段 鑫

（西山煤電集團(tuán)公司設(shè)備租賃分公司， 山西 太原 030000）

引言

皮帶機(jī)為綜采工作面主要的運(yùn)輸設(shè)備，在煤礦生產(chǎn)中起著舉足輕重的作用。目前，皮帶機(jī)朝著大運(yùn)量、長距離以及高運(yùn)速的方向發(fā)展，這對(duì)于皮帶機(jī)的啟動(dòng)、制動(dòng)以及控制提出了新的要求。皮帶機(jī)傳統(tǒng)啟動(dòng)方式以工頻拖動(dòng)和液力耦合器傳動(dòng)為主，在實(shí)際應(yīng)用中上述調(diào)速控制方式存在效率低、功率不平衡以及沖擊較大的問題，給后期皮帶機(jī)的維修和護(hù)理增加了工作量[1]。為此，本文提出了采用以外轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)為核心的直驅(qū)調(diào)速控制方式實(shí)現(xiàn)對(duì)皮帶機(jī)的控制，并對(duì)其調(diào)速方案和性能進(jìn)行研究。

1 直驅(qū)調(diào)速控制技術(shù)研究

在當(dāng)前采煤技術(shù)和采煤裝備自動(dòng)化水平不斷提升的階段，皮帶機(jī)作為綜采工作面的主要運(yùn)輸設(shè)備，其也朝著大運(yùn)量、長距離以及高功率的方向發(fā)展，從而對(duì)其驅(qū)動(dòng)方式提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為皮帶機(jī)的關(guān)鍵系統(tǒng)，為保證整機(jī)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性對(duì)其控制系統(tǒng)提出如下幾點(diǎn)要求：

1）控制系統(tǒng)能夠?yàn)檎w提供一個(gè)穩(wěn)定的加速度，減小對(duì)整機(jī)的沖擊性和負(fù)載，即使是負(fù)載處于動(dòng)態(tài)變化的情況也能夠確保穩(wěn)定啟動(dòng)；

2）整機(jī)在啟動(dòng)或者穩(wěn)定運(yùn)行過程中均具備過載保護(hù)功能；

3）涉及多電機(jī)驅(qū)動(dòng)的皮帶機(jī)，應(yīng)保證各個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率平衡，避免整機(jī)傳動(dòng)部件的損壞；

4）系統(tǒng)在滿負(fù)載啟動(dòng)狀態(tài)下，減小對(duì)整機(jī)的沖擊力；

5）控制系統(tǒng)具備對(duì)皮帶機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行工況的監(jiān)測，并對(duì)其中的故障信息進(jìn)行報(bào)警并作出相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作；

6）控制系統(tǒng)能夠保證電機(jī)按照預(yù)先設(shè)定的曲線運(yùn)行，保證皮帶機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的啟動(dòng)要求[2]。

本文以外轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)為核心實(shí)現(xiàn)對(duì)皮帶機(jī)的直驅(qū)調(diào)速控制，其對(duì)應(yīng)皮帶機(jī)滾筒的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 外轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)的直驅(qū)調(diào)速滾筒結(jié)構(gòu)示意圖

外轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)與傳統(tǒng)永磁電機(jī)相比較具有較好的節(jié)能性能、較高的功率因素，具有良好的效率曲線，便于后期維護(hù)以及調(diào)速范圍廣等優(yōu)勢[3]。

2 皮帶機(jī)直驅(qū)調(diào)速控制方案的設(shè)計(jì)

2.1 調(diào)速控制方式的確定

本文所研究調(diào)速控制系統(tǒng)的核心電機(jī)為外轉(zhuǎn)子同步電機(jī)，該電機(jī)的主要參數(shù)如表1 所示。

表1 外轉(zhuǎn)子同步電機(jī)主要參數(shù)

目前，針對(duì)交流電機(jī)常使用的控制方案包括有矢量控制方案和直接轉(zhuǎn)矩控制。對(duì)于上述兩種控制方案而言，矢量控制方案具有較好的啟動(dòng)性能，且具備軟啟動(dòng)功能，低速性能較好，調(diào)速范圍較廣；而對(duì)于直接轉(zhuǎn)矩控制方案而言，其調(diào)速范圍較小，低速性能較差，且對(duì)應(yīng)的啟動(dòng)性能較差，還需采用一定的輔助措施才能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的啟動(dòng)。

綜上所述，為保證皮帶機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性、安全性、沖擊小等，本方案以直接轉(zhuǎn)矩控制方案對(duì)外轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)進(jìn)行控制。

2.2 調(diào)速控制方案的總體設(shè)計(jì)

皮帶機(jī)運(yùn)行的環(huán)境相對(duì)惡劣，同時(shí)在實(shí)際運(yùn)輸過程中其負(fù)載處于動(dòng)態(tài)變化狀態(tài)，對(duì)直驅(qū)調(diào)速系統(tǒng)的抗干擾性提出了較高的要求。工業(yè)中常采用的PID 控制系統(tǒng)僅對(duì)線性系統(tǒng)具有較好的控制效果，而對(duì)于非線性系統(tǒng)而言，采用傳統(tǒng)PID 控制方式無法保證整機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性和控制精度。為此，本文方案在無模型自適應(yīng)控制理論的基礎(chǔ)上，提出了無模型自適應(yīng)控制與離散時(shí)間無模型的自適應(yīng)滑模控制理論，簡稱串級(jí)MFCA 理論[4]?；贛FCA 理論設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的調(diào)速控制方案如圖2 所示。

