盾構機刀盤多電機同步驅動研究

趙剛　劉德全

摘要：盾構機刀盤由多個電機共同驅動，需要對多電機進行同步控制和負載平衡控制，即讓電機速度相同的情況下，承擔相應的平均負載。本文描述了多電機同步控制的幾種方式，并對各種控制方式的特點進行了比較，同時介紹了φ8780土壓平衡盾構機刀盤驅動的實際應用。

關鍵詞：盾構機；刀盤驅動；刀盤同步控制

1 引言

傳統的盾構機刀盤是由液壓驅動的，近幾年出現了由變頻器控制三相交流異步電機驅動的刀盤。顯然，與液壓驅動相比，電機驅動具有機械設計簡單、安裝維護容易、控制靈活方便、成本低廉、更加節能等諸多優點，而且電機驅動刀盤的方式還可以方便盾構機的保養，例如，在更換刀具時，可以按需要將刀盤旋轉到便于更換刀具的角度。因此，越來越多的盾構機刀盤選擇電機進行驅動。

2 盾構機刀盤驅動的控制要求

應用于珠三角穗莞深城際軌道交通建設的φ8780土壓平衡盾構機采用電動機驅動刀盤的方式，由14個170kw大功率水冷電機，各電機經過各自的減速器與一個差不多和刀盤等直徑的大齒輪嚙合來驅動整個刀盤。這是一個多電機驅動同一負載的應用，需要多電機同步控制和負載平衡控制，即讓電機速度相同的情況下，承擔相應的平均負載，避免電機之間出力不均衡而引起部分電機過載。與其他需要負載平衡控制的應用相比，刀盤驅動的特殊性在于：

（1）電機的數量較多，刀盤驅動要求在14個電機之間平衡負載；

（2）機械傳動機構復雜，傳動比大，從電機側到刀盤傳動比高達355。刀盤負載的微小波動，對電機力矩的影響也很大，如果對電機力矩控制不得當，將容易造成傳動機構的損壞。因此，需要采取措施，盡量快速調節電機力矩，避免使電機力矩產生過大的波動。

本盾構機刀盤直徑為8.78m，刀盤旋轉切削泥土時，不僅需要克服刀具切削土產生的阻力，而且需要克服因盾構千斤頂向前推進時，刀盤與開挖面之間擠壓產生的摩擦力。這要求刀盤必須具備足夠的扭矩，按相關計算設計正常扭矩為10046KNm，最大脫困扭矩為12056KNm。在如此大的扭矩，如果采用單電機負載，將要求電機功率達到2380KW，實際中難以控制如此大功率的電機，而且可靠性差。因此，要求設計多電機共同驅動刀盤旋轉。

針對盾構機刀盤傳動結構特點，雖然各電機與刀盤齒輪是剛性連接，使得各電機的速度是強制同步，但是，這種速度同步是“被動”同步，即各電機雖然速度相同，但扭矩未必相同，如果有些電機速度比較慢的情況下“被提速”，使得此電機沒有對刀盤做正功，反而成為其他電機的負載，增加整個刀盤的扭矩負載。相反，如果個別電機因為轉速比其它都快，則在刀盤齒輪嚙合的作用下“被減速”，此電機的負載將會比正常負載大，定子電流急升，增加電機發熱量，嚴重時會燒壞電機。這些都是多電機之間不同步產生的不利影響。

另外，如果僅依靠機械結構完成同步，容易對傳動機械器件造成機械疲勞，大大縮短其設計使用壽命，由于盾構機現場施工環境的限制，不便于更換重型器件，所以設計時就需要考慮到器件工作的高可靠性，這也就要求在多電機傳動控制方面需要優化同步控制策略，以提高這個傳動系統的可靠性能。這就是“主動”的速度同步控制策略，使得各電機能夠穩定、精確地跟蹤給定速度的同時，還能夠均衡地分擔刀盤負載。

3 多電機同步控制方式

對多電機同步控制通常可分為非耦合控制和耦合控制。其中，非耦合同步控制主要有并行同步控制和主從同步控制兩種形式；耦合同步控制主要有交叉耦合同步控制。偏差耦合同步控制以及電子虛擬總軸同步控制。

