提升鋼絲繩疲勞試驗臺及其電機同步方法研究

薛宇飛 ，寇子明

（1.太原理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.山西省礦山流體控制工程（實驗室）技術(shù)研究中心，山西 太原 030024）

1 引言

鋼絲繩具有承載能力大，彎曲柔韌性好的優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于各種牽引作業(yè)及運輸?shù)刃袠I(yè)，在提升工況中其優(yōu)勢更加突出。為避免由于鋼絲繩損傷與失效引起的安全問題，對鋼絲繩相關(guān)特性進行測試也是必不可少的環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)鋼絲繩疲勞試驗臺按照其結(jié)構(gòu)形式分為三種類型：立式、臥式以及加速式。其特點為鋼絲繩在一定運行范圍內(nèi)做單向彎曲運動，且加載載荷較小[1-2]。為克服傳統(tǒng)鋼絲繩疲勞試驗臺相關(guān)缺點，設(shè)計了一種能較為真實的模擬提升機鋼絲繩實際作業(yè)工況下的彎曲疲勞損傷試驗裝置。

提升鋼絲繩疲勞試驗臺由驅(qū)動機構(gòu)的兩臺三相異步電機提供驅(qū)動力。在眾多交流調(diào)速方式中，矢量變頻調(diào)速控制由于其具有良好的動、靜態(tài)性能，成為了目前最為熱門的研究方向之一[3-5]。針對本試驗臺驅(qū)動機構(gòu)雙電機的轉(zhuǎn)速同步問題，提出了一種基于可編程邏輯控制器（PLC），利用矢量變頻調(diào)速進行控制的同步控制方法[6-8]。控制系統(tǒng)采用MatLab/SimuLink進行了模型建立與仿真，結(jié)果表明該控制系統(tǒng)可行、有效。

2 試驗裝置組成

提升鋼絲繩疲勞試驗臺以礦井提升系統(tǒng)為設(shè)計原型，較為貼近實際，可對鋼絲繩經(jīng)過不同彎曲次數(shù)與彎曲曲率的疲勞損傷進行試驗與測試，此外，也可以利用相關(guān)檢測儀器對樣品鋼絲繩的振動特性與斷絲損傷進行測試與試驗。為考察提升鋼絲繩各種性能指標提供了一套較為全面的測試系統(tǒng)。該試驗臺由試驗臺臺架、電氣控制系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)在線檢測系統(tǒng)等部分組成。

2.1 試驗臺臺架及工作原理

該測試系統(tǒng)試驗臺架配備有驅(qū)動機構(gòu)、改向輪組、防跑繩裝置、垂直導(dǎo)向架、導(dǎo)向輪、提升容器等，其總體組成示意圖以及實物圖分別，如圖1、圖2所示。

圖1 試驗臺總體組成示意圖Fig.1 Schematic Diagram of the Overall Composition of the Test Bench

圖2 試驗臺實物圖Fig.2 Material Picture of the Test Bench

進行鋼絲繩彎曲疲勞試驗時，將樣品鋼絲繩穿入各機構(gòu)，鋼絲繩一端與提升容器連接，根據(jù)實驗需要可對容器進行加載。為防止提升容器在工作過程中發(fā)生扭轉(zhuǎn)，將提升容器置于垂直導(dǎo)向架中，在導(dǎo)向架中可實現(xiàn)垂直方向的運動。提升鋼絲繩疲勞試驗臺通過驅(qū)動機構(gòu)中的上、下兩臺三相異步電機提供驅(qū)動力，控制鋼絲繩的正、反運行及其運行速度，使得鋼絲繩出現(xiàn)磨損、斷絲等現(xiàn)象。當(dāng)鋼絲繩運行速度超出其設(shè)定值時，防跑繩機構(gòu)開始動作，進行鎖緊，防止鋼絲繩的繼續(xù)動作。

2.2 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)采用PLC集控系統(tǒng)，可實現(xiàn)試驗臺的一體化控制。利用PLC集控系統(tǒng)操作的方便性，可根據(jù)各種試驗條件，設(shè)置相應(yīng)的運行程序，準確地實現(xiàn)測試裝置的運行啟停、勻加速、勻減速、緊急制動等動作的協(xié)調(diào)控制。同時通過接入電氣控制系統(tǒng)的速度、鋼絲繩張力、回路壓力等信號對整套裝置的運行實現(xiàn)故障報警與緊急停止，保障了測試裝置的安全運行。此外，由于PLC通訊的便捷性與有效性，測試系統(tǒng)可以較為方便的接入鋼絲繩各種性能檢測設(shè)備，用以系統(tǒng)功能的擴展提供了平臺。

2.3 數(shù)據(jù)在線監(jiān)測系統(tǒng)

