莊吉慶，鮑久圣，劉 勇，葛世榮，張 磊，陰 妍，劉同岡

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083)

0 引 言

煤炭作為我國(guó)的基礎(chǔ)能源，在能源消費(fèi)中的比重雖連年下降，但在未來(lái)數(shù)十年內(nèi)仍將處于能源消費(fèi)的主導(dǎo)地位[1-2]。隨著淺層煤炭資源的不斷開(kāi)采，未來(lái)礦井提升系統(tǒng)朝著特大型超深井方向發(fā)展成為必然需求。為實(shí)現(xiàn)煤炭資源深部化、大型化開(kāi)采[3]，對(duì)大型和特大型容器提升設(shè)備進(jìn)行改造和應(yīng)用成為亟須考慮的問(wèn)題[4]?；纷鳛槊旱V立井提升系統(tǒng)主要運(yùn)煤設(shè)備[5]，國(guó)內(nèi)礦用箕斗的單次最大提升負(fù)載已達(dá)到50 t[6]，但是隨著箕斗噸位增加與提升深度變大，礦井提升設(shè)備的性能會(huì)越來(lái)越差[7]，其中最重要的問(wèn)題是鋼絲繩在復(fù)雜工況下因交變載荷影響而導(dǎo)致的疲勞失效，進(jìn)而導(dǎo)致鋼絲繩壽命大幅降低[8-9]。例如，2012年9月，甘肅省某煤礦在副井井筒人車(chē)提升過(guò)程中就發(fā)生了鋼絲繩斷裂事故，導(dǎo)致20人死亡。而加長(zhǎng)加粗鋼絲繩又會(huì)導(dǎo)致外載荷的增加，難以從根本上解決問(wèn)題，極大限制了大噸位箕斗的提升能力和提升效率。20世紀(jì)90年代，河南理工大學(xué)首次提出直線電機(jī)礦井提升系統(tǒng)，并開(kāi)始了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電磁參數(shù)分析、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等一系列研究，但依據(jù)現(xiàn)有直線電機(jī)技術(shù)，其承載能力不高，且多用于水平驅(qū)動(dòng)，難以直接將其應(yīng)用到礦井提升系統(tǒng)上[10-11]。

基于以上研究背景，可把傳統(tǒng)的鋼絲繩牽引箕斗提升設(shè)備和永磁直線電機(jī)傳動(dòng)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，進(jìn)而提出一種新的直線電機(jī)輔助提升系統(tǒng)。封孝輝等[12]利用DSP芯片在軟硬件方面設(shè)計(jì)和仿真了永磁直線電機(jī)提升系統(tǒng)；鮑久圣等[13]設(shè)計(jì)了一種垂直式直線電機(jī)輔助驅(qū)動(dòng)的超深井特大噸位箕斗提升系統(tǒng)，修改完善了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，有效增加了系統(tǒng)的提升噸位和深度；劉勇[14]對(duì)永磁直線電機(jī)輔助提升特大型箕斗系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，包括輔助提升系統(tǒng)的方案論證、設(shè)計(jì)分析、仿真試驗(yàn)等研究。通過(guò)此方式對(duì)箕斗提升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，可以提高箕斗提升載荷和效率，延長(zhǎng)鋼絲繩使用壽命，便于實(shí)現(xiàn)更深層次的礦井運(yùn)輸。

筆者論述了超深井特大型箕斗垂直式直線電機(jī)輔助提升系統(tǒng)改進(jìn)方案，優(yōu)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，同時(shí)建立了輔助提升系統(tǒng)的多電機(jī)同步控制策略模型，對(duì)多電機(jī)同步控制策略的同步性和控制穩(wěn)定性進(jìn)行了有效驗(yàn)證。

1 輔助提升系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

考慮到礦井實(shí)際結(jié)構(gòu)，以下提出的設(shè)計(jì)方案在盡可能保留原有礦井結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上對(duì)輔助提升系統(tǒng)的礦井布置、電機(jī)結(jié)構(gòu)、導(dǎo)軌選用等問(wèn)題進(jìn)行了改進(jìn)，對(duì)增載后箕斗主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算。

