三电动机驱动圆管带式输送机启动控制方法.pdf

工矿自动化 Ind ustr ya nd MineAuto ma tio n Vo l . 45 No . 9 Sep.2019 第45卷第9期 2019年9月 文章编号1671-251X201909-0086-06DOI10. 13272/j. issn. 1671-251x. 2018120069 三电动机驱动圆管带式输送机启动控制方法 单辉亚肖冬明2 1.湖南科技大学 机电工程学院％湖南湘潭411201 2 . Eng ineer ing Resea r c h Center o f Ad va nc ed Mine Equipment, Ministr y o f Ed uc a tio n, Huna n Univer sity o f Sc ienc e a nd Tec h no l o g y, Xia ng ta n 411201, Ch ina AbstractFo r wo r king sta tuso fpipeb el tc o nveyo r d r ivenb ytwo mo to r sa th ea d a nd o nemo to r a tta il , c o nsid er ing visc o el a stic mec h a nic sc h a r a c ter istic s o fc o nveyo r b el t,a d is c r ete mo d el fo r b el t a nd d r iving d r um o f pipe b el t c o nveyo r wa s b uil t in AMESim so ftwa r e b a sed o n Kel vin-Vo ig t mo d el . Po wer b a l a nc e c o ntr o l pr inc ipl e o f th r ee-mo to r d r iving system wa s r esea r c h ed o n b a sis o f d ir ec t to r que c o ntr o l fo r th r ee- ph a sea sync h r o no usmo to r ,a nd a s ta r ting c o ntr o l meth o d o fpipeb el tc o nveyo r wa spr o po sed wh ic h wa s b a sed o n speed g iven o f ma ster mo to r a nd to r que g iven o f two sl a ve mo to r s. Sta r ting pr o c ess o f pipe b el t c o nveyo r b a sed o n th e meth o d wa s r esea r c h ed th r o ug h Ma tl a b /Simul ink simul a tio n a nd c o mpr eh ensive test b ed o fpipeb el ,c o nveyo r .Th er esea r c h r esul ,ssh o w,h a ,,h eme,h o d c a nr ea l izes,a b l es,a r ,ing o fpipeb el , c o nveyo r , o utput to r ques o f ma ster mo to r a t h ea d a nd sl a ve mo to r s a t h ea d a nd ta il a r e b a sic a l l y equa l d ur ing s ta r ing pr o c es s ,a nd l o a d d ifer enc es a r ea l mo s tzer o a fter s ta r ting fo r 4s . Key words b el t c o nveyo r; pipe b el t c o nveyo r; th r ee-mo to r s d r iving ； sta r ting c o ntr o l ; po wer b a l a nc e c o ntr o l l o a d b a l a nc ec o ntr o l 收稿日期收稿日期2018-12-26;修回日期修回日期2019-06-06;责任编辑责任编辑李明。 基金项目基金项目湖南省科技重大专项项目2015GK1003。 作者简介作者简介单辉亚1993 男，江苏盐城人，硕士研究生，研，研究方向为机电系统过程监测与控制,E-ma ilsh a nh yl 23126. c o m。通信作者肖 冬明1980 ，男，湖南宁乡人，畐y教授，博士，研究方向为增材制造过程监控、机电设备监测与控制，E-ma il d mxia oh nust. ed u. c n。 引用格式引用格式单辉亚，肖冬明.三电动机驱动圆管带式输送机启动控制方法*工矿自动化畐019畐5“86-91. SHAN Huiya XIAO Do ng ming . Sta r ting c o ntr o l meth o d o f pipe b el t c o nveyo r d r iven b y th r ee mo to r s* Ind us tr y a nd Mine Auto ma tio n,2019,459 86-91. 