CN113489403A - 一种盾构机驱动系统的多电机均载协同控制装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种盾构机驱动系统的多电机均载协同控制装置及方法，涉及盾构机控制技术领域，该装置包括：多台盾构机驱动系统及上位机；其中，每个盾构机驱动系统分别与上位机连接，并通过电机带动齿轮转动，向刀盘输送动力；上位机采集每个盾构机驱动系统的反馈信息，并通过转矩协同控制算法计算出每个盾构机驱动系统的转矩补偿量，发送至相应的盾构机驱动系统进行电机协同控制。利用该装置及方法可以在复杂工况环境下通过转速观测器实现转速闭环控制，并通过负载均衡环节对刀盘负载进行分配，实现各电机转矩协同输出。

Description

一种盾构机驱动系统的多电机均载协同控制装置及方法
技术领域
本发明涉及盾构机控制技术领域，尤指一种盾构机驱动系统的多电机均载协同控制装置及方法。
背景技术
盾构隧道掘进机是一种用于挖掘地下隧道工程的专业掘进装备。盾构机掘进系统是集自动化、机械化、计算机等多学科于一体的庞大体系工程应用器械，主要由盾构刀盘及辅助设施构成。其中盾构机盾体一般体积大、负载功率大，需要多个电机协同驱动工作。在盾构机工作过程中，需要控制刀盘转速稳定，因此对每台电机的控制精度有很高的要求。但是盾构机常面临复杂工况条件，掘进施工的地质条件随机性强，波动性大，常出现负载突增突减以及偏载的情况，因此对电机载荷适应性要求较高。
盾构机刀盘通过大齿圈与小齿圈的啮合作用将负载转矩分配到各电机上。在负载波动剧烈的情况下易造成刀盘负载分配不均衡，部分电机输出的转矩大于其余电机，造成转轴受力不均，严重时会引起断轴事故，影响工程进度。因此需要协同控制刀盘上的电机根据负载情况对转矩进行分配。
目前，国内外盾构掘进系统大多使用转速PID控制或是直接转矩控制策略，针对多电机控制主要分为主从控制和并行控制两大类，其中主从控制由于从电机响应主电机转速存在延时，造成系统整体响应速度较慢，无法对复杂多变的掘进工况做出准确的响应，因此不适用于盾构机地下掘进场合；并行控制是一种典型的非耦合控制，每台电机有着相同的给定参考值，但是当其中一台电机参数变化时，其他台电机不能得到相关信号，不能做出调整。为了令电机之间相互耦合，有学者提出了相邻交叉耦合控制，其基本思想是耦合相邻电机之间的速度和转矩误差信号，设计比例控制器对参考值进行补偿，从而提高系统的抗干扰能力。传统的相邻交叉耦合策略能够将单台电机的扰动信息通过耦合传递到所有电机上，但每经过一次传递，扰动信号会存在一定程度上的削弱，且扰动信号传递过程也会引入一定的延时，影响系统整体协同性能。特别的，由于盾构机工作环境恶劣，电机转速传感器工作受限，不能实现电机转速采样。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种盾构机驱动系统的多电机均载协同控制装置及方法。本发明可以在复杂工况环境下通过转速观测器实现转速闭环控制，并通过负载均衡环节对刀盘负载进行分配，实现各电机转矩协同输出。
在本发明实施例的第一方面，提出了一种盾构机驱动系统的多电机均载协同控制装置，该装置包括：多台盾构机驱动系统及上位机；其中，
每个盾构机驱动系统分别与上位机连接，并通过电机带动齿轮转动，向刀盘输送动力；
上位机采集每个盾构机驱动系统的反馈信息，并通过转矩协同控制算法计算出每个盾构机驱动系统的转矩补偿量，发送至相应的盾构机驱动系统进行电机协同控制。
在本发明实施例的第二方面，提出了一种盾构机驱动系统的多电机均载协同控制方法，该方法包括：
每个盾构机驱动系统分别与上位机连接，并通过电机带动齿轮转动，向刀盘输送动力；
上位机采集每个盾构机驱动系统的反馈信息，并通过转矩协同控制算法计算出每个盾构机驱动系统的转矩补偿量，发送至相应的盾构机驱动系统进行电机协同控制。
在本发明实施例的第三方面，提出了一种计算机设备，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，所述处理器执行所述计算机程序时实现盾构机驱动系统的多电机均载协同控制方法。
在本发明实施例的第四方面，提出了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现盾构机驱动系统的多电机均载协同控制方法。