1.1 垂直式直線電機(jī)輔助提升方案

設(shè)計(jì)的直線電機(jī)輔助提升系統(tǒng)通過(guò)減速器帶動(dòng)摩擦輪的運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而拖動(dòng)鋼絲繩最終作用于箕斗，直線電機(jī)安裝在箕斗非卸載口的兩側(cè)提供輔助驅(qū)動(dòng)，如圖1所示。尾端設(shè)立平衡錘可以有效減少提升箕斗所需要的驅(qū)動(dòng)力，增加提升能力，適用于超深井、高載荷工況下箕斗的提升。系統(tǒng)采用分段式初級(jí)供電，多個(gè)初級(jí)分段共同提升，能夠減少因整體供電帶來(lái)的能源損耗，同時(shí)避免電機(jī)持續(xù)發(fā)熱，增加電機(jī)使用壽命。

圖1 直線電機(jī)輔助提升總體結(jié)構(gòu)方案Fig.1 Overall structure layout of linear motor auxiliary hoisting

1.2 直線電機(jī)布置和選擇

考慮到原有鋼罐道難以支撐多個(gè)電機(jī)重量，將鋼結(jié)構(gòu)支架固定在井壁上代替原有鋼罐道，內(nèi)嵌式直線導(dǎo)軌以及直線電機(jī)初級(jí)則固定在該鋼結(jié)構(gòu)上，直線電機(jī)的次級(jí)以及滾輪則安裝在箕斗本體上，具體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。通過(guò)鋼絲繩牽引以及滾輪與直線導(dǎo)軌配合運(yùn)動(dòng)有助于防止箕斗側(cè)傾，能夠一定程度上保證電機(jī)氣隙均勻穩(wěn)定。

圖2 直線滑軌在輔助提升系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)布置Fig.2 Structure arrangement of linear slide rails in auxiliary hoisting system

針對(duì)礦井超深井行程長(zhǎng)、推力大的運(yùn)輸工況，直線電機(jī)選用次級(jí)無(wú)需與供電纜相連的動(dòng)磁鋼型初級(jí)分段永磁直線同步電機(jī)，如圖3所示。采用單邊PMLSM雙側(cè)輔助驅(qū)動(dòng)，兩側(cè)直線電機(jī)對(duì)稱(chēng)分布理論上能夠有效抵消法向電磁力對(duì)箕斗的作用力，同時(shí)保證系統(tǒng)推力的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)左右推力平衡，但不可避免需要對(duì)箕斗增設(shè)加強(qiáng)筋，增加箕斗牢固性。

圖3 動(dòng)磁鋼型初級(jí)分段PMLSM結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Schematic of moving magnet and discontinuous primary PMLSM

1.3 箕斗結(jié)構(gòu)及增額提升量

根據(jù)初始設(shè)計(jì)目標(biāo)，確定礦井深度為1 000 m，根據(jù)定義特大型箕斗為名義載重50 t及以上的箕斗，設(shè)計(jì)在50 t基礎(chǔ)上增加20%即10 t載重，設(shè)計(jì)箕斗所參照的型號(hào)為JL50/200B，額定裝載重量為50 t。經(jīng)過(guò)對(duì)參照型號(hào)的箕斗結(jié)構(gòu)分析計(jì)算，首先對(duì)箕斗進(jìn)行擴(kuò)容設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)計(jì)算后增載箕斗的主要參數(shù)如下:

箕斗名義裝載質(zhì)量/t60斗箱高度/mm12 000總高度/mm23 000有效容積/m368斷面尺寸/(mm×mm)4 100×2 050裝卸形式同側(cè)裝卸

