基于伺服控制策略的帶式輸送機永磁直驅(qū)控制技術(shù)

倪少軍，王 海，郭 燕

（1.國家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司麥垛山煤礦，寧夏銀川 750001；2.北京百正創(chuàng)源科技有限公司，北京 100081；3.寧夏第一建筑有限公司，寧夏銀川 750001）

伺服控制可根據(jù)物體所處位置、速度及加速度數(shù)值，對其運動行為進(jìn)行有效控制，常采用“大極電機”的設(shè)計思想，在高密度電機設(shè)備的支持下，對電機所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場進(jìn)行調(diào)試[1-2]。在控制方案的實施過程中，除光電編碼器之外，還需設(shè)置必要的傳感器結(jié)構(gòu)。隨著數(shù)字編程技術(shù)的應(yīng)用，IIR 濾波器、SVPWM 調(diào)制器始終具備較強的通訊控制能力，一方面可將SPI 等并行通信接口調(diào)試至統(tǒng)一的連接形式，另一方面也可實現(xiàn)對用戶參數(shù)的實時給定與設(shè)計。

在永磁電機輸送系統(tǒng)中，由于帶式輸送機設(shè)備的傳動鏈條過長，容易導(dǎo)致電機傳動效率的快速下降，從而造成永磁體元件的嚴(yán)重?fù)p壞。為避免上述情況的發(fā)生，傳統(tǒng)變頻式電機控制手段在環(huán)流表達(dá)式的支持下，對磁體繞組形式進(jìn)行分類研究，再借助電磁場系數(shù)，實現(xiàn)對皮帶輸送機應(yīng)用能力的精準(zhǔn)分析。然而該方法的調(diào)試能力有限，很難達(dá)到理想化的控制效果。為解決此問題，引入伺服控制策略，設(shè)計一種新型的帶式輸送機永磁直驅(qū)控制技術(shù)手段，通過建立三相靜止坐標(biāo)系的方式，對主要電磁參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確計算，再通過對比實驗的方式，突出說明該方法的實際應(yīng)用價值。

1 基于伺服控制策略的電機數(shù)學(xué)模型

在伺服控制策略的支持下，電機數(shù)學(xué)模型設(shè)計包含永磁同步電機工作原理分析、三相靜止坐標(biāo)系搭建、空間矢量調(diào)制3個處理環(huán)節(jié)，具體操作方法如下。

1.1 永磁同步電機工作原理

帶式輸送機的永磁同步電機設(shè)備由定子、轉(zhuǎn)子兩部分共同組成。其中，定子元件所處位置始終不可變，可聯(lián)合硅鋼片、固定鐵芯等應(yīng)用設(shè)備，建立完整的繞組分布環(huán)境。轉(zhuǎn)子元件所處位置存在一定程度的可變性，當(dāng)三相空間中的正弦電流傳輸形式保持對稱狀態(tài)時，轉(zhuǎn)子元件所處的實際連接位置越遠(yuǎn)，永磁同步電機內(nèi)的磁場應(yīng)用環(huán)境也就越穩(wěn)定。在不考慮其他干擾條件的情況下，永磁同步電機的工作能力只受電壓驅(qū)動量、電流驅(qū)動量兩項物理指標(biāo)的直接影響[3-4]。電壓驅(qū)動量可表示為Umax，電流驅(qū)動量可表示為Imax，一般情況下，前者的物理數(shù)值越小、后者的物理數(shù)值越大，最終計算所得的永磁同步電機工作能力也就越強。聯(lián)立上述物理量，可將永磁同步電機的實際工作能力表達(dá)式定義為：

式中，qˉ代表電磁量傳輸均值，α代表帶式輸送機電磁場中的電子切向角數(shù)值，u1、u2分別代表兩個不同的磁向量傳輸系數(shù)。

1.2 三相靜止坐標(biāo)系

三相靜止坐標(biāo)系示意圖如圖1 所示，其描述了永磁電子在帶式輸送機磁場中的實際運動行為，且由于伺服控制策略的影響，坐標(biāo)系所覆蓋的物理空間越大，最終計算所得的電機直驅(qū)控制效果就越理想[5-6]。完整的三相靜止坐標(biāo)系由X軸、Y軸、Z軸3 根完全不相關(guān)的直線結(jié)構(gòu)組成，其中X軸為正極為永磁電子的橫向傳輸正方向，Y軸為正極為永磁電子的縱向傳輸正方向，Z軸為正極為永磁電子的空間傳輸正方向，α為空間基向量p與e之間的物理夾角。在上述物理量的支持下，聯(lián)立式（1）可將基于伺服控制策略的三相靜止坐標(biāo)系定義為：

