盾構機刀盤驅動多電機同步控制仿真分析

韓　影，李　強

(西安理工大學 自動化與信息工程學院，陜西　西安　710048)

0　引言

盾構機中的刀盤驅動部分是盾構機的核心部件之一。液壓驅動[1]作為刀盤系統傳統的驅動方式，由于它啟動扭矩小、微動操作性及同步性能好，因此被廣泛使用，但其存在工作效率低、噪聲大、后續臺車較長的缺點。而新興的由變頻器控制的三相交流異步電機驅動機械組成簡單、工作效率高、維修方便、噪聲低、性價比高，目前，已有越來越多的盾構機刀盤驅動系統選擇這種驅動方式。

以往文獻雖然對多電機同步驅動研究較多[2]，但是對于盾構機中的多電機同步驅動研究較少，本文通過對多電機同步控制的分析，得到適合盾構機中刀盤驅動的同步控制策略，并采用MATLAB/Simulink對其進行仿真分析。

1　刀盤驅動系統的作用及特點

1.1　盾構機刀盤驅動的作用

盾構機刀盤部分主要由變頻器、電機、減速機、大小齒輪和主軸承等組成。通過主驅動先發出指令控制各電機進行同步驅動來帶動各自的減速機，后經大小齒輪耦合，連接到主軸承，進而帶動整個刀盤進行旋轉切削。盾構機主要依靠刀盤部分對前方的土體進行切削、攪拌，方便螺旋輸送機進行排土，同時也維護開挖面的穩定和減少盾構機的推進阻力。盾構機刀盤部分裝機功率較大，一般采用4臺～12臺電機同步驅動[3]。

1.2　刀盤系統的特點[4]

盾構機刀盤系統的多電機同步驅動與其他負載間相互平衡控制的多電機同步驅動系統不同，主要區別是：①刀盤系統中電機數量較多；②機械傳動系統復雜且傳動比大，容易造成機械部分損傷；③各電機間通過剛性連接，僅依靠機械來同步很容易因各電機間力矩的差異造成損壞；④刀頭部分機械復雜，在挖掘過程中比較多變。因此，研究盾構機刀盤驅動系統的多電機同步驅動控制具有很大的實用價值與理論價值。

2　典型的多電機同步驅動控制策略[5]

多電機的同步驅動有多種不同的驅動方式，具體分類如圖1所示。不同的控制方式具有不同的結構與作用，其中耦合控制適用于速度精度要求較高的場合，而非耦合控制適用于速度精度要求不太嚴格的場合。

圖1　多電機同步驅動分類

2.1　交叉耦合同步控制

交叉耦合是對兩電機的速度信號進行對比，將得到的差值作為附加反饋信號，并以其作為跟蹤補償信號，使系統可以接收任意一臺電機的負載變化來達到較好的控制精度。但這種控制方式不適用于3臺以上電機間的同步驅動。

2.2　偏差耦合同步控制

偏差耦合是交叉耦合的延續發展，是將得到的各電機速度反饋的差值作為該電機的速度補償信號，用來補償各電機的轉動慣量，從而改善雙軸間的協調控制性能，但其耦合系數很難調整。

2.3　電子虛擬總軸同步控制

電子虛擬總軸系統是將輸入信號先經過總軸，然后得到各驅動器的參考輸入信號，通過參考輸入信號使各驅動器同步。這種控制方式很容易為單位驅動器跟蹤，進而達到同步，但計算過程復雜。

2.4　并行同步控制

并行同步控制中各子系統的輸入信號直接由總系統統一給定，這種控制方式使得各驅動單元只受總驅動信號的影響，且任一單元的任何擾動都不會影響其他單元。因此,這種同步方式不適用于對速度精度要求精確的場合。

2.5　主從同步控制

主從同步控制是用主電機的輸出來控制從電機的輸入，這種控制方式使得從電機能夠迅速跟隨主電機的輸出，并且各從電機受到的干擾不會影響到主電機。如果使從電機的轉矩跟隨主電機的轉矩，則各電機將實現負載力矩平衡，但由于各電機的機械特性差異，轉速將有些許差異，因此，這種同步方式適用于對速度精度要求不高的場合。

由于盾構機刀盤驅動控制系統中各電機之間為剛性連接，對速度的精度要求不是很嚴格，綜合各種控制方式的優缺點及速度精度要求，對于盾構機刀盤驅動系統采用并行同步或主從同步更適合各電機間的同步驅動。由于并行同步對電機參數要求很高，因此，本文采用主從同步控制。