1.4 輔助提升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮箕斗自重、直線電機(jī)次級(jí)自重、加強(qiáng)筋以及摩擦增加帶來(lái)的影響，結(jié)合箕斗自重與載重關(guān)系[15]，設(shè)計(jì)增加12 t額外質(zhì)量及10 t額外載荷，電機(jī)總推力為22 t，故單邊PMLSM輔助提升11 t。增載設(shè)計(jì)箕斗總長(zhǎng)為23 m，所設(shè)計(jì)單個(gè)電機(jī)整段總長(zhǎng)不超過(guò)1 m，這里設(shè)計(jì)為1 m。根據(jù)箕斗長(zhǎng)度將永磁同步直線電機(jī)分段最終確立為單邊設(shè)計(jì)20個(gè)分段式初級(jí)，故單個(gè)永磁直線同步電機(jī)的同步推力確定為5 500 N。根據(jù)電機(jī)學(xué)理論和相關(guān)知識(shí)[16]，對(duì)永磁直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了整體設(shè)計(jì)，經(jīng)對(duì)比研究多種極槽配合，最終選擇10極12槽分?jǐn)?shù)槽繞組，電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖4所示，該極槽配合較成熟，齒槽力波動(dòng)較小，便于設(shè)計(jì)加工和性能分析，并利用有限元軟件Ansys Maxwell進(jìn)行了建模仿真，優(yōu)化了齒槽結(jié)構(gòu)和永磁體寬度等參數(shù)，最終直線電機(jī)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 PMLSM主要參數(shù)Table 1 Main parameters of PMLSM

2 多電機(jī)同步控制策略

為保證輔助提升系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于速度跟隨的多電機(jī)同步控制策略，能夠有效控制主電機(jī)與輔助提升電機(jī)之間以及多個(gè)輔助提升電機(jī)之間的速度誤差和推力誤差，有助于實(shí)現(xiàn)主提升電機(jī)和輔助提升電機(jī)對(duì)箕斗的協(xié)同驅(qū)動(dòng)控制。

圖4 10極12槽PMLSM結(jié)構(gòu)示意Fig.4 Schematic of 10-pole-12-slot PMLSM

2.1 多電機(jī)同步控制方式

隨著多電機(jī)同步控制應(yīng)用場(chǎng)合的增加，目前多電機(jī)同步控制策略包括主從控制、并行控制、交叉耦合、智能算法等多種控制方式。設(shè)計(jì)的永磁直線電機(jī)輔助提升系統(tǒng)控制策略包括并行控制和主從控制2種同步控制方式，如圖5所示。

圖5 兩種主要的多電機(jī)同步方式Fig.5 Two main multi-motor synchronization methods

考慮超深井煤礦的應(yīng)用場(chǎng)合下，主電機(jī)與輔助提升電機(jī)之間的控制信號(hào)傳遞距離較遠(yuǎn)，而輔助提升電機(jī)的推力作用區(qū)間與箕斗所在位置之間的誤差要求較高，因此對(duì)主電機(jī)與輔助提升電機(jī)之間的同步速度要求較高。為解決此問(wèn)題，需選擇電機(jī)之間同步性較高的控制方式，并行控制由于對(duì)各電機(jī)輸入信號(hào)相同，電機(jī)之間的同步精度主要與信號(hào)傳輸誤差有關(guān)，電機(jī)之間不存在滯后，能夠避免主提升電機(jī)與輔助提升電機(jī)產(chǎn)生干擾。因此選擇并行控制作為主電機(jī)與輔助提升電機(jī)之間的同步控制方式。

為保證輔助提升電機(jī)具有快速連續(xù)均勻的速度響應(yīng)，輔助提升電機(jī)單元之間采用主從同步控制方式[17]。主從式同步控制方式是將前一電機(jī)的速度信號(hào)傳輸給后一電機(jī)，電機(jī)速度同步控制性能較好，即使在速度突變情況下也能保證輔助提升電機(jī)之間較小的速度偏差。

2.2 輔助提升系統(tǒng)多電機(jī)同步控制方案

根據(jù)2.1節(jié)分析，多電機(jī)同步控制策略為主提升電機(jī)與輔助提升電機(jī)之間采用并行式同步控制，輔助提升電機(jī)單元之間采用主從式同步控制。為便于表述所提出的輔助提升系統(tǒng)控制策略，對(duì)設(shè)計(jì)的單邊20個(gè)單元電機(jī)控制方案進(jìn)行了示意圖簡(jiǎn)化，如圖6所示，v為電機(jī)運(yùn)行速度。