3.1 并行同步控制

并行控制是基于相同的給定參考輸入信號，各電機獨立運行的控制模式，其控制結構如圖1所示：

圖1 并行同步控制

并聯運行的同步控制系統優點在于啟動、停止階段系統的同步性能很好，不同的單元不受距離的限制，可滿足一定條件下的同步要求。在并聯運行同步控制系統中，每個單元電動機的輸入信號由系統直接給定，因此各單元獲得的輸入信號完全一致。各驅動單元的輸入信號除了受參考信號作用以外，不受其它因素的影響，所以任一單元的擾動不會影響其它單元的工作狀態。但采用這種方法后，速度會隨著負載的變化而變化，因此不適合對速度精度要求高的場合。

3.2 主從同步控制

以雙電機為例，主從同步控制系統的基本結構圖如圖2所示。在這種情況下，主電機的輸出轉速值作為從電機的輸入轉速值。由此可以得出，從電機能夠反映并且跟隨任何加在主電機上的速度命令或者是從電機的負載擾動。

圖2 主從同步控制

在多臺電動機的情況下，主從控制系統有兩種不同的控制方式：

（1）第一臺電動機為主電動機，其余的所有電動機為從屬電動機。主電動機接收給定的輸入信號，而所有的從屬電動機共享主電動機的輸出信號作為輸入信號。在這種控制方式中，當主電動機的負載受到擾動時，所有從電動機都會受到它的影響；但是當任何一臺從電動機的負載發生變化時，其它所有電動機不會受到影響；

（2）第一臺電動機為主電動機，最后一臺電動機為從電動機，而其余的電動機充當雙重角色，既是主電動機，又是從電動機，相對于本電動機的前一個電動機而言，它是從電動機；相對于該電動機的后一臺電動機而言，它是主電動機。因而除了最后一臺電動機之外，任何一臺電動機的負載發生擾動時都會影響到隨后所有電動機的運行，但不會影響前面的電動機。

3.3 交叉耦合同步控制

交叉耦合控制原理圖如圖3所示，同非耦合控制相比，交叉耦合控制主要的特點就是將兩臺電機的速度信號進行比較，從而得到一個差值作為附加的反饋信號，再將這個反饋信號作為跟蹤補償信號，使系統能夠接受任何一臺電機的負載變化，從而獲得良好的同步控制精度。但這種控制方式不適合于超過3臺電動機的同步控制。

圖3 交叉耦合同步控制

3.4 偏差耦合同步控制

偏差耦合控制是交叉耦合控制的發展，如圖4所示，其基本思想是將兩個電機的速度反饋作差，然后將得到的偏差信號作為該電機的速度補償信號，增益用來補償各電機之間的不同轉動慣量，從而改善了雙軸之間的協調控制性能。

圖4 偏差耦合同步控制

但是這類補償控制還是不能有效地解決多電動機之間動態性能匹配、跟蹤過程及跟蹤軌跡非線性等一系列問題。

3.5 電子虛擬總軸同步控制

電子虛擬總軸控制策略最早由Meye和Lorenz在1999年提出，由Logcnz和Valenzuela進一步將其發展，以兩臺電動機為例，其控制原理圖如圖5所示。

圖5 電子虛擬總軸同步控制

虛擬總軸方案模擬了機械總軸的物理特性，因而具有與機械總軸相似的固有同步特性。虛擬總軸系統的系統輸入信號經過總軸的作用后，得到各驅動器的參考輸入信號。即各驅動器同步的是參考輸入信號而不是系統的輸入信號。由于該信號是經過總軸作用后得到的信號，因此該信號更易于為單元驅動器所跟蹤，從而達到提高同步性能的目的。

4 電機同步控制方式選擇

鑒于盾構機刀盤驅動是剛性連接的特點，各電機之間的速度基本一致，即使有速度差，也是因為齒輪之間的嚙合縫隙引起的，在此可以忽略其影響。因此不需要對各電機速度進行差值控制，即不適合采用耦合控制方式。

基于這些特點，可采用非耦合的并行控制和主從控制。如果采用主從方式，如前面所述可以有兩種結構方式，一種方式是1個作為主電機，其余的13個作為從電機；另一種是第1個電機只作為主電機，第14個電機只作為從電機，其中間12電機既是主電機又是從電機，對前1個電機是充當從電機角色，對后1個電機扮演從電機角色。這種主從結構中主電機工作在速度控制模式，從電機工作在力矩模式，系統的速度給定作為主電機的速度輸入，其力矩輸出作為從電機的力矩給定。