本发明提出的盾构机驱动系统的多电机均载协同控制装置及方法，可以通过上位机与每个驱动系统中的控制器通信，采集每个驱动系统反馈信息，并通过转矩协同控制算法计算出每个系统的转矩补偿量，再发送至各控制器中参与电机协同控制；其中，通过转速观测器观测电机转速，将观测值作为实际反馈值用于矢量控制中，在无速度传感器情况下实现开环矢量控制，增加系统工作可靠性和稳定性；并且利用负载均衡补偿，基于刀盘驱动中的电机为并行控制，每台电机将转矩反馈值上传至上位机中，在上位机中计算出转矩补偿量，通过全局交叉耦合策略在每台电机的转矩电流内环控制中加入转矩补偿，实现所有电机转矩同步控制；同时该策略也可以应对电机系统参数不相同情况下而出现的转矩偏差。转矩反馈通过转矩观测器实现，在转速观测的基础上加入转矩观测环节，实现无转矩传感器情况下的转矩反馈，同时简化系统控制器结构，降低控制器设计难度；整体方案可以在复杂工况环境下通过转速观测器实现转速闭环控制，并通过负载均衡环节对刀盘负载进行分配，实现各电机转矩协同输出。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，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它的附图。
图1是本发明一实施例的盾构机驱动系统的多电机均载协同控制装置架构示意图。
图2是本发明一具体实施例的刀盘驱动的架构关系示意图。
图3是本发明一具体实施例的电机转速控制策略的关系示意图。
图4A是本发明一具体实施例的盾构机驱动系统的多电机均载协同控制的关系示意图。
图4B是本发明一具体实施例的转矩协同控制的关系示意图。
图5是本发明一实施例的盾构机驱动系统的多电机均载协同控制方法流程示意图。
图6是本发明一实施例的计算机设备结构示意图。
具体实施方式
下面将参考若干示例性实施方式来描述本发明的原理和精神。应当理解，给出这些实施方式仅仅是为了使本领域技术人员能够更好地理解进而实现本发明，而并非以任何方式限制本发明的范围。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
本领域技术人员知道，本发明的实施方式可以实现为一种系统、装置、设备、方法或计算机程序产品。因此，本公开可以具体实现为以下形式，即：完全的硬件、完全的软件(包括固件、驻留软件、微代码等)，或者硬件和软件结合的形式。
根据本发明的实施方式，提出了一种盾构机驱动系统的多电机均载协同控制装置及方法，涉及盾构机控制技术领域。
下面参考本发明的若干代表性实施方式，详细阐释本发明的原理和精神。
图1是本发明一实施例的盾构机驱动系统的多电机均载协同控制装置架构示意图。如图1所示，该装置包括：
多台盾构机驱动系统100及上位机200；其中，
每个盾构机驱动系统100分别与上位机200连接，并通过电机带动齿轮转动，向刀盘输送动力；
上位机200采集每个盾构机驱动系统100的反馈信息，并通过转矩协同控制算法计算出每个盾构机驱动系统100的转矩补偿量，发送至相应的盾构机驱动系统100进行电机协同控制。
参考图2，为本发明一具体实施例的刀盘驱动的架构关系示意图。
如图2所示，盾构机驱动系统包括控制器、变频器、电机、减速箱、盾构机小齿轮；其中，
变频器与控制器及电机连接，用于接收控制器发送的控制信号，控制电机工作，并向控制器发送电机工作时的反馈信号；
控制器根据反馈信号上传反馈信息至上位机，并接收上位机发送的转矩补偿量，生成控制信号发送至变频器；
电机通过减速箱，与盾构机小齿轮相连；
盾构机小齿轮与盾构机大齿轮啮合，向刀盘输送动力；
在电机工作时，期望电机以额定转速运行，控制器外环为转速环，内环为转矩电流环，电机转速控制策略可以参考图3所示，采用开环SVPWM控制。
在图3中，im：励磁电流分量的反馈值；
Figure BDA0003149389940000041
励磁电流分量的给定值；ist：定子电流的转矩分量的反馈值；
Figure BDA0003149389940000042
定子电流的转矩分量的给定值；Tc：转矩协同控制补偿量；ω*：转子角频率的给定值；ωr：转子角频率的实际值；ω1：定子频率；um：励磁电压；ut：转矩电压；θ：相位；ua：α轴电压；uβ：β轴电压；2r/2s：两相旋转变换；1/s：积分运算；PI：PI控制器；SVPWM：空间矢量脉宽调制。