圖6 PMLSM主從控制速度跟隨策略Fig.6 Master-slave speed following control strategy of PMLSM

考慮電機(jī)之間的輸出信號(hào)存在一定的滯后性，且串聯(lián)電機(jī)越多滯后現(xiàn)象越明顯，會(huì)導(dǎo)致永磁同步直線電機(jī)次級(jí)與初級(jí)接觸過(guò)渡階段會(huì)產(chǎn)生一定沖擊。為解決該問(wèn)題，提出了對(duì)輔助提升電機(jī)的超前控制，使對(duì)箕斗進(jìn)行輔助驅(qū)動(dòng)的電機(jī)始終處于穩(wěn)定狀態(tài)。由圖5可以看出，前5個(gè)電機(jī)已處于速度跟隨的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)箕斗進(jìn)行輔助驅(qū)動(dòng)，而即將運(yùn)行的電機(jī)6則需要提前選擇電機(jī)進(jìn)行速度跟隨。綜合考慮信號(hào)傳遞距離與電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定程度，電機(jī)6速度跟隨電機(jī)要選擇最后進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)的電機(jī)，此時(shí)選取電機(jī)3為主電機(jī)，電機(jī)6對(duì)電機(jī)3進(jìn)行速度跟隨，之后，電機(jī)7對(duì)電機(jī)4進(jìn)行速度跟隨，依次運(yùn)行。

3 輔助提升系統(tǒng)仿真試驗(yàn)

在MATLAB/Simulink中對(duì)輔助提升系統(tǒng)進(jìn)行了建模，并著重研究分析了不同工況下電機(jī)速度和推力速度跟隨的仿真結(jié)果，從而驗(yàn)證主提升電機(jī)和輔助提升電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)及其控制策略的有效性。

3.1 主提升電機(jī)和輔助提升電機(jī)仿真模型建立

為完善永磁電機(jī)設(shè)計(jì)及控制策略，采用Simulink子模塊建立了電機(jī)矢量控制模型[18]。仿真界面如圖7所示，仿真模型可劃分成四大模塊：①速度環(huán)、電流環(huán)及PI控制模塊；②坐標(biāo)變換模塊；③永磁電機(jī)模塊；④空間矢量脈寬調(diào)制模塊(SVPWM)。

其中坐標(biāo)變換模塊包含在永磁電機(jī)模塊之內(nèi)，圖中未明顯標(biāo)出，各個(gè)模塊不斷進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，通過(guò)改變輸入輸出參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)模型在不同工況下模擬仿真[19-20]。文中采用的是id=0的雙閉環(huán)矢量控制，該方法下電磁推力僅與輸出電流iq成正比，因此id的目標(biāo)值為0，id(d軸電流)經(jīng)過(guò)idPI(電流調(diào)節(jié)器)輸出值為Ud(d軸電壓)。目標(biāo)速度v經(jīng)過(guò)vPI(速度調(diào)節(jié)器)輸出值為iq(q軸電流)，iq再經(jīng)過(guò)iqPI(電流調(diào)節(jié)器)輸出值為Uq(q軸電壓)。因此速度v最終是通過(guò)控制電壓Ud、Uq實(shí)現(xiàn)的。Ud、Uq(兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓)可以通過(guò)坐標(biāo)變換模塊轉(zhuǎn)換為Uα、Uβ(兩相靜止坐標(biāo)系下的電壓)，而Uα、Uβ的矢量和與UA,UB,UC(三相靜止坐標(biāo)系下的電壓)的矢量和是相等的，因此若想產(chǎn)生需要的Ud、Uq最終需要產(chǎn)生相應(yīng)的三相正弦電壓UA,UB,UC。而三相正弦電壓UA,UB,UC采用空間矢量脈沖調(diào)制(SVPWM)算法通過(guò)PWM控制功率器件(IGBT)的開(kāi)關(guān)順序和開(kāi)關(guān)脈沖大小，將直流電壓Udc逆變成三相正弦電壓UA,UB,UC。將該電壓通入永磁同步直線電機(jī)(PMLSM)，電機(jī)即可產(chǎn)生克服負(fù)載Fd達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速v所需要的勵(lì)磁電流(id)和轉(zhuǎn)矩電流(iq)，此時(shí)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩為Fe。通過(guò)電流AD采樣和編碼器可分別對(duì)實(shí)際輸出電流ia、ib、ic和速度v進(jìn)行測(cè)量,其中ia、ib、ic可通過(guò)坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)換成電流id，iq，從而形成電流閉環(huán)；目標(biāo)速度v可與目標(biāo)轉(zhuǎn)速形成速度閉環(huán)。

