3的补偿系数；KB为一个小于1的补偿系数。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
获取各个电机的扭矩输出值；
根据各个电机的扭矩输出值，计算各个电机的扭矩平均值。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，KC为一个小于1的补偿系数。
5.一种盾构机的刀盘电机驱动控制装置，其特征在于，包括：
电机扭矩输出值获取模块，用于读取盾构机上驱动刀盘的各个电机的扭矩输出值；
补偿值计算模块，用于根据每个电机的扭矩输出值，计算每个电机对应的同步补偿值和延迟补偿值；
速度补偿值计算模块，用于根据每个电机对应的同步补偿值和延迟补偿值，确定每个电机变频器的速度补偿值；
速度补偿模块，用于根据每个电机变频器的速度补偿值，对每个电机的变频器进行速度补偿；
补偿值计算模块具体用于：
通过如下公式计算每个电机对应的同步补偿值：
Figure QLYQS_3
其中，CSYN为第i个电机对应的同步补偿值；Ti为当前控制刷新周期内第i个电机的扭矩输出值；
Figure QLYQS_4
表示各个电机的扭矩平均值；KA和KB为预设的补偿系数；
通过如下公式计算每个电机对应的延迟补偿值：
Cdelay＝Ti *×KC；
其中，Cdelay为第i个电机对应的延迟补偿值；Ti *为当前控制刷新周期内第i个电机变频器的速度控制器向该电机变频器下达的扭矩指令；KC为预设的补偿系数；
速度补偿值计算模块具体用于：
通过如下公式计算每个电机变频器的速度补偿值：
Ci＝CSYN+Cdelay；
其中，Ci为第i个电机变频器的速度补偿值；CSYN为第i个电机对应的同步补偿值；Cdelay为第i个电机对应的延迟补偿值。
6.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至4任一项所述盾构机的刀盘电机驱动控制方法。
7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有执行权利要求1至4任一项所述盾构机的刀盘电机驱动控制方法的计算机程序。
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