礦井皮帶機直驅調速控制方案設計及仿真分析

段 鑫

（西山煤電集團公司設備租賃分公司， 山西 太原 030000）

引言

皮帶機為綜采工作面主要的運輸設備，在煤礦生產中起著舉足輕重的作用。目前，皮帶機朝著大運量、長距離以及高運速的方向發展，這對于皮帶機的啟動、制動以及控制提出了新的要求。皮帶機傳統啟動方式以工頻拖動和液力耦合器傳動為主，在實際應用中上述調速控制方式存在效率低、功率不平衡以及沖擊較大的問題，給后期皮帶機的維修和護理增加了工作量[1]。為此，本文提出了采用以外轉子永磁同步電機為核心的直驅調速控制方式實現對皮帶機的控制，并對其調速方案和性能進行研究。

1 直驅調速控制技術研究

在當前采煤技術和采煤裝備自動化水平不斷提升的階段，皮帶機作為綜采工作面的主要運輸設備，其也朝著大運量、長距離以及高功率的方向發展，從而對其驅動方式提出了更高的要求和挑戰。驅動系統作為皮帶機的關鍵系統，為保證整機運行的安全性和穩定性對其控制系統提出如下幾點要求：

1）控制系統能夠為整體提供一個穩定的加速度，減小對整機的沖擊性和負載，即使是負載處于動態變化的情況也能夠確保穩定啟動；

2）整機在啟動或者穩定運行過程中均具備過載保護功能；

3）涉及多電機驅動的皮帶機，應保證各個驅動電機功率平衡，避免整機傳動部件的損壞；

4）系統在滿負載啟動狀態下，減小對整機的沖擊力；

5）控制系統具備對皮帶機實時運行工況的監測，并對其中的故障信息進行報警并作出相應的保護動作；

6）控制系統能夠保證電機按照預先設定的曲線運行，保證皮帶機調速系統的啟動要求[2]。

本文以外轉子永磁同步電機為核心實現對皮帶機的直驅調速控制，其對應皮帶機滾筒的結構如圖1所示。

圖1 外轉子永磁同步電機的直驅調速滾筒結構示意圖

外轉子永磁同步電機與傳統永磁電機相比較具有較好的節能性能、較高的功率因素，具有良好的效率曲線，便于后期維護以及調速范圍廣等優勢[3]。

2 皮帶機直驅調速控制方案的設計

2.1 調速控制方式的確定

本文所研究調速控制系統的核心電機為外轉子同步電機，該電機的主要參數如表1 所示。

表1 外轉子同步電機主要參數

目前，針對交流電機常使用的控制方案包括有矢量控制方案和直接轉矩控制。對于上述兩種控制方案而言，矢量控制方案具有較好的啟動性能，且具備軟啟動功能，低速性能較好，調速范圍較廣；而對于直接轉矩控制方案而言，其調速范圍較小，低速性能較差，且對應的啟動性能較差，還需采用一定的輔助措施才能夠實現電機的啟動。

綜上所述，為保證皮帶機運行的平穩性、安全性、沖擊小等，本方案以直接轉矩控制方案對外轉子永磁同步電機進行控制。

2.2 調速控制方案的總體設計

皮帶機運行的環境相對惡劣，同時在實際運輸過程中其負載處于動態變化狀態，對直驅調速系統的抗干擾性提出了較高的要求。工業中常采用的PID 控制系統僅對線性系統具有較好的控制效果，而對于非線性系統而言，采用傳統PID 控制方式無法保證整機的運行穩定性和控制精度。為此，本文方案在無模型自適應控制理論的基礎上，提出了無模型自適應控制與離散時間無模型的自適應滑模控制理論，簡稱串級MFCA 理論[4]。基于MFCA 理論設計對應的調速控制方案如圖2 所示。

圖2 皮帶機直驅調速控制方案總體框圖

如圖2 所示，由于皮帶機在實際運輸過程中對應的轉動慣量大、結構復雜、負載變化幅度較大等，在串級MFCA 控制理論的基礎上，還需采用高可靠性的伺服驅動硬件系統做支撐才能夠保證以外轉子永磁同步電機為核心的直驅調速功能的實現。

本控制系統中，采用型號為TMS320F2812 的DSP 控制器對直驅變頻調速控制系統進行控制。其中，涉及到的關鍵部件的選型如下：

功率開關器件的型號為BMS500GB170DLC，該型功率開關對應的電機-發射極電壓為1 700 V，集電極通態電流為500 A；

熔斷器的型號為KH00 系列，該系列熔斷器的額定熔斷電流值為80 A，滿足該控制系統的電流有效值為68.69 A 的要求；

該直驅調速控制系統對應的進線電感量的值為0.53～0.88 mH。因此，本方案所選的交流側進行電感器的額定電感量為1 mH。

3 直驅調速系統的性能驗證

本節對基于無模型自適應控制理論的直驅調速控制系統與基于串級MFCA 理論的直驅調速控制系統的調速性能進行仿真對比分析。

3.1 基于無模型自適應理論的直驅調速控制的性能驗證

基于無模型自適應理論的直驅調速控制系統的傳遞函數如式（1）所示：

基于無模型自適應控制理論與傳統PID 控制理論的直驅調速控制系統在擾動情況下的速度誤差和速度跟蹤性能的仿真結果如圖3 所示。

圖3 無模型自適應控制與傳統PID 控制的效果對比

如圖3 所示，在400 的時間點給予一定的擾動。對比圖3 中的控制效果：在無模式自適應控制理論下，在擾動的影響下皮帶機電機的速度誤差僅為±0.8 rad/s，且在擾動后2 s 內皮帶機即可達到穩定運行狀態；在傳統PID 控制理論下，在擾動的影響下皮帶機電機的速度誤差僅為35 rad/s，且在擾動后200后皮帶機才可達到穩定運行狀態，其對整機的沖擊較大，無法保證皮帶機的平穩啟動和運行[5]。

可見，無模型自適應控制理論的控制效果明顯優于傳統PID 控制理論的控制效果。

3.2 基于串級無模型自適應理論的直驅調速控制的性能驗證

串級無模型自適應控制理論是在無模型自適應控制的基礎上增加了離散時間的無模型自適應控制的理論。因此，串級無模型自適應理論對應的傳遞函數分為主回路傳遞函數和副回路傳遞函數，分別如下：

基于無模型自適應控制理論和串級無模型自適應控制理論的直驅調速控制系統的速度跟蹤的仿真結果如圖4 所示。實線為理想速度曲線，虛線為實際控制的速度曲線。對比圖4-1 和4-2 可知，基于串級無模型自適應控制理論的速度跟蹤控制明顯優于無模型自適應控制的速度跟蹤控制。主要是由于串級無模型自適應控制理論的主回路和副回路能夠對給系統造成的擾動進行很好的抑制，從而保證了系統的速度按照預定的曲線運行。

圖4 速度跟蹤效果仿真結果對比

4 結語

皮帶機為綜采工作面的主要運輸設備，在大運量、高運速以及高功率發展方向的推動下，對皮帶機的調速控制系統提出了更高的要求和挑戰。本文以外轉子同步永磁電機為核心設計了皮帶機的直驅調速控制系統，并對傳統PID、無模型自適應控制理論和串級無模型自適應控制理論的下控制效果進行對比仿真分析，得出串級無模型自適應控制理論具有較好的速度跟蹤效果，且在外界擾動下系統的速度誤差較小，并且能夠在很短的時間內重新到達穩態運行狀態，在此期間對系統的沖擊力很小，可保證皮帶機的平穩運行。