這種非耦合主從控制方式，所有的從電機給定信號都來自于唯一的主電機，可以保證輸出的力矩平衡，雖然從電機的速度不能反饋到主電機，但對于盾構機同軸負載來說，理論上已經足夠滿足同步及力矩平衡的要求。只是在實現這種控制方式過程中存在一個通信實時性的問題，即主變頻器與從變頻器信號傳輸的實時性問題，因為主變頻器的力矩信號是從變頻器的信號給定，當遇到負載波動比較大的情況下，信號傳輸過程的延時，將會導致主從之間出力不均衡，此時通信的實時性直接影響到整個系統穩定運行。

因此，在實踐過程中我們采用并行控制方式。并行同步控制中，每臺變頻器對應控制一臺電機，各變頻器之間無需聯系，其特點是系統結構簡單，易實現，控制的關鍵是要電機的負載差異小，即各電機的機械特性保持一致，從而達到多個電機負載平衡。

5 應用研究

5.1 三相異步電動機機械特性曲線

從理論上來說，同型號的數個電機，采用并行同步控制，如果驅動的電壓和頻率完全相同，那么，不用采取額外的措施，電機的負載就能互相平衡。但實際上，即使同型號電機，實際的特性很難保證一致。如圖6所示的交流異步電機機械特性曲線，對通常的交流異步電動機而言，在一定的范圍內，滑差（電機的實際轉速與由供電頻率和電機極數決定的磁場轉速之間有一定的差異）和負載之間有近似的線性關系，但由于制造過程中的差異，同型號電機的機械特性曲線也不完全相同。如圖7所示的相同條件下兩臺同型號電機的機械特性曲線比較。

圖6 電動機機械特性

圖7兩臺電動機機械特性對比

當多個電機驅動同一負載時，由于電機軸通過機械耦合在一起，這意味著這些電機的速度是強制同步的。如果這些電機的電壓和頻率相等，那么，各電機的負載大小實際與各自的特性相關。為簡單說明起見，以2個電機為例，如圖8所示。

圖8 電機同負載特性

從上圖中不難看出，當電源頻率相等（圖中與縱軸交點，第1行虛線）、實際速度強制同步（圖中的第2行虛線所示）的情況下，2個電機的負載大小實際由各自機械特性的斜率所決定。當2個電機特性相同時，那么負載也是相等的。當特性不相同時，相對的負載也不相等。同時也可以看出，在2個電機特性有差異的情況下，對于同樣的速度范圍，軟特性（曲線更下垂）的2個電機之間的負載差異比硬特性的2個電機之間的負載差異要小。

當電機由變頻器驅動時，由于頻率連續可變，因此該曲線可以上下平移（如圖9所示），形狀基本不變，對電機本身而言，負載與轉速的關系與電網直接驅動是一樣的。

圖9 電機變頻調速特性

根據上述電機機械特性曲線的分析，要達到多個電機負荷平衡的效果，就必須減小各電機間的負載差異，而機械特性越“軟”（曲線更下垂）電機之間的負載差異越小。當然也要注意“軟化”程度，軟的特性不僅使得電機低速時力矩較小，而且會因刀盤的微小負載擾動，使得電機轉速波動很大。選擇變頻器驅動電機時，當電機的實際負載增大，變頻器將主動降低給定，這樣的效果是人為地“軟化”了曲線，在同樣的速度范圍內，“軟化”了特性的拖動系統更容易達到負載的平衡。

5.2 變頻器選擇

5.2.1 變頻器控制原理

變頻器的控制，較常用的有V/F控制和矢量控制，下面分別介紹。

V/F控制就是變頻器輸出頻率與輸出電壓的比值為恒定值或成比例。變頻器采用V/F控制方式時，對電機參數依賴不大，V/F控制是為了得到理想的轉矩-速度特性，基于在改變電源頻率進行調速的同時，又要保證電動機的磁通不變的思想而提出的，通用型變頻器基本上都采用這種控制方式。V/F控制變頻器結構非常簡單，但是這種變頻器采用開環控制方式，不能達到較高的控制性能，而且在低頻時，必須進行轉矩補償，以改變低頻轉矩特性。V/F控制特點——以控制速度為目的，控制特點控制精度不高，低速時，力矩明顯小，常用于變頻器一拖多場合下。