3　盾構機刀盤驅動的控制策略

3.1　刀盤驅動控制要求及采用方法

本次研究依據功率平衡同步控制原理P=Fv(其中，P為電機功率，F為電機力矩，v為電機速度)。由于功率與轉矩及速度成正比，因此將功率平衡分配問題分別轉換為速度平衡分配與轉矩平衡分配。對于盾構機刀盤系統，因為各電機之間為剛性連接，所以最終的速度為同一速度。因此，在盾構機刀盤驅動中可將各電機之間的功率平衡分配轉換為轉矩之間的平衡分配。

采用主從同步控制策略，將主電機轉速環的輸出(即轉矩)作為從電機的輸入，通過實現各電機之間的轉矩平衡分配來實現各電機間的功率平衡分配。

3.2　同步控制的基本思路及仿真

3.2.1盾構機同步控制基本思路

在本次設計中，模擬實際情況進行仿真，采用功率分配方法實現各電機之間的同步。主電機采用轉矩內環的轉速、磁鏈閉環矢量控制系統，并以主電機的轉速環的輸出作為各從電機的轉矩的輸入。主從電機的控制系統框圖如圖2所示。圖2中，ω為主電機的實際反饋轉速，Te*為主電機轉速調節器的輸出，Te為各電機通過計算得到的輸出轉矩，i為各電機的輸入相電流。

圖2　主從電機的控制系統框圖

3.2.2同步控制結構的搭建和參數設置

由于矢量控制可以實現對定子電流的解耦，分別得到電流的勵磁分量與轉矩分量，從而將三相異步電機等效為直流電機，方便對其進行控制。本文利用MATLAB/Simulink搭建主從控制系統，以兩臺三相異步電機為例進行仿真。兩臺三相異步電機的參數設置如表1所示，矢量控制仿真模型如圖3所示。

3.2.3多電機同步驅動的仿真及結果分析

采用主從同步，將主電機轉速環的輸出作為從電機的給定輸入，以MATLAB仿真其剛性連接，以主電機反饋的負載轉矩為系統的總體負載，給定轉速為120 r/min，空載啟動，在0.5 s時給主電機加載20 N·m轉矩，剛性連接的速度由各電機的電磁轉矩和與主電機的負載共同決定。系統仿真結果如圖4、圖5所示。

表1　兩臺電機的參數配置

圖3　三相異步電機矢量控制仿真模型

圖4　轉速輸出結果

圖5　轉矩輸出結果

從圖4可以看出，兩臺電機間為剛性連接且在矢量控制下轉速平穩上升，不到0.1 s就上升到期望值，且超調誤差為3%，加載后轉速略有下降，由于電機間的剛性連接，恢復時間較長，但兩臺電機的轉速始終一致，并且跟隨給定轉速。

從圖5可以看出，在空載時，電磁轉矩不斷增加，當達到各電機的轉矩限定值后，轉矩迅速下降，直到對其進行加載，為了平衡負載轉矩，電磁轉矩再次升高，以保持系統穩定。主從電機轉矩在跟隨過程中出現的一點差異主要是由電機參數差異導致的，這在實際操作中可以通過變頻器來軟化機械特性，從而達到負載平衡分配，進一步實現功率平衡分配。

4　總結與展望

對盾構機中刀盤驅動控制系統進行了分析，并結合實際情況，采用功率平衡分配的方法，對各電機的剛性連接及電機之間的參數差異進行了仿真，得到的仿真結果說明該方法適用于盾構機刀盤系統中多電機同步。對于仿真過程中扭矩間的差異，除了通過控制變頻器來軟化機械特性，還可以采用智能算法對轉矩環內部參數進行自適應調整，從而使轉矩跟隨效果更好。

參考文獻：

[1]吳啟誼.海瑞克盾構機刀盤電液控制系統分析[J].流體傳動與控制,2009(4):44-46.

[2]張合沛,陳饋,李鳳遠,等.盾構刀盤驅動系統多電機同步控制策略研究[J].建筑機械化,2014(10):54-57.

[3]任亞軍,趙明.盾構機刀盤變頻驅動控制系統研究[J].機械與電子,2015(4):44-46.

[4]史步海,李偉青.盾構機刀盤驅動系統同步控制技術的研究[J].計算機測量與控制,2012,20(5):1258-1260.

[5]趙剛,劉德全.盾構機刀盤多電機同步驅動研究[J].廣東造船,2013,31(6):73-77.