圖7 單元電機(jī)在雙閉環(huán)控制下的仿真系統(tǒng)界面Fig.7 Simulation system interface of unit motor in two closed-loop control

3.2 主提升電機(jī)與輔助提升電機(jī)同步控制仿真試驗(yàn)

主提升電機(jī)和輔助提升電機(jī)采用并行式同步控制策略，2種電機(jī)給定輸入信號(hào)一致，穩(wěn)定輸出信號(hào)一致?？紤]到箕斗實(shí)際運(yùn)動(dòng)工況，仿真輸入信號(hào)設(shè)置為加速度為1 m/s2的S形速度曲線，主提升電機(jī)和輔助提升電機(jī)在滿(mǎn)載情況下分別對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)曲線進(jìn)行跟隨，仿真結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，主提升電機(jī)和輔助提升電機(jī)僅啟動(dòng)階段和12 m/s時(shí)具有很小的速度同步誤差。因此，主提升電機(jī)和輔助提升電機(jī)采用并行式同步控制策略具有較好的同步效果。

圖8 主提升電機(jī)和輔助提升電機(jī)仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results of main lifting motor and auxiliary lifting motor

3.3 多輔助提升電機(jī)同步控制仿真試驗(yàn)

對(duì)于輔助提升電機(jī)單元之間的主從式速度跟隨同步控制策略，首先建立了上述單元電機(jī)仿真模型以驗(yàn)證輔助提升電機(jī)中選取為主電機(jī)的電機(jī)單元的穩(wěn)定性，其次建立了3個(gè)單元電機(jī)之間速度跟隨的仿真模型，采用如圖9所示雙閉環(huán)且id=0的矢量控制策略，將主電機(jī)的速度輸出作為次電機(jī)的速度輸入進(jìn)行速度跟隨仿真試驗(yàn)，以驗(yàn)證系統(tǒng)勻速、變速和制動(dòng)工況下多電機(jī)主從速度跟隨特性。

3.3.1 恒速變負(fù)載下的單元電機(jī)仿真試驗(yàn)

為檢驗(yàn)電機(jī)單元閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，設(shè)定單元電機(jī)仿真負(fù)載在第3秒時(shí)由1 000 N直接突變成5 500 N，速度為5 m/s。經(jīng)過(guò)仿真調(diào)試，得到圖10所示仿真結(jié)果。

圖10 恒速突變負(fù)載下的單元電機(jī)仿真結(jié)果Fig.10 Simulation results of unit motor in constant speed and mutation load

結(jié)果表明在所施加的負(fù)載突變后，q軸電流由3 A變?yōu)?6.5 A，id=0控制結(jié)果較為理想，電機(jī)速度能夠在短暫減少后迅速恢復(fù)到5 m/s，響應(yīng)速度較快，僅有較小超調(diào)量，驗(yàn)證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時(shí)可分析出，負(fù)載突變后電流、電機(jī)推力、運(yùn)行速度幅值變化有所增加是由于電機(jī)內(nèi)部參數(shù)變化增大而PI調(diào)節(jié)器性能較差引起的。

3.3.2 勻速下的多電機(jī)仿真試驗(yàn)

由于輔助提升系統(tǒng)自重較大，永磁直線電機(jī)運(yùn)行過(guò)程必然會(huì)承擔(dān)一定負(fù)載，因此仿真條件設(shè)定為運(yùn)行速度12 m/s，負(fù)載5 500 N，仿真結(jié)果如圖11所示。

圖11 勻速下的多電機(jī)主從速度跟隨仿真結(jié)果Fig.11 Simulation results of the multi-motor master-slave speed following in constant speed

