張利男，寇子明，吳 娟，朱克亮，朱麗鵬

(1.太原理工大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.礦山流體控制國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024；3.山西省礦山流體控制工程技術(shù)研究中心，山西 太原 030024；4.貴陽高原礦山機(jī)械股份有限公司，貴州 貴陽 550000)

礦井提升機(jī)負(fù)責(zé)礦井上、下之間的煤炭、設(shè)備、人員、材料、矸石等的提升、下放和輸送，是集機(jī)、電、液、控一體化的大型設(shè)備系統(tǒng)[1]。礦井提升機(jī)發(fā)展過程經(jīng)歷了從傳統(tǒng)礦井提升機(jī)到直聯(lián)式礦井提升機(jī)再到電勵(lì)磁內(nèi)裝礦井提升機(jī)的幾個(gè)階段。傳統(tǒng)礦井提升機(jī)多采用異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，異步電動(dòng)機(jī)和減速器、聯(lián)軸器組成的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳動(dòng)效率低，使用過程中噪聲大、能耗高、維護(hù)困難等問題突出。

另一方面，當(dāng)提升機(jī)由于安全控制系統(tǒng)中硬件功能失效、軟件設(shè)計(jì)缺陷以及人為操作失誤等原因?qū)е缕湫谐淌タ刂疲x理想速度曲線，往往導(dǎo)致提升機(jī)發(fā)生過卷過放等事故，影響礦井生產(chǎn)運(yùn)行，造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[2]。為此，需要對(duì)礦井提升機(jī)的調(diào)速控制系統(tǒng)進(jìn)行研究。調(diào)速控制系統(tǒng)性能的好壞決定了提升機(jī)能否平穩(wěn)且安全可靠地完成起動(dòng)、制動(dòng)運(yùn)行，同時(shí)做到防止沖擊，減少零部件磨損量和維修工作量，延長提升機(jī)的使用壽命。當(dāng)前我國礦井提升機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)或存在成本高、不適用于中小型煤礦，或存在行程控制性能差、易造成過卷過放事故、能耗高等問題[2]。

基于以上研究背景，本文提出永磁外轉(zhuǎn)子提升機(jī)，并應(yīng)用交-直-交電壓型變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行傳動(dòng)控制。2017年，貴陽高原礦山機(jī)械股份有限公司和太原理工大學(xué)聯(lián)合研制的世界首臺(tái)永磁外轉(zhuǎn)子提升機(jī)是礦井提升機(jī)傳動(dòng)領(lǐng)域的最新進(jìn)展[3]。它將外轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)內(nèi)裝于提升機(jī)卷筒進(jìn)行直驅(qū)，配合變頻調(diào)速系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了礦井提升機(jī)超低頻起動(dòng)、低速平穩(wěn)運(yùn)行。相比傳統(tǒng)礦井提升機(jī)，省去減速器、聯(lián)軸器、潤滑站等，具有傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡化，傳動(dòng)效率提高，節(jié)能降耗，維護(hù)量減少等優(yōu)勢(shì)[3]。同時(shí)采用變頻調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了提升機(jī)的恒加速、恒減速控制，不再有TKD電控系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子串電阻引起的能量損失，節(jié)能降耗明顯[2]，是礦井提升機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。

本文以永磁外轉(zhuǎn)子提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)為研究對(duì)象進(jìn)行矢量控制系統(tǒng)和直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的原理分析以及仿真研究。