通過安裝相關(guān)測試儀器，該試驗臺可實現(xiàn)鋼絲繩各性能與損傷，以及電機工作狀態(tài)的在線監(jiān)測。

2.3.1 鋼絲繩彎曲性能與斷絲檢測

試驗臺可通過調(diào)整改向輪組的高度與水平位置來改變鋼絲繩的曲率半徑和彎曲次數(shù)，并由驅(qū)動機構(gòu)帶動鋼絲繩不斷上提或下放不同的載荷配重，以模擬鋼絲繩的彎曲過程，以及可能產(chǎn)生的斷絲情況。利用檢測儀器進行在線檢測，實現(xiàn)對鋼絲繩相關(guān)數(shù)據(jù)的采集與分析。

2.3.2 張力與扭矩動態(tài)監(jiān)測

在鋼絲繩靠近載重一端布置張力與扭矩傳感器，通過驅(qū)動機構(gòu)帶動鋼絲繩進行不同狀態(tài)的運行，可以實時采集到在加減速上提、加減速下放、勻速上提或下放、緊急制動、正常啟動、防跑繩抓捕等不同運行狀態(tài)下鋼絲繩的張力與扭矩變化數(shù)據(jù)。

2.3.3 振動測試

將振動測試儀固定于所要測試的鋼絲繩段上，在提升鋼絲繩不同的運行狀態(tài)下，利用相關(guān)檢測儀器采集鋼絲繩上軸向和徑向的位移、速度、加速度等數(shù)據(jù)，得出相應(yīng)的振動變化規(guī)律。

2.3.4 電機運行狀態(tài)監(jiān)測

試驗臺在導(dǎo)向輪、改向輪組、電機處安裝了增量型旋轉(zhuǎn)編碼器，通過對三處的旋轉(zhuǎn)速度進行讀取與記錄，并利用PLC的高速計數(shù)功能，可實現(xiàn)鋼絲繩速度、運動行程的實時監(jiān)測與控制。

3 驅(qū)動機構(gòu)雙電機同步方法研究

驅(qū)動機構(gòu)是本試驗臺最為核心的模塊，采用上下兩組鏈傳動機構(gòu)來實現(xiàn)鋼絲繩的運動，即將其旋轉(zhuǎn)副轉(zhuǎn)化為鋼絲繩的前后直線運動。利用位于傳動鏈條中間的夾繩裝置，將傳動鏈上的摩擦塊與鋼絲繩充分接觸并產(chǎn)生穩(wěn)定的正壓力，為鋼絲繩的直線運動創(chuàng)造初始條件。由上、下兩臺三相異步異步電機和減速器為試驗臺提供動力，電機配備有變頻器，使鋼絲繩的運動能夠?qū)崿F(xiàn)一定速度范圍內(nèi)的無極變速，并利用PLC程序調(diào)節(jié)來實現(xiàn)對不同運行工況的模擬。

3.1 雙電機同步傳動控制

由于電機制造原因，在實際使用中兩臺電機的參數(shù)不會完全相等。對于同一給定速度，兩臺電機的速度輸出會有一定差別，會對電機以及鋼絲繩造成一定損傷。針對這一問題，提出了一種基于PLC，利用矢量變頻調(diào)速進行控制的雙電機同步傳動控制方法。

為實現(xiàn)上電機與下電機的轉(zhuǎn)速同步控制，兩臺電機各自采用變頻器進行矢量變頻調(diào)速，并利用PLC對兩臺變頻器進行控制，其控制框圖，如圖3所示。

圖3 雙電機同步傳動控制原理框圖Fig.3 Block Diagram of Double Motor Synchronous Drive Control

系統(tǒng)啟動后，上電機以給定速度為目標，利用安裝在上電機處的旋轉(zhuǎn)編碼器采集其脈沖信號，將信號送至PLC高速計數(shù)模塊，以采集得到的速度數(shù)據(jù)與給定速度作為輸入量，進行比例積分（PI）控制運算，將運算所得結(jié)果作為輸出量送至PLC的D/A模塊，將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量，從而控制上電機的變頻器，以達到轉(zhuǎn)速要求；對于下電機，在此閉環(huán)控制系統(tǒng)中，以上電機的速度為目標，輸入量為上、下電機處安裝的旋轉(zhuǎn)編碼器所測得的速度信號數(shù)據(jù)，其處理方式與上述方式相同，這樣，就可以保證下電機速度跟隨上電機速度的變化而發(fā)生變化，使兩個電機的速度保持同步。

3.2 矢量變頻調(diào)速控制

該同步傳動控制系統(tǒng)采用了矢量變頻調(diào)速控制的思想對三相異步電機進行調(diào)速。該控制思想的基本思路，是以產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁場為準則，建立三相交流繞組電流、兩相交流繞組電流以及兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系上的直流電流之間的等效關(guān)系，并對等效的直流電流加以控制，從而將交流電機解析為直流電機，以達到其控制效果[9-10]。

三相異步交流電機在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系（d-p坐標系）上的數(shù)學(xué)模型為：

