基于閉環主從同步控制無軸提升機構設計＊

安林超 程雪利 楊用增 楊宏磊

1河南工學院機械工程學院 新鄉 453000 2南京航空航天大學機電工程學院 南京 210016 3衛華特種車輛有限公司 新鄉 453000

0 引言

近年來，隨著我國城市化進程的不斷加快，城市基礎設施特別是軌道交通發展迅猛，軌道交通線路愈來愈復雜，出現了地下三層交換的換乘車站，其施工基坑深度達30 m。在吊裝盾構機刀盤、隧道管片以及基坑鋼支撐等大中型不規則零件時，需要大起升高度（≥30 m）的提升機構來完成吊裝作業。針對大起升高度的工程實際，周繼紅[1]提出雙層或多層卷繞卷筒、雙卷筒結構以及減小滑輪組倍率等卷筒設計方法；胡勇[2]針對、工程以及水利建設等工程領域中超大起升高度、大鋼絲繩容量提升設備，提出雙折線式卷筒多層纏繞系統，并運用數值仿真的方法分析了鋼絲繩的彈性特性，結合實物試驗，得到多層纏繞系數、卷筒的受力特征以及鋼絲繩彈性特性對多層纏繞系數的影響；張盼盼[3]聚焦煤礦提升機的安全性和穩定性,從提升機的變頻調速控制方案入手,對提升機的運動特性進行了分析,提出了變頻調速控制系統的總體方案,并對變頻器主控電路設計、PLC電路設計、上機位監控系統設計等關鍵問題進行了研究。

現有常見的提升機構（電動葫蘆）結構如圖1所示，其電機和減速器分別布置在卷筒兩側，電機通過中間軸驅動減速器轉動。考慮到產品特性、生產成本、現場施工條件等因素，目前在軌道交通施工中解決大起升高度問題最常用的方法是增大卷筒長度和直徑。但是，隨著卷筒尺寸的增加，中間傳動軸亦愈長。在高速旋轉時，傳動軸過長容易產生振動，造成噪聲污染和疲勞失效。

圖1 傳統卷筒結構圖

針對長卷筒驅動軸軸向尺寸大引起振動和疲勞失效等問題設計出雙電機驅動無軸提升機構，并提出閉環主從式控制策略，解決雙電機的同步驅動問題，為軌道施工中大起升高度提升裝備的設計和可靠性分析提供科學依據。

1 無軸提升機構的結構及主要參數

如圖2所示，無軸提升機構總體結構主要由筒體、傳動內齒圈（外齒輪）、軸承、支座、減速電機等組成，軸承直接支撐在筒體兩端，由兩側減速電機通過傳動齒輪驅動卷筒工作，具有結構緊湊、傳遞效率高，性能安全可靠。無軸提升機構的工作級別為A6，起重量為16 t，跨度為21 m，起升高度為40 m，起升速度為25 m/min，運行速度為30 m/min，調速方式為變頻調速，操作方式為地面按鈕。

2 無軸提升機構工作原理

該無軸提升機構有內齒傳動（圖2a）和外齒傳動（圖2b）兩種結構形式。其中筒體內壁（或外壁）開有沿圓周分部的內齒圈（或外齒輪），筒體兩端的外壁（或內壁）成對設置有軸承，軸承支座通過螺栓固結到機架上，筒體兩端布置的減速器將功率從電機傳遞給內齒圈（或外齒輪），電機實施閉環主從式控制策略，轉動速度和電磁轉矩時刻保持同步一致，實現重物的提升或下降。

圖2 無軸提升機構結構圖

電機工作采用載荷自適應控制方式。當提升機構的負載遠小于額定工作載荷時，關閉從動電機，只有主電機工作，避免電機功率浪費；當提升機構的負載接近于額定工作載荷時，主從電機同時工作。

3 閉環主從同步控制策略

在水閘、垂直升船機以及軌道交通施工用起重機等設備或系統中，單臺電機難以達到轉矩輸出要求和特殊控制要求時，多采用雙電機（多電機）協調同步工作[4]。在這些設備或系統中，各電機之間協調同步運行性能直接影響到設備的安全可靠性，故對雙電機（多電機）同步協調控制研究有重要的現實意義。

3.1 控制原理

閉環主從同步控制利用力矩傳感器（陀螺儀）首先采集卷筒的輸出信號，以主從電機的輸出轉矩差（或轉速差）為參考輸入信號，然后對比卷筒輸出信號與參考輸入信號，得到控制偏差信號，主控制器基于該偏差信號實施控制以消除偏差，獲取較高同步性能[5]。

3.2 數學模型

提升機構驅動系統的設計方案采用雙電機剛性連接（見圖3），機械轉角由外部輸入，電機本體的反電勢和位置信號由該時刻數學模型狀態來決定[6,7]。

圖3 雙電機驅動提升機構傳動示意圖

根據剛體轉動動力學定理[8,9]，對主從電機轉子和負載進行分析，列出方程為

式中：te1、te2分別為主電機（1號電機）電磁轉矩和從電機（2號電機）電磁轉矩，tc1、tc2分別為卷筒負載作用到主從電機轉子的力矩，b1、b2分別為主從電機轉子等效摩擦系數，Ω1、Ω2分別為主從電機轉動角速度，J1、J2分別為主從電機轉動慣量。

根據剛體轉動動力學定理，對卷筒負載進行分析，列出方程為

式中：t1c、t2c分別為主從電機作用到卷筒的力矩，tc為起吊重物對卷筒作用的力矩，bc為卷筒等效摩擦系數，Ωc為卷筒轉動角速度，Jc為卷筒轉動慣量。

對于雙電機驅動系統中的減速器有如下關系

式中：I為雙電機驅動系統中減速器的傳動比。

根據式（1）～式（3），消除中間變量，得到系統數學模型為

式中：te12為主從兩臺電機的合力矩，J為電機轉子和減速器等效轉動慣量，b為電機轉子和減速器等效摩擦系數。

3.3 仿真試驗及結果分析

根據式（4）的數學模型，用Simulink工具箱對雙電機驅動無軸提升機構的閉環主從控制系統進行建立圖4所示模型[10-12]，設置仿真時間為0.5 s，并根據表1中的電機和負載參數做仿真試驗，得到圖5所示結果。

圖4 閉環主從控制系統模型

圖5 閉環主從控制系統電機輸出轉矩

表1 電機和負載仿真參數

從圖6可以看出，該閉環主從控制系統的啟動、空載以及負載運行階段，主從電機輸出轉矩始終保持一致。在0.25 s施加載荷后，系統相應速度快，在0.01 s后達到穩態值，且超調量只有2%，滿足提升同步控制性能要求。當主從電機參數之間存在差異時，可通過設定控制比例，使主從電機軸輸出轉矩均衡，直接消除轉矩分配不均。

4 結論

本文聚焦軌道交通施工用大起升高度提升機構中間驅動軸尺寸長，易產生振動和疲勞失效等問題，設計出雙電機驅動無軸卷筒。建立雙電機同步驅動的數學模型并進行試驗仿真，得到如下結論：

1）該無軸提升機構，由左右兩端電機減速后通過傳動齒輪驅動卷筒工作，結構緊湊、效率高，性能可靠。

2）無軸提升機構的電機采用閉環主從控制，建立控制系統的數學模型并試驗仿真，系統相應時間為0.01 s，超調量為2%，滿足提升同步控制性能要求。