采煤机牵引系统双电机功率平衡控制策略_贺虎成.pdf

第 40 卷第 1 期2023 年 1 月控 制 理 论 与 应 用Control Theory&ApplicationsVol.40 No.1Jan.2023采采采煤煤煤机机机牵牵牵引引引系系系统统统双双双电电电机机机功功功率率率平平平衡衡衡控控控制制制策策策略略略贺虎成,汪沁,张晨阳,刘博涛,桂浩亚(西安科技大学 电气与控制工程学院,陕西 西安 710054)摘要:随着采煤机装机功率和开采能力的提升,牵引系统控制效果及动态性能已成为影响采煤机工作稳定性的重要因素.目前,采煤机电牵引系统双电机控制策略多采用传统的主从控制,其同步性能存在滞后问题,容易导致牵引电机偏载.此外,系统在控制算法方面多采用传统PI 控制,对于容易发生参数摄动及负载变化频繁的牵引系统而言,传统PI控制的控制性能不佳.为提高采煤机牵引系统驱动性能并实现牵引电机功率平衡,根据采煤机牵引系统结构,本文提出了一种基于自抗扰控制的转速主从、转矩交叉耦合控制的双电机控制策略,并对控制策略进行了仿真分析和实验研究.结果表明,本文所提出控制策略实现了牵引系统功率平衡并提升了系统的控制性能.关键词:采煤机牵引系统;双电机系统;功率平衡;自抗扰控制;交叉耦合;同步技术引用格式:贺虎成,汪沁,张晨阳,等.采煤机牵引系统双电机功率平衡控制策略.控制理论与应用,2023,40(1):121 131DOI:10.7641/CTA.2022.11122Dual motor power balance control strategy for shearer traction systemHE Hu-cheng,WANG Qin,ZHANG Chen-yang,LIU Bo-tao,GUI Hao-ya(School of Electrical and Control Engineering,Xian University of Science and Technology,Xian Shaanxi 710054,China)Abstract:With the rapid development of the installed power and mining capacity,the control effect and dynamic per-formance of the traction system have seriously influenced the working stability of the shearer.Although the traditionalmaster-slave control is widely applied in the dual-motor traction control of the shearer,it has caused the lagging of synchro-nization performance and can lead to unbalanced state of the traction system.Besides,for traction systems of the shearerwhich parameters are subject to perturb and load is easily to disturb,PI(proportional-integral)control may not achievedesired performance due to the structural limitation of PI controllers.To enhance the performance of traction system ofthe shearer and achieve the power balance of the traction dual-motor,according to the structure of traction system,a noveldual-motor control strategy based on active disturbance rejection control is proposed in this paper,which speed controladopt master-slave mode and torque control use cross-coupling model.The proposed control strategy and the traditional PIcontrol are compared and verified by simulation and experiment.The results of simulation and experiment demonstrate thatthe proposed control strategy has realized the power balance of the traction motors and improved the control performanceof the system.Key words:shearer traction unit;dual-motor system;power balance;active disturbance rejection control;cross cou-pling;synchronization techniquesCitation:HE Hucheng,WANG Qin,ZHANG Chenyang,et al.Dual motor power balance control strategy for shearertraction system.Control Theory&Applications,2023,40(1):121 1311引引引言言言采煤机作为煤矿生产中最重要的设备之一,其发展不仅影响煤炭的生产和开采效率,而且决定煤矿产业的安全和未来发展.