具体的，如图3所示，电机控制算法为：
Figure BDA0003149389940000051
其中，um为励磁电压；
ut为转矩电压；
Figure BDA0003149389940000052
为定子电流的励磁分量的给定值；
ism为定子电流的励磁分量的反馈值；
Figure BDA0003149389940000053
为定子电流的转矩分量的给定值；
ist为定子电流的转矩分量的反馈值；
ω*为转子角频率的给定值；
ωr为转子角频率的实际值。
在本实施例中，控制器所述盾构机驱动系统还包括：电机转速观测器；其中，
电机转速观测器为全阶自适应状态观测器，用于观测电机转速观测，结构为：
Figure BDA0003149389940000054
其中，
Figure BDA0003149389940000055
为转子角频率的估计值，作为转子角频率的实际值ωr；
kp为比例系数；
ki为积分系数；
Figure BDA0003149389940000056
为积分计算；
iα为电流在α轴上的分量的反馈值；
Figure BDA0003149389940000057
为电流在α轴上的分量的估计值；
Figure BDA0003149389940000058
为磁链在β轴上的分量的估计值；
iβ为电流在β轴上的分量的反馈值；
Figure BDA0003149389940000061
为电流在β轴上的分量的估计值；
Figure BDA0003149389940000062
为磁链在α轴上的分量的估计值。
在本实施例中，控制器所述盾构机驱动系统的控制器还用于：
获取电机的转矩估算值，计算式为：
Figure BDA0003149389940000063
Figure BDA0003149389940000064
其中，Te为转矩估算值；
np为电磁极对数；
ψr为转子磁链；
is't为定子电流的转矩分量；
is'm为定子电流的励磁分量；
Lm为互感；
Lr为转子绕组的自感；
p为微分算子；
tr为电磁时间常数，
Figure BDA0003149389940000065
Rr为转子电阻。
在本实施例中，上位机采集每个盾构机驱动系统的反馈信息，并通过转矩协同控制算法计算出每个盾构机驱动系统的转矩补偿量，发送至相应的盾构机驱动系统进行电机协同控制，包括：
转矩补偿量的计算式为：
Tc-ei＝Kpi(D×Tei-Te1-Te2-…-Te(A-1)-TeA)；(19)
其中，Tcei为第i个电机的转矩补偿量；
-
Kpi为第i个电机的转矩补偿系数；
D为盾构机驱动系统的数量；
Tei为第i个电机的转矩估算值，由转矩估算值Te得到；
i为1、2、…、D-1、D。
在本实施例中，控制器所述盾构机驱动系统还包括：转矩观测器；其中，
转矩观测器用于根据电机转速观测器中相应的电流和磁链观测值进行转矩观测，结构为：
Figure BDA0003149389940000071
其中，
Figure BDA0003149389940000072
为通过转矩观测器得到的转矩估算值，用于转矩补偿量的计算；
np为电机极对数；
Figure BDA0003149389940000073
为转子磁链的估计值；
Figure BDA0003149389940000074
为定子电流的估计值。
应当注意，尽管在上文详细描述中提及了盾构机驱动系统的多电机均载协同控制装置的若干模块，但是这种划分仅仅是示例性的并非强制性的。实际上，根据本发明的实施方式，上文描述的两个或更多模块的特征和功能可以在一个模块中具体化。反之，上文描述的一个模块的特征和功能可以进一步划分为由多个模块来具体化。
为了对上述盾构机驱动系统的多电机均载协同控制装置进行更为清楚的解释，下面结合一个具体的实施例来进行说明。
参考图4A，为本发明一具体实施例的盾构机驱动系统的多电机均载协同控制的关系示意图。
在图4A中，ω*：转子角频率的给定值；ωr1、ωr2、…、ωr7：各台电机的转子角频率的实际值；
Figure BDA0003149389940000075
定子电流的转矩分量的给定值；ist1、ist6、…、ist7：各台电机的定子电流的转矩分量的反馈值。
参考图4B，为本发明一具体实施例的转矩协同控制的关系示意图。