1 永磁外轉(zhuǎn)子提升機(jī)工作原理與組成

1.1 永磁外轉(zhuǎn)子提升機(jī)工作原理

永磁外轉(zhuǎn)子提升機(jī)是將外轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)內(nèi)置于提升卷筒，提升機(jī)主軸就是外轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)的定子主軸，定子主軸的支架上安裝著定子鐵芯繞組，提升機(jī)卷筒和外轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)的外轉(zhuǎn)子設(shè)置為一體或者固聯(lián)，電機(jī)外轉(zhuǎn)子內(nèi)壁設(shè)置有永磁體(分為N極和S極)。永磁外轉(zhuǎn)子提升機(jī)除了提升機(jī)原有的卷筒、摩擦襯墊和制動(dòng)盤等結(jié)構(gòu)外，均為典型的外轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)(如圖1所示)，其工作原理也是外轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)的運(yùn)行原理。即提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)對(duì)定子鐵芯繞組通入可變頻的三相對(duì)稱電流，三相對(duì)稱電流在定子鐵芯繞組中流通產(chǎn)生合成的旋轉(zhuǎn)磁場，同時(shí)電機(jī)外轉(zhuǎn)子的永磁體產(chǎn)生一個(gè)恒定磁場。上述定子電流旋轉(zhuǎn)磁場與外轉(zhuǎn)子永磁體恒定磁場相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩作用(如圖2所示)。區(qū)別于傳統(tǒng)礦井提升機(jī)，永磁外轉(zhuǎn)子提升機(jī)的主軸固定不動(dòng)，由上述磁力作用驅(qū)動(dòng)提升機(jī)卷筒(外轉(zhuǎn)子)同步旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)提升鋼絲繩卷繞收納，完成提升和下放作業(yè)。綜上，永磁外轉(zhuǎn)子提升機(jī)實(shí)現(xiàn)了外轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)與提升機(jī)卷筒的一體化。

圖1 永磁外轉(zhuǎn)子提升機(jī)結(jié)構(gòu)

圖2 永磁外轉(zhuǎn)子提升機(jī)工作原理

1.2 永磁外轉(zhuǎn)子提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)組成

永磁外轉(zhuǎn)子提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)由永磁外轉(zhuǎn)子提升機(jī)、液壓站、變頻柜、操作臺(tái)、高低壓開關(guān)柜、變壓器、電源柜以及編碼器、傳感器、檢測(cè)開關(guān)等組成[4]。其中主控系統(tǒng)(主、輔PLC控制系統(tǒng))和監(jiān)控系統(tǒng)(觸摸屏)設(shè)置在操作臺(tái)內(nèi)。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，可知操作人員通過上位機(jī)(觸摸屏)與下位機(jī)進(jìn)行通訊，下位機(jī)由主控PLC和輔助PLC控制，雙PLC的冗余設(shè)計(jì)確保了電控系統(tǒng)的安全可靠。永磁外轉(zhuǎn)子提升機(jī)的工藝過程控制、行程控制、安全保護(hù)、制動(dòng)器的動(dòng)作、安全制動(dòng)等均由PLC進(jìn)行控制。由PLC控制變頻柜輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)對(duì)永磁外轉(zhuǎn)子提升機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。永磁外轉(zhuǎn)子提升機(jī)的外轉(zhuǎn)子位置信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)采用正余弦光電編碼器進(jìn)行采集和輸出。

圖3 永磁外轉(zhuǎn)子提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

目前應(yīng)用的永磁外轉(zhuǎn)子提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)均采用矢量控制系統(tǒng)，并未有應(yīng)用直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的案例。下面具體分析兩種控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理，并對(duì)世界首臺(tái)永磁外轉(zhuǎn)子提升機(jī)(型號(hào)為JKN-3×2.2P)進(jìn)行仿真建模分析。

2 永磁外轉(zhuǎn)子提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)原理分析

2.1 永磁外轉(zhuǎn)子提升機(jī)的數(shù)學(xué)模型

對(duì)永磁外轉(zhuǎn)子提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行研究，首先需要建立永磁外轉(zhuǎn)子提升機(jī)在dq坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型，來分析永磁外轉(zhuǎn)子提升機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行性能和動(dòng)態(tài)性能。忽略定子鐵芯飽和及鐵耗、磁滯、渦流損耗，得永磁外轉(zhuǎn)子提升機(jī)的數(shù)學(xué)模型[5]：