2019年第9期单辉亚等三电动机驱动圆管带式输送机启动控制方法・・87・ ・ 0引言引言 管带式 机是 新型 高 输装备，广泛 矿山、冶金、港口等行业。圆管 带式 机启动过程中，输送带 弹性力学 特征而产生较大张力，导 动电动机间功率不平 衡，各电动机负载分 衡，严重 烧毁电动 机。。为 管带式输送机启动过程中各电动机 率和负载均衡，，合 动控制方法成为 键）1-2* 带式输送机启动和稳定运行控制方式需要考虑 其自 动态特性。。Ch eng Xia o h a n等「3*构建 亠 垂 带式 机 动力学模型，并 仿 真验 型 行性，推导了带式 机头部 电动机驱动和控制系统 率不平衡公式；Ya ng Ga o⑷基 带独特 弹性力学特性，构建了 带式 机离 型，并推导 型的动力学方 程,通过仿真研究了带式 机 动过程中的非 线 弹性力学特性机理，为带式 机动 能 提高 论基础；A. J. G. Nuta l l等皈通 动 拟 控制启动过程，对带式输送机无负 动和多驱动布局 动性能进行 较，认 为多驱动带式 机与 动带式 机动态特性 间可以建立联系；李光布等「6*建立了基 带 悬垂 带式 机非线 动方程和三电动机驱 动的带式 机动力学模型，以 带式 机动态仿真软件。。在带式 机多电动机驱动 率平衡控制方面，欧阳 等「7「 控制实 现了多电动机功率平衡控制，采用电动机电流预测 方法来提高响 ；Wa ng Xinh ua等⑻以电 1 号同 为控制基础，提出 新的带 式 机功率平衡解决方案，分析 方 正确 性与可行性，并给出了控制系统软硬件设计;N. A. RD等「9*提出 高效实 响应面优化技术来 实现多电动机功率平衡输出， ， 技术对带式输 机多电动机驱动系统进行优化；席平原等）10*建立 了带式 机动态力学仿真模型，通过PID控制器 控制带式 机启动过程。。上述研究没有充分考虑 带式 机 动 统 带动 力 学特 间 联系。 。 项目 期针对双电动机分别在头 尾部驱动圆管带式 机的工况，建立 管带式 机动力学模型，分析 电动机功率平衡控制 ，采用主电动机 控制、从电动机转矩跟 主从控制方案，建立 尾部双电动机功率平 衡控制系统「山。「山。 文在分析 带动态力学特 动系统控 制 基 上， ， 提出 部主电动机 、 、 部和尾部2台从电动机转矩 管带式输送 机启动控制方法。。研究思路针对头部双电动机、尾 部单电动机驱动工况，以Kel vin - Vo ig t模型为基 ， ， AMESim 软 件 中 建 立 管 带 式 机 带-驱动滚筒部分离 型；在电动机 矩控 制基 上， ， 研究 电 动 机 动 统 率平衡控制 ， ， 提出 主电动机 、 、2 台 电 动 机 矩 管带式 机启动控制方法；对圆管带式 机启动过程进行Ma tl a b /Simul ink仿真研究, 仿真结果分析该控制方法的理论可行性；在满 载工况 ， ， 对 管带式 机 动 程进行 矩测 试，并对测试结果进行分析，以验 控制方法的 能。 。 1圆管带式输送机输送带圆管带式输送机输送带-驱动滚筒部分离散驱动滚筒部分离散 模型模型 圆管带式输送机主要由机架、输送带、驱动滚 筒、托车昆、传动系统、拉紧装置等组成。头部双电动 机、尾部单电动机驱动 管带式 机部件如 图1 。 。 物料装载槽 图1圆管带式输送机部件 Fig . 1 Pa r ts o f pipe b el t c o nveyo r 输送带 由橡 与织物或钢丝绳芯组 合而成，在外力 现出 弹性力学特 「12「13* o Kel vin-Vo ig t模型建立 带动力 学模型。。Kel vin-Vo ig t模型为1个弹簧和1个阻尼 并联，再和1个质量块串联 ，能够较好地反映 带对应力的响应）14*。 。 输送机启动和正常运转时，输送带看作可 发生 形 ；物料、托车昆等 量 行阻力 带均匀分布；驱动滚筒和拉紧装置是刚 丨, 并 部分 带质量；只 带纵向运动。 以 Kel vin-Vo ig t 型为基 ， ， AMESim 软件中 建 立圆管带式 机 带-驱动滚筒部分离 I 型， ， 图2 。 。 型 为 部 电 动 机 尾 部 电动机驱动、中部重锤张紧、向上 方式。 参 输送带长度为20 m,单元长度为2 m（ （上 各有10个离 元）），倾角为5,带宽为650 mm, 管径为150 mm,单位长 量为5 kg /m；上下托车昆 长度质量分别为12. 797,6. 562 kg /m； ； 单 ・88・工矿自动化2019年第45卷 元长度质量为16. 67 kg /m；物料与输送带之间的摩 擦阻力因数为0.041；输送带弹性模量为6 787 kPa, 成圆阻力为318 N；重锤质量为500 kg。 图2输送带-驱动滚筒部分离散模型 Fig .2 Disc r ete mo d el o f b el t a nd d r iving d r um 2圆管带式输送机三电动机驱动系统启动控制圆管带式输送机三电动机驱动系统启动控制 2. 1 基于直接转矩控制的三电动机驱动系统数学 模型 直接转矩控制以定子磁链和转矩作为控制变 量,无需电动机磁场定向、矢量变换等步骤，进一步 提高了电动机控制系统的动态响应能力「15「16*。三 相异步电动机直接转矩控制的电磁转矩方程为 式中为电动机的负载角。 则有 P ip jJl-*s I I s I 5 sin , sr为转子等效自感；％％「为转子磁链矢量; s为定子磁链矢量；，“分别为定子磁链矢量和 转子磁链矢量相对于B轴空间电角度；,s r为负载 角，即与0的空间相位差。 Xe取决于和％％的矢量积。实际运行中， 1「丨和1丨可认为不变，Xe仅与几有关。