在图4B中，Te1、Te2、…、Te7：各台电机的转矩估算值。
如图4A及图4B所示，每台盾构机驱动系统中包括电机转速控制器。
电机转速控制策略可以采用开环SVPWM控制，其中包括一个转速PI控制器，一个定子励磁电流PI控制以及一个定子转矩电流PI控制器，控制器根据电机数学模型整定。异步电动机在两相静止坐标系(α-β)下的数学模型为：
Figure BDA0003149389940000081
其中，usα、usβ分别为定子绕组电压在α-β轴上的分量；
Rs为定子电阻；
Ls为定子电感；
Lm为互感；
isα、isβ分别为定子电流在α轴上、β轴上的分量；
irα、irβ分别为转子电流在α轴上、β轴上的分量。
同理，在静止坐标系下，转子磁链在α-β轴上的分量分别为：
Figure BDA0003149389940000082
其中，ψrα、ψrβ分别为转子磁链在α轴上、β轴上的分量；
Lr为转子绕组的自感。
则可以得到转子电流为：
Figure BDA0003149389940000083
令urα＝urβ＝0，且将式(3)代入式(2)，经整理后可以得到三相异步电机的转子磁链的电流模型：
Figure BDA0003149389940000084
其中，p为微分算子；
tr为电磁时间常数，
Figure BDA0003149389940000085
Rr为转子电阻；
ωr为转子角频率。
进一步的，将α-β轴上的分量经过2s/2r在两相旋转坐标系(d-q)下可以得到定子电流的转矩分量和励磁分量，为：
Figure BDA0003149389940000091
Figure BDA0003149389940000092
Figure BDA0003149389940000093
其中，Te为转矩估算值；
np为电磁极对数；
ψr为转子磁链；
is't为定子电流的转矩分量；
is'm为定子电流的励磁分量；
ωs为电机转差。
根据式(6)可以计算得到电机转差ωs，通过转差和转速的关系式ω1＝ωr+ωs可以得到定子频率ω1，(如图3所示)定子频率ω1在计算变换矩阵的角度时候用到，ωr为转子角频率；
采用转子磁链计算方程(7)可以计算电机转子磁链ψr。
进一步的，根据异步电机在α-β两相静止坐标系下的数学模型方程(式(1))，由式(2)可以将式(1)中的irα和irβ进行替换，得到：
Figure BDA0003149389940000094
对上式等号两边求积分并代入电机漏磁系数
Figure BDA0003149389940000095
可以得到：
Figure BDA0003149389940000096
电机工作时，期望电机以额定转速运行，因此控制器外环为转速环，内环为转矩电流环；结合电机的数学模型，可得电机控制算法为：
Figure BDA0003149389940000101
其中，um为励磁电压；
ut为转矩电压；
Figure BDA0003149389940000102
为定子电流的励磁分量的给定值；
ism为定子电流的励磁分量的反馈值；
Figure BDA0003149389940000103
为定子电流的转矩分量的给定值；
ist为定子电流的转矩分量的反馈值；
ω*为转子角频率的给定值；
ωr为转子角频率的实际值。
其中，ism、ist可采样电机输出电流运算经过响应坐标变换求得，但是系统中无转速传感器，ωr不能直接测得，对此，需要利用全阶自适应状态观测器进行电机转速辨识。
以定子电流和转子磁链作为状态变量的状态方程为：
Figure BDA0003149389940000104
其中，is为定子电流；
Figure BDA0003149389940000105
x＝(isα isβ ψrα ψrβ)T；
u＝(usα usβ)T；
Figure BDA0003149389940000111
Figure BDA0003149389940000112
I为单位矩阵；
Figure BDA0003149389940000113
Figure BDA0003149389940000114
Figure BDA0003149389940000115
Figure BDA0003149389940000116
输出方程定义为：Is＝Cx；(12)
其中，C＝(I 0)；
Is为定子电流。