由圖11a可知，電機(jī)a從啟動(dòng)運(yùn)行至最高速度12 m/s僅用時(shí)0.084 s，進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)用時(shí)0.12 s，電機(jī)b、c分別在0.116、0.143 s后速度達(dá)到12 m/s，在0.26、0.35 s后進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)；電機(jī)平均穩(wěn)定延遲時(shí)間為0.16 s，其中電機(jī)c同步速度的最大超調(diào)量為2.05 m/s；經(jīng)數(shù)據(jù)計(jì)算和分析，電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行速度跟隨誤差率最大值計(jì)算結(jié)果為1.61%，平均誤差率為0.96%，因此主從電機(jī)之間具有較好的速度跟隨特性。電機(jī)主從速度跟隨精度會(huì)隨著電機(jī)數(shù)量增加逐漸變差，可以對(duì)主從控制策略進(jìn)行改進(jìn)以補(bǔ)償電機(jī)速度同步精度。單元電機(jī)在穩(wěn)定延遲時(shí)間內(nèi)行駛距離1.92 m，而箕斗總長(zhǎng)為23 m，單個(gè)電機(jī)設(shè)為1 m，因此電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中至少有兩個(gè)邊緣電機(jī)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，至少設(shè)計(jì)2個(gè)電機(jī)進(jìn)行電機(jī)速度傳遞，以保證速度傳遞的穩(wěn)定性。

從圖11b可以得出3個(gè)電機(jī)輸出推力的變化狀況類(lèi)似，單個(gè)電機(jī)的輸出推力能穩(wěn)定在5 500 N處，總輸出推力在0.38 s后進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。單個(gè)推力平均滯后0.08 s，且三電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行后會(huì)出現(xiàn)較小的推力波動(dòng)，電機(jī)總輸出推力的平均波動(dòng)和最大波動(dòng)達(dá)到0.27%、4.5%，其中a、b、c三電機(jī)輸出推力的平均波動(dòng)依次為0.2%、0.29%、0.12%，最大波動(dòng)依次為5.7%、4.75%、4.71%。經(jīng)數(shù)據(jù)分析，電機(jī)速度跟隨過(guò)程中，電機(jī)的輸出推力波動(dòng)并未隨著電機(jī)數(shù)量增加而增加；總輸出推力進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間是由最后一個(gè)從電機(jī)決定的，驗(yàn)證了電機(jī)在勻速負(fù)載狀態(tài)下優(yōu)良的同步性和穩(wěn)定精度。

3.3.3 突變速度下的多電機(jī)仿真試驗(yàn)

為驗(yàn)證電機(jī)控制系統(tǒng)在速度發(fā)生突變時(shí)電機(jī)的輸出推力和速度跟隨的穩(wěn)定性，設(shè)定仿真試驗(yàn)為電機(jī)以12 m/s勻速運(yùn)行3 s后，速度突變?yōu)? m/s。仿真結(jié)果如圖12a所示，電機(jī)在速度發(fā)生突變后速度跟隨特性良好，a、b、c三電機(jī)在速度發(fā)生突變后分別在0.19、0.24、0.29 s將速度從12 m/s穩(wěn)定運(yùn)行至2 m/s，速度響應(yīng)時(shí)間為0.15 s，超調(diào)量較小，突變后電機(jī)同步速度精度與突變前保持一致。由圖12b可知，在速度突變后，a、b、c三電機(jī)輸出推力在短時(shí)間內(nèi)大幅度下降至567、1 389、1 483 N，并在0.12、0.16、0.21 s后再次進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，推力響應(yīng)時(shí)間為0.045 s，較速度響應(yīng)時(shí)間快了0.105 s，三電機(jī)的輸出推力進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后發(fā)生的平均波動(dòng)依次為0.76%、2.1%、1.3%，有效驗(yàn)證了速度突變后電機(jī)速度和輸出推力良好的跟隨特性和穩(wěn)定性。

圖12 突變速度下的多電機(jī)主從速度跟隨仿真結(jié)果Fig.12 Simulation results of multi-motor master-slave speed following in mutation speed

3.3.4 制動(dòng)狀態(tài)下的多電機(jī)仿真試驗(yàn)