電壓方程：

磁鏈方程：

電磁轉(zhuǎn)矩方程：

Te=p(ψdiq-ψqid)

=p[Lmdifiq+(Ld-Lq)idiq]

(3)

機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程：

式中，ud、uq為定子d軸(直軸)、q軸(交軸)電壓，V；id、iq為定子d、q軸電流，A；ψd為定子d軸磁鏈，包括定子d軸電流產(chǎn)生的磁鏈(Ldid)和永磁體產(chǎn)生的磁鏈ψf，Wb；ψq為定子q軸磁鏈，Wb；ψf為永磁體產(chǎn)生的磁鏈，Wb；R為定子繞組相電阻，Ω；Ld、Lq為定子繞組d、q軸電感，H；Lmd為d軸等效勵(lì)磁電感，H；if為永磁體等效勵(lì)磁電流，A；ωe=pωm為電機(jī)轉(zhuǎn)子的電角速度，其中ωm為電機(jī)轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度，p為極對(duì)數(shù)，ωe和ωm的單位為rad/s；J為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；Te為電磁轉(zhuǎn)矩；TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，N·m；B為阻尼系數(shù)。

2.2 永磁外轉(zhuǎn)子提升機(jī)矢量控制系統(tǒng)原理與組成

矢量控制即對(duì)電機(jī)定子電流矢量is的相位和幅值的控制。從電磁轉(zhuǎn)矩方程(3)可知，當(dāng)已知永磁體的勵(lì)磁磁鏈ψf、d軸電感Ld和q軸電感Lq時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩Te由定子電流矢量is決定，而is大小和相位由其在d軸和q軸的分量id和iq決定。因此控制id和iq就可以最終控制電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Te。

永磁外轉(zhuǎn)子提升機(jī)矢量控制系統(tǒng)中控制方法主要有：①id=0控制；②cosφ=1控制；③恒磁鏈控制；④最大轉(zhuǎn)矩/電流控制；⑤弱磁控制；⑥最大輸出功率控制；⑦定子電流最佳控制[5]等。由于本論文的研究對(duì)象為中小容量的永磁外轉(zhuǎn)子提升機(jī)，綜合對(duì)比上述各種控制方法的優(yōu)缺點(diǎn)[5，6]，選取id=0控制方法。該控制方法實(shí)現(xiàn)簡單，沒有弱磁效應(yīng)，永磁外轉(zhuǎn)子提升機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與定子電流成正比。

圖4 永磁外轉(zhuǎn)子提升機(jī)矢量控制系統(tǒng)原理

從圖4可以看出，永磁外轉(zhuǎn)子提升機(jī)實(shí)際饋入的三相交流電流ia、ib、ic必須經(jīng)過坐標(biāo)變換(Clark變換、Park變換)[6]變?yōu)閕d和iq后，反饋給電流環(huán)前端的差值比較環(huán)節(jié)，與設(shè)定值id*和iq*作差的差值輸入給電流環(huán)。電流環(huán)的輸出作為逆變器功率管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)永磁外轉(zhuǎn)子提升機(jī)按設(shè)定的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩運(yùn)行。另一方面，坐標(biāo)變換(Clark變換、Park變換)以及轉(zhuǎn)速環(huán)均需要永磁外轉(zhuǎn)子提升機(jī)的外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角θ值，θ值通過永磁外轉(zhuǎn)子提升機(jī)定子主軸處通過齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接的正余弦光電編碼器檢測(cè)計(jì)算得出[7]。

2.3 永磁外轉(zhuǎn)子提升機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)原理與組成

直接轉(zhuǎn)矩控制相比于矢量控制，不再使用坐標(biāo)變換對(duì)定子電流進(jìn)行解耦，而是通過實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)定子電壓和電流來估算轉(zhuǎn)矩和磁鏈的幅值，再分別與轉(zhuǎn)矩和磁鏈的設(shè)定值比較，采用差值來控制定子磁鏈的幅值和夾角，由轉(zhuǎn)矩和磁鏈調(diào)節(jié)器產(chǎn)生PWM信號(hào)，輸出所需的空間電壓矢量，最終對(duì)磁鏈和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行直接控制[8]。因此直接轉(zhuǎn)矩控制比矢量控制的動(dòng)態(tài)性能更好，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)更快。