根据被控对象的模型，可以构建一个拥有与式(11)和(12)相同动态方程的可调模型：
Figure BDA0003149389940000117
其中，
Figure BDA0003149389940000118
为定子电流的估计值；
Figure BDA0003149389940000119
为状态估计值；
Figure BDA00031493899400001110
为定子电流状态向量的估计值；
Figure BDA00031493899400001111
为转子磁链观测值。
当可调模型与参考模型输入相同，初始状态相同时，
Figure BDA00031493899400001112
但是，初始状态大部分都不会相同，初始状态是人为设置的，即使两个系统的矩阵完全一样，初始状态也不一定完全一样，这时候
Figure BDA00031493899400001113
与x会出现偏差
Figure BDA00031493899400001114
同时
Figure BDA00031493899400001115
这时一用输出的状态向量不相等就可以构造反馈矩阵，使
Figure BDA0003149389940000121
尽快逼近0，同时
Figure BDA0003149389940000122
也会逼近0。由于定子电流可以实际测量出来所以可以由定子电流观测误差来构成误差补偿器，全阶状态观测器可以确定为：
Figure BDA0003149389940000123
其中，
Figure BDA0003149389940000124
为系统参数估计值，
Figure BDA0003149389940000125
中包含有转子角频率的估计值
Figure BDA0003149389940000126
(即，转速观测值)；
Is＝(isα isβ 0 0)T为测量值，
Figure BDA0003149389940000127
为估计值；
isα为电流在α轴上的分量的反馈值；
Figure BDA0003149389940000128
为电流在α轴上的分量的估计值；
isβ为电流在β轴上的分量的反馈值；
Figure BDA0003149389940000129
为电流在β轴上的分量的估计值；
u和Is为输入数据，G是观测器增益矩阵，将
Figure BDA00031493899400001210
反馈至
Figure BDA00031493899400001211
为了使系统尽快达到预期状态，对G矩阵极点配置，并且G矩阵应满足系统稳定性要求。
令式(11)与式(14)做差可得：
Figure BDA00031493899400001212
当误差e等于零，或者无限趋于零时，可以认为转速等于或近似等于实际值。
为了验证所提观测器的稳定性，构造李雅普诺夫函数：
Figure BDA00031493899400001213
其中，V为李雅普诺夫函数；
λ为正常数；
Figure BDA00031493899400001214
为转子角频率的估计值；
ωr为转子角频率的实际值；
当e＝0，
Figure BDA0003149389940000131
时，V＝0；
当e≠0，
Figure BDA0003149389940000132
时，
Figure BDA0003149389940000133
所以李雅普诺夫函数为正定函数。eis为定子电流的测量值与估计值的误差；erψ为转子磁链的测量值与估计值的误差；
同时，为了确认V的导数是否为负数，对V求导并化简得：
Figure BDA0003149389940000134
其中，
Figure BDA0003149389940000135
Δωr转子转速实际值与估计值的误差；ρ为ωr对时间求导后的以式(17)中的二项表达的等效系数；
Figure BDA0003149389940000136
分别为转子磁链在α轴上、β轴上的分量的估计值。为了保证V的导数是负数，可以通过选择合适的G矩阵使上式后两项相等，同时为了加快收敛，采用比例-积分(PI)的形式对转速进行辨识：
Figure BDA0003149389940000137
其中，
Figure BDA0003149389940000138
为转子角频率的估计值，即转速观测值，本发明中将该转速观测值作为转子角频率的实际值ωr；
kp为比例系数；
ki为积分系数；