通常,r 较小，对Xe的调节和控制作用明显，因此通过调节 r 控制 Xe。 对于三电动机驱动的圆管带式输送机，其输出 功率为 P P1 尸2 尸3 Xei*i Xe2*2 Xe3*3 Xei Xe2 Xe3 * 2 式中Pi ,P2 ,P3为3台电动机的输出功率；Xe1， Xe2，Xe3为3台电动机的电磁转矩；*1 , *2，*3为3台 电动机的轴角速度；*为3台电动机的同步角 。 根据式1、式2，电动机 1,2,3的输出 率为 P ip 7--*s I J I s I sin3 2019年第9期单辉亚等三电动机驱动圆管带式输送机启动控制方法・89・ 00 4 o o o O o o o O 2 0 8 6 00 4 00 2 0 2 4 6 8 10 12 14 时间/s 图4圆管带式输送机启动速度曲线 Fig 4 Sta r ting speed c ur veo fpipeb el tc o nveyo r 该模型王要包括王电动机驱动子系统、从电动机驱 动子系统、启动曲线信号模块和通信接口模块。三 相异步电动机模型Units1、Units2、Units3分别为 头部从电机、头部主电动机、尾部从电动机。三相异 步电动机参数设置额定功率为5. 5 kW，额定电压 为380 V,额定频率为50 Hz,定子绕组、转子绕组电 阻分别为0. 087,0. 228 定子绕组、转子绕组等效 自感均为0. 8 mH,极对数为2,转动惯量为 0. 662 kg m2。 图5三电动机驱动系统仿真模型 尾部从电动机驱动子系统I _______________________I 主电动机I El ec tr o ma g netic to r que Sta to r c ur r ent is a | Sta to r c ur r ent is_b j ________ _________I Gain 1 Fd 5 Ud abc Uq 5 Fq IdId Iq 0.5〜1 s时，输送带张紧 程 增加，主电动机负载逐渐增大，从电动机负 载 ，且从电动机负载 主电动机负载，因 值 ，直至为负；1〜4 s时，输送带 r 被拉紧，主从电动机负载差值 并 0；4 s 图10满载工况下电动机输出转矩曲线 Fig . 10 Output to r que c ur ves o f mo to r s und er ful-l o a d c o nd itio n 2019年第9期单辉亚等三电动机驱动圆管带式输送机启动控制方法 91 为1 1.01 1.01。可见本文提出的控制方法能够 较好地实现圆管带式输送机平稳启动。 5结论结论 1 考虑圆管带式输送机输送带黏弹性力学特 性，建立了圆管带式输送机启动过程AMESim和 Ma tl a b /Simul ink联合仿真模型。 2 提出了一种主电动机速度给定、2台从电 动机转矩给定的圆管带式输送机启动控制方法，通 过仿真和测试验证了该方法可实现圆管带式输送机 平稳启动，启动过程中头部主电动机与头尾部从电 动机输出转矩基本相等，启动4 s后负载差值几乎 为0。 3 下一步将研究圆管带式输送机制动过程中 各电动机之间的负载变化和功率平衡性。 参考文献参考文献References 1*宋伟刚，于野，战悦晖圆管带式输送机的发展及其关 键技术水泥工程，20054 42-47. SONG Weig a ng YU Ye HAN Yueh ui8 Th e d evel o pment a nd c r itic a l tec h niques o f th e pipe b el t c o nveyo r*. Cement Eng ineer ing,20054 42-47. 2 *王鹰，杜群贵，韩刚，等.环保型连续输送设备一一圆 管状带式输送机［J*机械工程学报，2003,39 1 149-1588 WANG YingDU Qung ui HAN Ga nget a l 8 Envir o nment-pr o tec ting c o ntinua l c o nveyo r -pipe b el t c o nveyo r J *8 Ch inese Jo ur na l o f Mec h a nic a l Eng ineer ing 2003 391149-1588 3 * CHENG Xia o h a nMENG Guo yingHE Xia oet a l 8 Th e c o nsec utive d yna mic mo d el ing o f ver tic aly b end ing b el tc o nveyo r und er ir r eg ul a r l y d istr ib uted l o a d C *//IEEE Inter na tio na l Sympo sium o n Info r ma tio n Eng ineer ing a nd El ec tr o nic Co mmer c e Ter no pil 20101-58 4 * YANG Ga o 8Dyna mic sa na l ysisa nd mo d el ing o f r ub b er b el t in l a r g e mine b el t c o nveyo r s ［J*. Senso r s Tr a nsd uc er s2014 18110210-2188 5 * NUTTALL AJG，LODEWIJKS G. Dyna mic s o f mul tipl e d r ive b el t c o nveyo r systems*. Pa r tic l e Pa r tic l e Systems Ch a r a c ter iza tio n201024 4/5 365-3698 6 *李光布，李儒琼，韦家增.