當(dāng)反向控制永磁直線電機(jī)時(shí)可以提供電磁反向推力實(shí)現(xiàn)輔助制動(dòng)，在突發(fā)狀況下可以及時(shí)制動(dòng)，提高礦井運(yùn)輸?shù)陌踩裕€可以節(jié)省箕斗的運(yùn)行時(shí)間，提高運(yùn)輸效率。設(shè)定仿真系統(tǒng)速度從12 m/s工作狀態(tài)變?yōu)?，負(fù)載由5 500 N變?yōu)?5 500 N，電機(jī)可提供22 t電磁推力輔助制動(dòng)。

從圖13中可以得出電機(jī)a、b在0.5 s內(nèi)能夠及時(shí)有效地進(jìn)行速度跟隨，能夠輸出較為穩(wěn)定的反向推力進(jìn)行輔助制動(dòng)，而電機(jī)c響應(yīng)慢，速度和輸出推力跟隨穩(wěn)定性差，導(dǎo)致電機(jī)c輔助制動(dòng)效果較差。因此，系統(tǒng)制動(dòng)狀態(tài)下應(yīng)使用并行式同步控制策略，同時(shí)控制多個(gè)永磁直線電機(jī)進(jìn)行輔助制動(dòng)。

圖13 制動(dòng)狀態(tài)下的多電機(jī)主從速度跟隨仿真結(jié)果Fig.13 Simulation results of multi-motor master-slave speed following in braking state

經(jīng)過(guò)以上仿真試驗(yàn)分析和總結(jié)，對(duì)所設(shè)計(jì)的多電機(jī)主從同步控制策略進(jìn)行了有效驗(yàn)證。系統(tǒng)在勻速運(yùn)行和加減速運(yùn)行狀態(tài)下，采用主從式速度跟隨控制策略；在制動(dòng)狀態(tài)下，選擇并行式同步控制策略；當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)采用主從速度跟隨控制策略時(shí)，應(yīng)至少超前控制2個(gè)電機(jī)進(jìn)行速度跟隨，以保證速度傳遞的穩(wěn)定性，減輕箕斗在電機(jī)過(guò)渡階段產(chǎn)生的沖擊。

4 結(jié)論及展望

1)直線電機(jī)輔助提升系統(tǒng)選用動(dòng)磁鋼型初級(jí)分段永磁直線同步電機(jī)，初級(jí)采用分段式供電方式。

2)采用PMLSM雙側(cè)輔助驅(qū)動(dòng)，單側(cè)布置20個(gè)永磁直線電機(jī)進(jìn)行輔助驅(qū)動(dòng)，電機(jī)選用10極12槽平板式永磁直線電機(jī)單元，選取永磁鐵寬度為50 mm，單個(gè)推力為5 500 N。

3)該輔助提升系統(tǒng)控制策略如下，主提升電機(jī)與輔助提升電機(jī)之間采用并行式同步控制；輔助提升電機(jī)單元之間在勻速、加減速運(yùn)行狀態(tài)下，采用主從式速度跟隨控制策略；在制動(dòng)狀態(tài)下，電機(jī)選擇并行式同步控制策略；為保證速度傳遞穩(wěn)定性，減輕箕斗在電機(jī)過(guò)渡階段產(chǎn)生的沖擊，應(yīng)至少超前控制兩個(gè)電機(jī)進(jìn)行主從速度跟隨。

但是，本文對(duì)系統(tǒng)以及控制策略的仿真較為簡(jiǎn)化，考慮到千米深井運(yùn)行工況復(fù)雜，未來(lái)還可在以下3個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化：① 礦井結(jié)構(gòu)復(fù)雜，顆粒污染嚴(yán)重，通過(guò)優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)解決直線電機(jī)次級(jí)與初級(jí)之間的清潔問(wèn)題；② 建立整個(gè)箕斗提升系統(tǒng)的仿真模型，仿真主電機(jī)與輔助提升電機(jī)耦合后的控制策略，并進(jìn)行千米礦井特大型箕斗等比例縮小模型的試驗(yàn)；③ 采用位置環(huán)，速度環(huán)、電流環(huán)三閉環(huán)控制策略，對(duì)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中位置、速度、電流等參數(shù)的傳輸狀況進(jìn)行研究，甚至可以利用軟件編程進(jìn)行遠(yuǎn)程協(xié)調(diào)控制。