Figure BDA0003149389940000139
为积分计算；
Figure BDA00031493899400001310
为磁链在β轴上的分量的估计值；
Figure BDA00031493899400001311
为磁链在α轴上的分量的估计值。
通过PI调节器调节
Figure BDA00031493899400001312
作为可调参数输入状态方程中，使
Figure BDA00031493899400001313
逼近Is在这一过程中转速估计值
Figure BDA00031493899400001314
逐步趋向实际值ωr。
在盾构机掘进的过程中，会出现刀盘负载突增、突减以及偏载的情况，反映到每台电机上会令电机之间输出转速转矩不相同，影响系统正常运行。针对这个问题，本发明公开了一个全局耦合转矩协同控制策略，在控制策略中加入电机力矩均衡协同控制环节，实现转矩和转速高精度协同。
转矩全局直接耦合策略的实现原理是：在转矩电流控制环路中，各台电机的转矩电流除了与自身的电流参考值做差之外，还需要在环路中加入转矩补偿，补偿的办法是将当前电机的观测转矩与系统中其它的所有电机观测转矩做差，并将所有的差值以一定的规律叠加之后得到该电机的转矩参考值的总补偿量，即可实现对转矩的参考值的有效补偿。
转矩补偿量的计算式为：
Tc-ei＝Kpi(D×Tei-Te1-Te2-…-Te(A-1)-TeA)； (19)
其中，Tc_ei为第i个电机的转矩补偿量；
Kpi为第i个电机的转矩补偿系数；
D为盾构机驱动系统的数量；
Tei为第i个电机的转矩估算值，由转矩估算值Te得到；
i为1、2、…、D-1、D。
加入全局耦合转矩协同补偿后每台电机的控制框图可以参考图3所示，整体控制的架构关系可以参考图4A及图4B所示。
以七台异步电动机并联为例，转矩补偿的具体实现原理如式(20)所示：
Figure BDA0003149389940000141
其中，Kp1-Kp7分别表示第1-7个电机的转矩补偿系数；
Tce1-Tce7分别表示第1-7个电机的转矩补偿值；
--
Te1-Te7分别表示第1-7个电机的转矩估算值。
将计算得到的转矩补偿值，分别加入各电机的转矩控制环路中，实现转矩协同控制。同时，还可以对电机参数不相等情况下带来的扰动进行补偿，使7台电机均协同输出相同转矩，减小对刀盘的冲击。
每台电机输出转矩可以通过转矩观测器观测得到。根据再转速辨识环节所得到的磁链观测值
Figure BDA0003149389940000151
与定子电流
Figure BDA0003149389940000152
可以观测出电机转矩，观测器为：
Figure BDA0003149389940000153
其中，
Figure BDA0003149389940000154
为转矩估算值；
np为电机极对数；
Figure BDA0003149389940000155
为转子磁链的估计值；
Figure BDA0003149389940000156
为定子电流的估计值。
与转速观测类似，转矩观测器也可构造李雅普诺夫函数证明其稳定性；在此不再赘述。
本发明提出的盾构机驱动系统的多电机均载协同控制装置，可以解决盾构掘进系统在变工况环境遇到的负载波动大，分布不均等问题，相较于现有技术，至少存在以下优点：
本发明的盾构机驱动系统的多电机均载协同控制装置，包含多台盾构机驱动系统，每个驱动系统中主要包括变频器，控制器，电机。每台电机通过减速箱与盾构刀盘上的小齿轮相连，小齿轮再与大齿轮啮合，向刀盘输送动力。系统中还包含上位机，上位机与每个驱动系统中的控制器通信，采集每个驱动系统反馈信息，并通过转矩协同控制算法计算出每个系统的转矩补偿量，再发送至各控制器中参与电机协同控制。
在实施过程中，包含一种全阶自适应状态观测器进行电机转速观测器。通过转速观测器观测电机转速，将观测值作为实际反馈值用于矢量控制中，在无速度传感器情况下实现开环矢量控制，增加系统工作可靠性和稳定性。
在进行多电机均载协同控制的过程中，包含一种负载均衡补偿环节。刀盘驱动中的电机为并行控制，每台电机将转矩反馈值上传至上位机中，在上位机中计算出转矩补偿量，通过全局交叉耦合策略在每台电机的转矩电流内环控制中加入转矩补偿，实现所有电机转矩同步控制。同时该策略也可应对电机系统参数不相同情况下而出现的转矩偏差。