圖1 三相靜止坐標(biāo)系示意圖

1.3 空間矢量調(diào)制

對于帶式輸送機設(shè)備來說，永磁功率器件的開關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)能量相對有限，因此直驅(qū)環(huán)境中的導(dǎo)通矢量位置也是有限的。空間矢量調(diào)制就是在三相靜止坐標(biāo)系支持下，對永磁功率器件磁連接能力的規(guī)劃與控制。一般情況下，在三相靜止坐標(biāo)系環(huán)境中，a、b、c 三條輸電線路始終保持連續(xù)開放狀態(tài)，且由于M1、M2、M3調(diào)制作用線的影響，M 電動機中的電磁傳輸能力始終保持相對穩(wěn)定的數(shù)值狀態(tài)[7-8]。

2 帶式輸送機永磁直驅(qū)控制技術(shù)

在伺服控制策略電機數(shù)學(xué)模型的支持下，按照電機磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計、氣隙磁密波形分析、主要電磁參數(shù)計算的處理流程，實現(xiàn)了帶式輸送機永磁直驅(qū)控制技術(shù)方法的順利應(yīng)用。

2.1 電機磁路結(jié)構(gòu)

帶式輸送機的電機磁路結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為定子在內(nèi)、轉(zhuǎn)子在外的連接形式，大多具有徑向磁量輸出的能力，由于伺服控制策略的影響，整個磁路結(jié)構(gòu)中部必須預(yù)留出螺孔通路，一方面可便于永磁體設(shè)備的固定連接，另一方面也可縮小保護(hù)套與電機結(jié)構(gòu)體之間的實際連接距離[9-10]。

當(dāng)帶式輸送機永磁體元件出現(xiàn)損壞時，轉(zhuǎn)子軛結(jié)構(gòu)的傳輸速度也會隨之加快，直至永磁體外部的物理溫度達(dá)到理想數(shù)值水平后，定子元件與永磁體設(shè)備之間的連接緊密程度也會逐漸增大，直至二者之間的電磁摩擦力能夠較好地制約帶式輸送機的物理滑動向心力[11-12]。圖2 為電機磁路結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 電機磁路結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 氣隙磁密波形

氣隙磁密波形分析可在保證帶式輸送機永磁驅(qū)動能力的同時，對磁體量進(jìn)行有效地平均處理，一方面控制了伺服控制策略的實際消耗成本，另一方面也使得電機磁路設(shè)備的應(yīng)用時間得到充分延長。此外，氣隙磁密波的切向結(jié)構(gòu)始終指向永磁體內(nèi)部，可促使電機磁路連接能力發(fā)生快速改變，從而使得永磁體設(shè)備的直驅(qū)控制能力得到有效保護(hù)[13-14]。在實際應(yīng)用的過程中，氣隙磁密波形始終保持完全對稱的存在形式，由于其自身的凸極特性狀態(tài)，波段主體的交軸電抗系數(shù)始終大于直軸電抗系數(shù)，而當(dāng)外部磁極較為貼近核心永磁體時，氣隙磁密波形的抗磁能力才能得到最大化地提升。設(shè)c1代表最小的磁密波波動系數(shù)，cn代表最大的磁密波波動系數(shù)，n代表磁密波波長頻值，聯(lián)立式（2），可將帶式輸送機的氣隙磁密波形表示為：

式中，h1代表第一個磁密波波動指標(biāo)，hn代表第n個磁密波波動指標(biāo)，f代表電機磁路結(jié)構(gòu)中的永磁電動量。

2.3 主要電磁參數(shù)