牵引系统是负责驱动采煤机行走的重要机构,其动力一般由两台大功率异步电机提供13.采煤工作面工况及煤层品质多变,会导致牵引系统负载剧烈振荡等问题;由于制造工艺不同,即便采用同型号电机也很难保证参数完全一致;井下空间狭小,散热条件差,难免会引起牵引电机发热运行,导致电机机械特性发生变化.这些原因均会造成牵引系统负载分配失衡,进而引发电机欠载或过载.欠载电机甚至会成为另一台电机的负载,致使两机功率差值更大,严重可能导致电机烧毁,整机运行效率及可靠性得不到保障,影响采煤机安全运行46.收稿日期:20211116;录用日期:20220421.通信作者.E-mail:;Tel.:+86 18130534350.本文责任编委:赵千川.陕西省自然科学基础研究计划陕煤联合基金项目(2019JLM51)资助.Supported by the Natural Science Basic Research Program of Shaanxi-Shanmei Joint Fund(2019JLM51).122控 制 理 论 与 应 用第 40 卷牵引系统中,电机与轨道之间通过多级齿轮组实现传动,类似于双电机刚性联接系统.目前已有很多学者对于双、多电机系统进行了大量研究.文献7介绍了目前多电机的主流控制策略,包括并行控制、主从控制、交叉耦合控制.文献8解决了正常情况下双永磁同步电机刚性齿轮传动的功率平衡问题,但未研究电机参数摄动造成功率失衡的问题.文献9中Chen等人提出了二阶滑模双永磁同步电机同步控制策略,实现了系统的速度同步.文献10对文献9 的策略进行了改进,控制效果更好,但同样基于永磁同步电机展开研究.文献1112研究了弹性连接的双电机系统因电机机械特性及负载随机变化而造成的功率失衡问题,但该方法不适用于刚性传动系统.目前,在控制算法方面,牵引系统多采用传统PI控制方式,无法解决参数摄动带来的影响.自抗扰控制技术1314是韩京清教授提出的一种新型控制方法,其核心思想是利用扩张状态观测器(extended state observer,ESO)观测和补偿系统的内外干扰,以克服系统因内部参数和外部环境变化带来的影响.文献1516将该技术应用于异步电机矢量控制系统,在一定程度上解决了参数造成的影响.文献17将该技术应用于三电机速度同步控制系统中并获得了优秀的控制效果,但未详细讨论电机的功率平衡问题.文献18提出了一种基于二阶自抗扰控制器的三电机同步系统控制方案,一定程度上提高了系统的抗干扰能力,但该方案主要用于解决电机之间张力耦合引起的问题.文献19提出了一种自校正速度补偿器与改进型自抗扰控制器结合的新型控制策略,该方法改善了多电机协同控制系统的滞后、抗干扰能力弱等问题,但未在实验中验证可行性.鉴于此,本文提出了一种基于自抗扰控制的牵引系统双异步电机转矩交叉耦合控制策略,图1为采煤机牵引系统控制策略原理框图.针对参数摄动及负载扰动造成的功率失衡问题,从控制策略和控制算法两方面研究.首先基于交叉耦合控制思想设计了转矩同步控制器,将两电机转矩差乘以耦合同步系数K再补偿到各台电机电流环,提高系统受负载或参数变化扰动后的同步性和系统快速恢复性.在此基础上设计了自抗扰速度、转矩、电流和磁链控制器.最后,对本文提出的控制策略结合实际工况进行了仿真和实验验证,结果证实了该控制策略的有效性.图 1 采煤机牵引系统控制策略原理框图Fig.1 The principle block diagram of the control strategy of the shearer traction system由于两台电机的转速被强制同步,因此设计两电机共用一个转速环,速度采用主从控制20.电机M1对应回路1,磁链和转速采用外环控制,电流采用内环控制.电机M2回路不设转速环,将M1转速环输出的给定转矩Te送给M2,再通过转矩调节器调节系统转矩在稳态输出时达到平衡.为使系统对转矩响应更加迅速,控制策略将交叉耦合控制思想21应用于转矩环,K1、K2为转矩的补偿系数.将两台电机的转矩差经转矩补偿系数K1和K2输入到两电机的转矩调节器,其中电机M1为负反馈,电机M2为正反馈.转矩补偿器可防止一台电机因故障而停机时,另一台电机单独承担系统的全部负载而过载运行,导致电机烧毁引起更大的损失.2牵牵牵引引引系系系统统统模模模型型型2.1牵牵牵引引引系系系统统统双双双电电电机机机数数数学学学模模模型型型建立牵引系统数学模型时,做如下假设:1)假设电机与连接齿轮之间的耦合轴较短;2)忽略旋转结构的弹性力矩;3)忽略齿轮传动中的齿隙及传输功率损耗.将齿轮与电机视为一个整体,则牵引电机通过销轮齿轮把驱动转矩传递给销轨齿轮,进而驱动负载运动,图2为牵引系统双电机驱动结构图22,齿轮和负载的主要参数见表1.第 1 期贺虎成等:采煤机牵引系统双电机功率平衡控制策略123图 2 牵引系统双电机驱动结构Fig.2 Double-motor drive structure of traction system表 1 齿轮和负载的主要参数Table 1 The main parameters of gear and load符号符号含义单位kg,kg1,kg2销轨,销轮齿轮刚度系数N/mBg,Bg1,Bg2销轨,销轮齿轮阻尼系数(Ns)/mTg,TL销轨齿轮转矩,总负载转矩NmJg负载转动惯量kgm2Tl1,Tl2电机M1,M2负载转矩Nmrg,Rg销轨,销轮齿轮半径mg,1,2销轨,电机M1,M2转速r/min1,2,g销轮1,销轮2,销轨齿轮位置rad由图中所示传动系统原理,根据功率守恒原理,推导出销轨和负载系统的运动方程为Tg=Bgg+TL+JLnpdgdt.(1)结合式(1),根据齿轮间转矩传递关系和电机运动方程,可得牵引系统双电机驱动运动方程为|J1npd1dt=Te1 Tl1 B11,