矢量控制的應用場合一般是要求比較高的傳動場合。而且，矢量控制在低速時可以輸出100%的力矩，而V/F控制在低速時因力矩不夠而無法工作。矢量控制——它有速度閉環，即從負載端測出實際的速度，并與給定值進行比較，它能夠得到更高精度的速度控制，并且在低速時，也有100%的力矩輸出。

矢量控制變頻調速的做法是將異步電動機在三相坐標系下的定子電流Ia、Ib、Ic通過三相－二相變換，等效成兩相靜止坐標系下的交流電流Ia1、Ib1，再通過按轉子磁場定向旋轉變換，等效成同步旋轉坐標系下的直流電流Im1、It1（Im1相當于直流電動機的勵磁電流；It1相當于與轉矩成正比的電樞電流），然后模仿直流電動機的控制方法，求得直流電動機的控制量，經過相應的坐標反變換，實現對異步電動機的控制。其實質是將交流電動機等效為直流電動機，分別對速度、磁場兩個分量進行獨立控制。通過控制轉子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉矩和磁場兩個分量，經坐標變換，實現正交或解耦控制。

5.2.2 φ8780盾構機刀盤變頻器選擇及應用

東芝VF-AS1系列變頻器具有矢量控制功能，它可以通過調整電壓及頻率，從而改變電動機機械特性曲線，同時，內部設置了一個參數（F320）用于調整負載反饋的強度，在應用上這個參數的效果就是調節整個拖動系統的特性曲線的斜率，即“軟化”的程度。當耦合在一起的電機特性有差異時，可以通過調整相應變頻器的這個參數使拖動系統的特性達到一致。同時，正如前文所描述的那樣，在同樣的速度范圍內，“軟化”了特性的拖動系統更容易達到負載的平衡。

同時，東芝VF-AS1系列變頻器具有CC-Link接口，可方便的接入到盾構機控制系統中，14臺變頻器分別控制14臺電機，實現并行同步控制，實際應用體系結構如圖10所示：

圖10 并行同步控制系統結構圖

由于系統的變頻器數量多，功率大，根據變頻器的動力來自不同變壓器，故將其分成兩大部分，每部分根據不同的斷路器再分成兩個小組。第一部分中的兩個小組，左邊的由INVT1、INVT3、INVT5、INVT7四個變頻器組成NO1刀盤VFD盤，右邊小組由INVT2、INVT4、INVT6三個變頻器組成NO2刀盤VFD盤。

設計變頻器的排列并非按從小到大的順序排布，而是采用間隔增長的形式，這是出于提高系統可靠性的設計理念。其中INVT1和INVT3共用一個斷路器，其中INVT2和INVT4共用一個斷路器。當INVT1所在主回路的斷路器出現故障時，將會導致INVT1和INVT3不能正常運行，但INVT2和INVT4仍然可以正常工作，這樣使得電機在軸承端仍可保持平穩出力，從而大大減小因電氣故障給機械部件造成的意外損傷。

實際應用時，PLC獲取上位機設定的刀盤轉速，并換算成變頻器給定頻率，然后廣播式發送到14個變頻器中。14個變頻器對應14個參數文件，其中每個文件除了負載平衡系數及CC-Link站點號不同以外，其余參數都保持一致。刀盤旋轉時，14個電機同時啟動，并且保持轉速一致，電流和轉矩保持在允許的范圍之內，刀盤轉速跟蹤給定，達到了同步控制的效果。

6 結論

通過對多電機同步驅動的研究，比較多電機同步控制的幾種方式，我們采用了并行控制方式，每臺變頻器對應控制一臺電機，各變頻器之間無需聯系。我們將電機同步控制技術應用于φ8780土壓平衡盾構機上，設備運行良好，成功解決了盾構機刀盤電機同步驅動控制的難題。

參考文獻

[1]東芝變頻器VF-AS1操作說明書

[2]ATV71變頻器在盾構機刀盤驅動中的應用

[3]張厚美，盾構隧道的理論研究與施工實踐[M].北京：中國建筑工業出

版社，2010