圖2 皮帶機(jī)直驅(qū)調(diào)速控制方案總體框圖

如圖2 所示，由于皮帶機(jī)在實(shí)際運(yùn)輸過程中對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、負(fù)載變化幅度較大等，在串級(jí)MFCA 控制理論的基礎(chǔ)上，還需采用高可靠性的伺服驅(qū)動(dòng)硬件系統(tǒng)做支撐才能夠保證以外轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)為核心的直驅(qū)調(diào)速功能的實(shí)現(xiàn)。

本控制系統(tǒng)中，采用型號(hào)為TMS320F2812 的DSP 控制器對(duì)直驅(qū)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。其中，涉及到的關(guān)鍵部件的選型如下：

功率開關(guān)器件的型號(hào)為BMS500GB170DLC，該型功率開關(guān)對(duì)應(yīng)的電機(jī)-發(fā)射極電壓為1 700 V，集電極通態(tài)電流為500 A；

熔斷器的型號(hào)為KH00 系列，該系列熔斷器的額定熔斷電流值為80 A，滿足該控制系統(tǒng)的電流有效值為68.69 A 的要求；

該直驅(qū)調(diào)速控制系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的進(jìn)線電感量的值為0.53～0.88 mH。因此，本方案所選的交流側(cè)進(jìn)行電感器的額定電感量為1 mH。

3 直驅(qū)調(diào)速系統(tǒng)的性能驗(yàn)證

本節(jié)對(duì)基于無模型自適應(yīng)控制理論的直驅(qū)調(diào)速控制系統(tǒng)與基于串級(jí)MFCA 理論的直驅(qū)調(diào)速控制系統(tǒng)的調(diào)速性能進(jìn)行仿真對(duì)比分析。

3.1 基于無模型自適應(yīng)理論的直驅(qū)調(diào)速控制的性能驗(yàn)證

基于無模型自適應(yīng)理論的直驅(qū)調(diào)速控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)如式（1）所示：

基于無模型自適應(yīng)控制理論與傳統(tǒng)PID 控制理論的直驅(qū)調(diào)速控制系統(tǒng)在擾動(dòng)情況下的速度誤差和速度跟蹤性能的仿真結(jié)果如圖3 所示。

圖3 無模型自適應(yīng)控制與傳統(tǒng)PID 控制的效果對(duì)比

如圖3 所示，在400 的時(shí)間點(diǎn)給予一定的擾動(dòng)。對(duì)比圖3 中的控制效果：在無模式自適應(yīng)控制理論下，在擾動(dòng)的影響下皮帶機(jī)電機(jī)的速度誤差僅為±0.8 rad/s，且在擾動(dòng)后2 s 內(nèi)皮帶機(jī)即可達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)；在傳統(tǒng)PID 控制理論下，在擾動(dòng)的影響下皮帶機(jī)電機(jī)的速度誤差僅為35 rad/s，且在擾動(dòng)后200后皮帶機(jī)才可達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，其對(duì)整機(jī)的沖擊較大，無法保證皮帶機(jī)的平穩(wěn)啟動(dòng)和運(yùn)行[5]。

可見，無模型自適應(yīng)控制理論的控制效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PID 控制理論的控制效果。

3.2 基于串級(jí)無模型自適應(yīng)理論的直驅(qū)調(diào)速控制的性能驗(yàn)證

串級(jí)無模型自適應(yīng)控制理論是在無模型自適應(yīng)控制的基礎(chǔ)上增加了離散時(shí)間的無模型自適應(yīng)控制的理論。因此，串級(jí)無模型自適應(yīng)理論對(duì)應(yīng)的傳遞函數(shù)分為主回路傳遞函數(shù)和副回路傳遞函數(shù)，分別如下：

基于無模型自適應(yīng)控制理論和串級(jí)無模型自適應(yīng)控制理論的直驅(qū)調(diào)速控制系統(tǒng)的速度跟蹤的仿真結(jié)果如圖4 所示。實(shí)線為理想速度曲線，虛線為實(shí)際控制的速度曲線。對(duì)比圖4-1 和4-2 可知，基于串級(jí)無模型自適應(yīng)控制理論的速度跟蹤控制明顯優(yōu)于無模型自適應(yīng)控制的速度跟蹤控制。主要是由于串級(jí)無模型自適應(yīng)控制理論的主回路和副回路能夠?qū)o系統(tǒng)造成的擾動(dòng)進(jìn)行很好的抑制，從而保證了系統(tǒng)的速度按照預(yù)定的曲線運(yùn)行。

圖4 速度跟蹤效果仿真結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)語

皮帶機(jī)為綜采工作面的主要運(yùn)輸設(shè)備，在大運(yùn)量、高運(yùn)速以及高功率發(fā)展方向的推動(dòng)下，對(duì)皮帶機(jī)的調(diào)速控制系統(tǒng)提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。本文以外轉(zhuǎn)子同步永磁電機(jī)為核心設(shè)計(jì)了皮帶機(jī)的直驅(qū)調(diào)速控制系統(tǒng)，并對(duì)傳統(tǒng)PID、無模型自適應(yīng)控制理論和串級(jí)無模型自適應(yīng)控制理論的下控制效果進(jìn)行對(duì)比仿真分析，得出串級(jí)無模型自適應(yīng)控制理論具有較好的速度跟蹤效果，且在外界擾動(dòng)下系統(tǒng)的速度誤差較小，并且能夠在很短的時(shí)間內(nèi)重新到達(dá)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)，在此期間對(duì)系統(tǒng)的沖擊力很小，可保證皮帶機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行。