永磁外轉(zhuǎn)子提升機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)原理如圖5所示?？梢钥闯鲋苯愚D(zhuǎn)矩控制是在定子靜止坐標(biāo)系(M-T坐標(biāo)系)中對(duì)電機(jī)的定子磁鏈ψ和電磁轉(zhuǎn)矩Te分別實(shí)施控制，定子磁鏈Ψ和電磁轉(zhuǎn)矩Te的設(shè)定值與實(shí)際值的差值分別輸入給具有繼電器特性的Bang-Bang控制器，然后輸出控制目標(biāo)ψQ和TQ給電壓矢量表。電壓矢量表在控制目標(biāo)ψQ和TQ以及扇區(qū)信息輸入的情況下，計(jì)算出電壓型逆變器的開關(guān)信號(hào)。這些開關(guān)信號(hào)輸入給電壓型逆變器后，形成優(yōu)化的電壓空間矢量饋入永磁外轉(zhuǎn)子提升機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)定子磁鏈Ψ和電磁轉(zhuǎn)矩Te近似解耦的控制效果。

圖5 永磁外轉(zhuǎn)子提升機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)原理圖

綜上，直接轉(zhuǎn)矩控制利用轉(zhuǎn)矩閉環(huán)來直接控制電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，控制目標(biāo)是保持恒定的定子磁場，其區(qū)別于矢量控制的一個(gè)核心就是用來確定逆變器輸出的電壓空間矢量選擇表。通過分析兩電平電壓型逆變器輸出的基本電壓矢量(U1～U7)對(duì)不同扇區(qū)(S1～S6)的定子磁鏈?zhǔn)噶亢碗姶呸D(zhuǎn)矩Te的作用規(guī)律，并定義Bang-Bang控制器的信號(hào)輸出方式[8]后，即可得到電壓矢量選擇表見表1。

表1 電壓矢量選擇表

3 永磁外轉(zhuǎn)子提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真分析

3.1 永磁外轉(zhuǎn)子提升機(jī)仿真參數(shù)

基于以上矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩原理的分析，在MATLAB/Simulink中搭建了永磁外轉(zhuǎn)子提升機(jī)的矢量控制系統(tǒng)和直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真模型。為了驗(yàn)證仿真模型的正確性，以型號(hào)為JKN-3×2.2P的永磁外轉(zhuǎn)子提升機(jī)設(shè)置仿真參數(shù)見表2。

表2 JKN-3×2.2P永磁外轉(zhuǎn)子提升機(jī)參數(shù)

3.2 仿真分析

設(shè)置逆變器直流側(cè)電壓Udc=600V，采樣周期Ts=1×10-5s，采用變步長ode23tb算法，仿真時(shí)間4s。設(shè)定轉(zhuǎn)速N=19r/min為額定轉(zhuǎn)速，初始時(shí)刻負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL=0，仿真其空載起動(dòng)特性，t=2s時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL=195kN·m，仿真其加載額定負(fù)載時(shí)的運(yùn)行情況。

矢量控制系統(tǒng)和直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真結(jié)果分別如圖6和圖7所示。

圖6 矢量控制系統(tǒng)仿真結(jié)果

圖7 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真結(jié)果

圖6表明，JKN-3×2.2P永磁外轉(zhuǎn)子提升機(jī)在矢量控制系統(tǒng)作用下，空載起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速有較大的超調(diào)，0.5s內(nèi)回調(diào)至額定轉(zhuǎn)速19r/min平穩(wěn)運(yùn)行，同時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩值在0值以上小幅波動(dòng)，這是由于粘滯阻尼F和靜摩擦力矩T導(dǎo)致。t=2s時(shí)加載至額定轉(zhuǎn)矩195kN·m，轉(zhuǎn)速有小幅度波動(dòng)，用時(shí)0.1s后再次回調(diào)至額定轉(zhuǎn)速19r/min運(yùn)行，同時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩值增大至195kN·m上下波動(dòng)，表明矢量控制系統(tǒng)有較好的動(dòng)態(tài)性能和抗負(fù)載擾動(dòng)能力。