當(dāng)此坐標系軸沿著轉(zhuǎn)子磁鏈方向時，ψrm=ψr，ψrt=0，則得：

式中：ωe—同步轉(zhuǎn)速；ωr—轉(zhuǎn)子角頻率；ωs—轉(zhuǎn)差角速度；Tr—轉(zhuǎn)子時間常數(shù)；np—極對數(shù)；Rs、Rr—定子、轉(zhuǎn)子電阻；Ls、Lr、Lm—定子、轉(zhuǎn)子電感及定子與轉(zhuǎn)子之間的互感；p—微分算子；ψr—轉(zhuǎn)子磁鏈。

通過如上變換，三相異步電機可獲得類似直流電機的動態(tài)特性，并可按照直流電機的控制方法進行調(diào)速控制。

3.3 雙電機同步控制仿真分析

對于以上所述的雙電機同步傳動控制思想以及矢量變頻調(diào)速方法，采用MatLab/SimuLink進行了模型建立與仿真。其仿真模型，如圖4所示。如圖所示的控制系統(tǒng)仿真模型中，其主電路由直流電源、逆變器、電機以及電機測試模塊組成，逆變器的驅(qū)動信號由滯環(huán)脈沖發(fā)生器產(chǎn)生。其中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器與磁鏈調(diào)節(jié)器均是比例積分（PI）調(diào)節(jié)器。

控制系統(tǒng)具體仿真參數(shù)設(shè)置為：逆變器直流電源510V，電機380V、50Hz兩對磁極，定子、轉(zhuǎn)子繞組自感0.071Mh，漏磁系數(shù)0.056，模型仿真采用Ode23tb算法。

圖4 系統(tǒng)仿真模型圖Fig.4 System Simulation Model

系統(tǒng)給定轉(zhuǎn)速1400r/min，給定磁鏈1.5Wb，空載啟動，0.6s時加載40N·m，1.5s時對下電機施加一時長為0.1s的外部干擾，2.5s時將系統(tǒng)給定速度調(diào)整為1200 r/min，仿真時間為3s，系統(tǒng)仿真結(jié)果，如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果Fig.5 Speed Simulation Results of Control System

分析仿真結(jié)果，可得出以下幾點結(jié)論：

（1）在矢量控制下，系統(tǒng)啟動速度調(diào)節(jié)短，上下兩電機轉(zhuǎn)速曲線上升平穩(wěn)，分別于0.41s與0.43s增加至給定速度，0.6s時兩電機加載后轉(zhuǎn)速有小幅下降，但立即恢復(fù)穩(wěn)定，說明下電機跟蹤上電機轉(zhuǎn)速性能好，調(diào)節(jié)時間短，在啟動與穩(wěn)態(tài)時都表現(xiàn)出很強的跟隨性；

（2）下電機在1.5s受到外部干擾時速度有明顯下降，但在擾動消除后能迅速調(diào)整并跟隨上電機轉(zhuǎn)速，說明在矢量轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制下，下電機有較強的抗干擾能力，能在較短時間內(nèi)迅速跟蹤上電機轉(zhuǎn)速，達到同步狀態(tài)；

（3）2.5s系統(tǒng)給定速度變化時，上、下電機分別于2.54s與2.55s調(diào)節(jié)至給定速度，表明系統(tǒng)在調(diào)速狀態(tài)下，兩電機都能及時的根據(jù)給定速度進行調(diào)節(jié)，且說明下電機在調(diào)速時也能表現(xiàn)很強的跟蹤性能。

綜上所述，兩電機啟動速度快，調(diào)節(jié)時間較短，且穩(wěn)定后轉(zhuǎn)速能迅速收斂到給定值，轉(zhuǎn)速超調(diào)量小且穩(wěn)態(tài)誤差小。此外，下電機轉(zhuǎn)速跟隨性能好，且轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時間短，無論是啟動、加載、施加外部干擾以及調(diào)速時都表現(xiàn)出了較強的跟隨性能與抗干擾能力。說明該雙電機同步傳動控制系統(tǒng)具有優(yōu)良的動、靜態(tài)性能，從而驗證了本控制系統(tǒng)設(shè)計的正確性。

4 結(jié)論

（1）提升鋼絲繩疲勞試驗臺克服了傳統(tǒng)鋼絲繩疲勞試驗臺加載載荷較小、只能在一定運行范圍內(nèi)做單項彎曲運動等缺點，可通過給定不同的試驗參數(shù)與條件來進行提升鋼絲繩疲勞與失效行為試驗，并通過相關(guān)檢測儀器對數(shù)據(jù)進行分析，從而可以對鋼絲繩進行更加科學(xué)的測試與試驗。

（2）針對驅(qū)動機構(gòu)特點，提出了一種基于PLC控制，利用矢量變頻調(diào)速控制的雙電機同步方法，建立了MatLab/SimuLink仿真模型，仿真結(jié)果表明上、下兩臺電機同步傳動效果好，調(diào)速性能與抗干擾能力強，動、靜態(tài)性能優(yōu)良，該控制系統(tǒng)的設(shè)計是可行且有效的。