主要電磁參數(shù)計算是基于伺服控制策略帶式輸送機永磁直驅(qū)控制技術(shù)應(yīng)用的實踐環(huán)節(jié)，可在已知氣隙磁密波形分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，確定帶式輸送機的實際磁通量水平，再聯(lián)合相關(guān)電機磁路結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對永磁體元件的合理保護(hù)。在不考慮其他干擾條件的情況下，帶式輸送機的主要電磁參數(shù)只受到永磁驅(qū)動時間、磁體變動量兩項物理指標(biāo)的直接影響[15-16]。永磁驅(qū)動時間可表示為ΔT，一般情況下，該項物理量越大，最終計算所得的主要電磁參數(shù)應(yīng)用等級水平越低。設(shè)b1、b2分別代表兩個不同的磁體變動量數(shù)值，聯(lián)立式（3），可將帶式輸送機的主要電磁參數(shù)計算結(jié)果表示為：

3 對比實驗分析

為驗證基于伺服控制策略帶式輸送機永磁直驅(qū)控制技術(shù)方法的實際應(yīng)用價值，設(shè)計對比實驗。以圖3 所示帶式輸送機設(shè)備作為實驗對象，分別利用實驗組、對照組技術(shù)手段對其進(jìn)行控制，其中實驗組采用基于伺服控制策略帶式輸送機永磁直驅(qū)控制技術(shù)方法，對照組采用傳統(tǒng)變頻式控制手段。

圖3 帶式輸送機設(shè)備

PSI 指標(biāo)能夠反映輸送機傳動鏈在永磁驅(qū)動狀態(tài)下所經(jīng)歷的物理傳輸距離的長短，一般情況下，PSI 指標(biāo)數(shù)值越大，輸送機傳動鏈所經(jīng)歷的物理傳輸距離也就越長，反之則越短。表1 記錄了實驗組、對照組PSI 指標(biāo)數(shù)值的具體變化情況。

表1 PSI指標(biāo)數(shù)值對比表

分析表1 可知，隨著實驗時間的延長，實驗組PSI 指標(biāo)始終保持相對穩(wěn)定的數(shù)值波動變化狀態(tài)，整個實驗過程中的最大數(shù)值結(jié)果僅能達(dá)到47.9%。對照組PSI 指標(biāo)則經(jīng)過一段時間的穩(wěn)定上升后，開始逐漸趨于穩(wěn)定，整個實驗過程中的最大數(shù)值結(jié)果達(dá)到了79.0%，與實驗組極值相比，上升了31.1%。綜上可知，應(yīng)用基于伺服控制策略帶式輸送機永磁直驅(qū)控制技術(shù)方法后，PSI 指標(biāo)數(shù)值得到了有效控制，可較好地解決輸送機傳動鏈在永磁驅(qū)動狀態(tài)下經(jīng)歷的物理傳輸距離過長的問題。

電機傳動效率可描述永磁體元件的實際損毀程度，一般情況下，電機傳動效率值越低，永磁體元件的實際損毀程度越大，反之則越小。表2 記錄了實驗組、對照組電機傳動效率的具體數(shù)值變化情況。

分析表2可知，隨著實驗時間的延長，實驗組電機傳動效率保持先上升、再穩(wěn)定、最后下降的數(shù)值變化趨勢，整個實驗過程中的最大數(shù)值達(dá)到了7.8 kW。對照組電機傳動效率則始終保持先上升、再下降的數(shù)值變化趨勢，整個實驗過程中的最大數(shù)值僅能達(dá)到3.6 kW，與實驗組極值相比，下降了4.2 kW。

表2 電機傳動效率數(shù)值對比表

綜上可知，應(yīng)用基于伺服控制策略帶式輸送機永磁直驅(qū)控制技術(shù)方法后，電機傳動效率值得到了有效促進(jìn)，可有效控制永磁體元件的實際損毀情況。

4 結(jié)束語

在伺服控制策略帶的作用下，新型帶式輸送機永磁直驅(qū)控制技術(shù)聯(lián)合三相靜止坐標(biāo)系，對空間矢量進(jìn)行了較好地調(diào)制，一方面可實現(xiàn)對氣隙磁密波形的精準(zhǔn)分析，另一方面也可得到準(zhǔn)確的主要電磁參數(shù)計算結(jié)果。從實用性角度來看，PSI 指標(biāo)數(shù)值的減小、電機傳動效率的升高，可有效縮短傳動鏈的實際傳輸長度，在抑制永磁體元件損毀方面具有較強的實際應(yīng)用能力。