基于几何非线性大型带式输 送机动力学仿真中国机械工程，2007,181 23-25 LI Gua ng b u,LI Ruqio ng , WEI Jia zeng . Simul a tio n o f b el t c o nveyo r d yna mic s b a sed o n g eo metr y no nl inea r ityJ*8Ch ina Mec h a nic a l Eng ineer ing 2007 18123-258 7 *欧阳名三，莫丽红.采用参数预测及模糊控制的胶带 多机驱动功率平衡的研究［J*煤炭学报，2015,34 1320-3228 OUYANG Ming sa nMO Lih o ng 8Resea r c h o npo wer - b a l a nc e o f mul ti-mo to r s in b el t system b a sed pa r a meter fo r ec a sta nd fuzzyc o ntr o l J*8Jo ur na l o f Ch ina Co a l So c iety 2015 341320-3228 8 * WANG Xinh ua ZHANG Ho ng wei FU Ziyi8 Resea r c h o n po wer b a l a nc e c o ntr o l o f mul ti-mo to r d r iving b el t c o nveyo r system b a sed o n c o ntr oled tr a nsmissio n d evic e J *. Appl ied Mec h a nic s Ma ter ia l s，2015，719/720 400-4048 9 * RAJIN A， ERAMEH A， YUSSOUFF A， eta l 8 Linea r mo to r fo r d r iveo fb el tc o nveyo rJ*8Mo d er n Mec h a nic a l Eng ineer ing，2016，6132-438 0*席平原，朱江，申屠留芳.带式输送机闭环特性动态分 析与PID控制农业机械学报，2010,4112 210-214 XIPing yua n， ZHU Jia ng， SHENTU Liufa ng Ana l ysis a nd PID c o ntr o l o n d yna mic a l per fo r ma nc e o fc o nveyo r po ssessing c l o sed -l o o pJ* Tr a nsa c tio ns o fth eCh ineseSo c ietyfo r Ag r ic ul tur a l，2010，4112 210-214 11* XIAO Do ng ming，LI XueDun， HE Kua ng fa ng Po wer b a l a nc e o f sta r ting pr o c ess fo r pipe b el t c o nveyo r b a sed o nma ster -sl a vec o ntr o lJ* IEEE Ac c ess，2018， 616924-16931 2*张海平.输送带摩擦学行为及动力学特性研究［D* 太原太原理工大学，2016. 3* 董大仟.大型带式输送机动态特性研究及其应用 ［D*北京华北电力大学2008 4* LEWANDOWSKI R， CHORAZYCZEWSKI B Id entific a tio n o f th e pa r a meter s o f th e Kel vin-Vo ig t a nd th e Ma xwelfr a c tio na l mo d el sused to mo d el ing o f visc o el a stic d a mper s*. Co mputer s Str uc tur es， 2010 8811-17 5*王成元，夏加宽，孙宜标.现代电机控制技术［M*北 京机械工业出版社，201445-46. 6*孙连云.三相异步电动机直接转矩控制系统的建模与 仿真*中国科技信息，200911 180181 SUN Lia nyun Th emo d el ing a nd simul a tio no fth r ee- ph a sea sync h r o no us mo to r DTC system J * Ch ina Sc ienc e a nd Tec h no l o g y Info r ma tio n2009 11 180-181 7* OUBOUBKER L，LAMCHICH M T Dir ec t to r que c o ntr o l o fth r ee ph a sea sync h r o no us mo to r suppl ied b y sta tic c o nver ter s C *// IEEE Inter na tio na l Co nfer enc eo n Mul timed ia Co mputing a nd Systems Oua r za za ta 2009334-340