负载均衡补偿环节中所提及的转矩反馈通过转矩观测器实现，在转速观测的基础上加入转矩观测环节，实现无转矩传感器情况下的转矩反馈，同时简化系统控制器结构，降低控制器设计难度。
整体方案可以在复杂工况环境下通过转速观测器实现转速闭环控制，并通过负载均衡环节对刀盘负载进行分配，实现各电机转矩协同输出。
在介绍了本发明示例性实施方式的装置之后，接下来，参考图5对本发明示例性实施方式的盾构机驱动系统的多电机均载协同控制方法进行介绍。
盾构机驱动系统的多电机均载协同控制方法的实施可以参见上述方法的实施，重复之处不再赘述。
基于同一发明构思，本发明还提出了一种盾构机驱动系统的多电机均载协同控制方法，如图5所示，该方法包括：
步骤S501，每个盾构机驱动系统分别与上位机连接，并通过电机带动齿轮转动，向刀盘输送动力；
步骤S502，上位机采集每个盾构机驱动系统的反馈信息，并通过转矩协同控制算法计算出每个盾构机驱动系统的转矩补偿量，发送至相应的盾构机驱动系统进行电机协同控制。
需要说明的是，尽管在上述实施例及附图中以特定顺序描述了本发明方法的操作，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。
基于前述发明构思，如图6所示，本发明还提出了一种计算机设备600，包括存储器610、处理器620及存储在存储器610上并可在处理器620上运行的计算机程序630，所述处理器620执行所述计算机程序630时实现前述盾构机驱动系统的多电机均载协同控制方法。
基于前述发明构思，本发明提出了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现前述盾构机驱动系统的多电机均载协同控制方法。
本发明提出的盾构机驱动系统的多电机均载协同控制装置及方法，可以通过上位机与每个驱动系统中的控制器通信，采集每个驱动系统反馈信息，并通过转矩协同控制算法计算出每个系统的转矩补偿量，再发送至各控制器中参与电机协同控制；其中，通过转速观测器观测电机转速，将观测值作为实际反馈值用于矢量控制中，在无速度传感器情况下实现开环矢量控制，增加系统工作可靠性和稳定性；利用负载均衡补偿，基于刀盘驱动中的电机为并行控制，每台电机将转矩反馈值上传至上位机中，在上位机中计算出转矩补偿量，通过全局交叉耦合策略在每台电机的转矩电流内环控制中加入转矩补偿，实现所有电机转矩同步控制；同时该策略也可应对电机系统参数不相同情况下而出现的转矩偏差。转矩反馈通过转矩观测器实现，在转速观测的基础上加入转矩观测环节，实现无转矩传感器情况下的转矩反馈，同时简化系统控制器结构，降低控制器设计难度；整体方案可以在复杂工况环境下通过转速观测器实现转速闭环控制，并通过负载均衡环节对刀盘负载进行分配，实现各电机转矩协同输出。
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。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种盾构机驱动系统的多电机均载协同控制装置，其特征在于，该装置包括：多台盾构机驱动系统及上位机；其中，
每个盾构机驱动系统分别与上位机连接，并通过电机带动齿轮转动，向刀盘输送动力；
上位机采集每个盾构机驱动系统的反馈信息，并通过转矩协同控制算法计算出每个盾构机驱动系统的转矩补偿量，发送至相应的盾构机驱动系统进行电机协同控制。
2.根据权利要求1所述的盾构机驱动系统的多电机均载协同控制装置，其特征在于，盾构机驱动系统包括控制器、变频器、电机、减速箱、盾构机小齿轮；其中，
变频器与控制器及电机连接，用于接收控制器发送的控制信号，控制电机工作，并向控制器发送电机工作时的反馈信号；
控制器根据反馈信号上传反馈信息至上位机，并接收上位机发送的转矩补偿量，生成控制信号发送至变频器；
电机通过减速箱，与盾构机小齿轮相连；
盾构机小齿轮与盾构机大齿轮啮合，向刀盘输送动力。
3.根据权利要求2所述的盾构机驱动系统的多电机均载协同控制装置，其特征在于，在电机工作时，期望电机以额定转速运行，控制器外环为转速环，内环为转矩电流环，电机转速控制策略采用开环SVPWM控制，电机控制算法为：
Figure FDA0003149389930000011
其中，um为励磁电压；
ut为转矩电压；