整個(gè)仿真過程中需要注意的是，一方面起動(dòng)階段(0～0.5s內(nèi))轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩有較大超調(diào)，這在實(shí)際的永磁外轉(zhuǎn)子提升機(jī)運(yùn)行過程中是不允許的。另一方面加載至額定轉(zhuǎn)矩后(2s后)，轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)比未加載前變大。上述兩個(gè)問題需要在當(dāng)前PI控制器結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，采用諸如積分分離的PID控制器、變控制結(jié)構(gòu)的PID控制器、加入微分負(fù)反饋環(huán)節(jié)等方法，以降低甚至消除超調(diào)量、穩(wěn)態(tài)誤差和波動(dòng)幅度[9]。

圖7表明，JKN-3×2.2P永磁外轉(zhuǎn)子提升機(jī)在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)作用下，空載起動(dòng)時(shí)以最大轉(zhuǎn)矩起動(dòng)，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快速，約0.28s時(shí)轉(zhuǎn)速到達(dá)19r/min，超調(diào)量小，然后2s內(nèi)緩慢回調(diào)至額定轉(zhuǎn)速19r/min平穩(wěn)運(yùn)行。同時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩值在0值上下波動(dòng)幅度較大，定子磁鏈幅值也有一定波動(dòng)，體現(xiàn)出直接轉(zhuǎn)矩控制的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大的特點(diǎn)，因此需要在永磁外轉(zhuǎn)子提升機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用扇區(qū)細(xì)分和占空比控制相結(jié)合[10]、滑模變結(jié)構(gòu)控制[11]等來消除轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。t=2s時(shí)加載至額定轉(zhuǎn)矩195kN·m，轉(zhuǎn)速有微小幅度下降，用時(shí)0.2s后再次回調(diào)至額定轉(zhuǎn)速19r/min運(yùn)行。同時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩值增大至195kN·m上下波動(dòng)，波動(dòng)幅度較大。

綜上，永磁外轉(zhuǎn)子提升機(jī)矢量控制系統(tǒng)能夠比較好的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩跟隨設(shè)定值，響應(yīng)平滑，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，達(dá)到平穩(wěn)運(yùn)行的效果。永磁外轉(zhuǎn)子提升機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)相比矢量控制系統(tǒng)，同樣能夠跟隨轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩設(shè)定值，而且轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩超調(diào)量小，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快速，但是轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)比較大，為此可以通過多種先進(jìn)控制方法實(shí)現(xiàn)優(yōu)化[10，11]。

4 結(jié) 語

本文以世界首臺(tái)永磁外轉(zhuǎn)子提升機(jī)(型號(hào)為JKN-3×2.2P)為研究對(duì)象，針對(duì)其變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行控制原理分析和仿真建模分析。通過對(duì)實(shí)際應(yīng)用的矢量控制系統(tǒng)的仿真建模分析可知，該調(diào)速系統(tǒng)能夠保證永磁外轉(zhuǎn)子提升機(jī)的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)了平穩(wěn)運(yùn)行的效果。通過對(duì)還未應(yīng)用的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真建模分析可知，該調(diào)速系統(tǒng)同樣能夠滿足永磁外轉(zhuǎn)子提升機(jī)運(yùn)行要求，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快速，其存在的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)比較大的問題在實(shí)際生產(chǎn)過程中可能會(huì)導(dǎo)致安全事故的發(fā)生，因此需要在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)中進(jìn)行控制器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，以消除轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。