Figure FDA0003149389930000012
为定子电流的励磁分量的给定值；
ism为定子电流的励磁分量的反馈值；
Figure FDA0003149389930000013
为定子电流的转矩分量的给定值；
ist为定子电流的转矩分量的反馈值；
ω*为转子角频率的给定值；
ωr为转子角频率的实际值。
4.根据权利要求3所述的盾构机驱动系统的多电机均载协同控制装置，其特征在于，控制器所述盾构机驱动系统还包括：电机转速观测器；其中，
电机转速观测器为全阶自适应状态观测器，用于观测电机转速观测，结构为：
Figure FDA0003149389930000021
其中，
Figure FDA0003149389930000022
为转子角频率的估计值，作为转子角频率的实际值ωr；
kp为比例系数；
ki为积分系数；
Figure FDA0003149389930000023
为积分计算；
iα为电流在α轴上的分量的反馈值；
Figure FDA0003149389930000024
为电流在α轴上的分量的估计值；
Figure FDA0003149389930000025
为磁链在β轴上的分量的估计值；
iβ为电流在β轴上的分量的反馈值；
Figure FDA0003149389930000026
为电流在β轴上的分量的估计值；
Figure FDA0003149389930000027
为磁链在α轴上的分量的估计值。
5.根据权利要求4所述的盾构机驱动系统的多电机均载协同控制装置，其特征在于，控制器所述盾构机驱动系统的控制器还用于：
获取电机的转矩估算值，计算式为：
Figure FDA0003149389930000028
Figure FDA0003149389930000029
其中，Te为转矩估算值；
np为电磁极对数；
ψr为转子磁链；
is't为定子电流的转矩分量；
is'm为定子电流的励磁分量；
Lm为互感；
Lr为转子绕组的自感；
p为微分算子；
tr为电磁时间常数，
Figure FDA0003149389930000031
Rr为转子电阻。
6.根据权利要求5所述的盾构机驱动系统的多电机均载协同控制装置，其特征在于，上位机采集每个盾构机驱动系统的反馈信息，并通过转矩协同控制算法计算出每个盾构机驱动系统的转矩补偿量，发送至相应的盾构机驱动系统进行电机协同控制，包括：
转矩补偿量的计算式为：
Tc-ei＝Kpi(D×Tei-Te1-Te2-…-Te(A-1)-TeA)；
其中，Tc_ei为第i个电机的转矩补偿量；
Kpi为第i个电机的转矩补偿系数；
D为盾构机驱动系统的数量；
Tei为第i个电机的转矩估算值，由转矩估算值Te得到；
i为1、2、…、D-1、D。
7.根据权利要求6所述的盾构机驱动系统的多电机均载协同控制装置，其特征在于，控制器所述盾构机驱动系统还包括：转矩观测器；其中，
转矩观测器用于根据电机转速观测器中相应的电流和磁链观测值进行转矩观测，结构为：
Figure FDA0003149389930000032
其中，
Figure FDA0003149389930000033
为通过转矩观测器得到的转矩估算值，用于转矩补偿量的计算；
p0为电机极对数；
Figure FDA0003149389930000041
为转子磁链的估计值；
Figure FDA0003149389930000042
为定子电流的估计值。
8.一种盾构机驱动系统的多电机均载协同控制方法，其特征在于，该方法包括：
每个盾构机驱动系统分别与上位机连接，并通过电机带动齿轮转动，向刀盘输送动力；
上位机采集每个盾构机驱动系统的反馈信息，并通过转矩协同控制算法计算出每个盾构机驱动系统的转矩补偿量，发送至相应的盾构机驱动系统进行电机协同控制。
9.一种计算机设备，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8所述方法。
10.一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计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求8所述方法。
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