双电动机驱动弛张筛及其伺服控制系统.pdf

第45卷第3期 工矿自动化 VoL45No.3 2019 年 3 月 IrLdustryaridMirLeAutomatiori Mar. 2019 文章编号671-251X201903-0075-07 DOI 10. 13272/j. issn. 1671-251x. 2018100026 双电动机驱动弛张筛及其伺服控制系统 曹培， 熊晓燕， 武兵， 牛蔺楷 太原理工大学机械与运载工程学院，山 西 太 原 030024 扫码移动阅读 摘要 普通％张筛中双筛框的振动相位会根据筛板上来料量的变化而变化， 很难实现固定筛框和浮动筛 框理想的180相位差， 导致筛分效率不能保证。针对上述问题， 建立了双电动机驱动弛张筛力学模型及振 动方程， 得到弛张筛固定筛框和浮动筛框之间的振幅和相位关系， 并分析得出 双激振电动机转速同步且偏 心块的相位差为170时， 双筛框的振动相位差能达到1 8 0 提出了一种基于双电动机驱动的弛张筛伺服控 制系统， 采用了基于交叉搞合的转速同步控制方法和改进的基于点动Bang-Bang的相位补偿控制算法。仿 真结果表明 该系统在启动阶段跟随速度快， 调整时间短， 超调量小， 转速同步情况比较理想； 转速及相位补 偿速度快， 转速波动幅度为70 r/min左右， 偏心块相位差波动幅度控制在5以内， 具有较强的抗干扰性。 关键词 煤炭分选；双电动机驱动弛张筛 伺服控制系统 固 定 筛 框 动 筛 框 转速同步相位补偿 中图分类号TD452 文献标志码A 网络出版地址Fttp / kns. cnki. net/kcms/detail/32. 1627. tp. 20190226. 1424. 002. html Doublemotor driven flip-flow screen and its servo control system CAO Pei, XIONG Xiaoyan, WU Bing, NIU Linkai College of Mechanical and Transportation Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China Abstract Vibration phase of two screen frames in ordinary flip-flow screen varies in accordance with the change of incoming materials, and phase difference between fixed screen frame and floating screen frame is difficult to maintain at ideal 180 degrees, which leads to low screening efficiency. In view of the above problems, mechanical model and vibration equation of double motor driven flip-flow screen were established, relationship of amplitude and phase between fixed and floating screen frames were obtained, and it was concluded that when speed of double excitation motor was synchronized and phase difference of eccentric block is 170, vibration phase difference of double screen frames can achieve 180. Servo control system of double motor driven flip-flow screen was proposed, and cross-coupling-based speed synchronization control and improved Bang-Bang-based phase compensation control algorithm were used. The simulation results show that the system follows quickly in startup phase with short adjustment time and small overshoot, ideal speed synchronization ； rotation speed and phase compensation speed are fast, absolute value of speed fluctuation amplitude is about 70 r/min, and eccentric block phase difference fluctuation amplitude is controlled within 5〇 , which verifies the system has strong anti-interference perance. Key words coal separation； double motor driven flip-flow screen； servo control system； fixed screen frame ; floating screen frame ; speed synchronization； phase compensation 收稿日期 2018-10-15;修回日期 2019-01-25;责任编辑 胡娴。 基金项目 国家自然科学基金面上项目（ 51775364。 作者筒介 曹培（993-， 男， 河北石家庄人， 硕士研究生， 研究方向为机械系统动态设计， E-mail178301897qq. com。 引用格式 曹培， 熊晓燕， 武兵， 等.双电动机驱动弛张筛及其伺服控制系统工矿自动化， 2019， 4535-81. CAO Pei,XIONG Xiaoyan,WU Bing,et al. Double m otor driven flip-flow screen and its servo control system[J] . Industry and M ine Automation,2019,453 ； 75-81. 76 工 矿 自 动 化2 0 1 9 年 第 4 5 卷 〇 引言 由于煤层渗水、 井下防尘喷水和管理不善等原 因， 煤矿开采出的原煤水分含量往往在7 以上， 导 致潮湿细粒煤炭在分选过程中发生粘附成团、 堵塞 筛分设备筛孔的现象。尤其当原煤外在水分含量达 到 7 〜1 4 时 ， 用普通振动筛进行3 m m或 6 mm 粒度分级效率十分低下-12]。弛张筛[3]作为潮湿细 粒物料的干法深度筛分设备[45]， 在煤炭筛分领域有 着重要作用。弛张筛的振动位移作为振动系统简谐 激励下的动态响应， 是求解振动速度和振动加速度 的基础。相关学者对弛张筛的振动特性进行了研 究 。王新文等[]介绍了一种进口弛张筛， 通过对其 振动微分方程的求解获得了系统水平和竖直方向的 幅频特性曲线； 陈志强等[7 ]通过分析双质体振动弛 张筛的振动特性获得了比较理想的弛张筛工作区 域;顾成祥等[8]提出了弛张筛综合评价指标， 分别对 弛 张 筛 的 工 艺 、 结 构 、 运 动 学 和动力学参数进行 优化。 单电动机驱动的弛张筛中偏心式惯性激振器安 装在固定筛框上， 筛面两端固定在固定筛框和浮动 筛框横梁上[910]。激振作用使双筛框带动筛面做弛 张运动， 从而实现物料筛分。但是固定筛框和浮动 筛框的振幅和相位会根据来料量的变化而变化， 很 难实现固定筛框和浮动筛框振幅和相位的分别控 制 ， 影 响 了 筛 分 效 率 [11]。针 对 以 上 不 足 ， 提出了 一种新的双激振电动机驱动的弛张筛， 该弛张筛中， 固定筛框和浮动筛框上分别固定偏心式惯性激振 器 。双电动机控制、 双筛框协同运动使筛分效率更 高 ， 生产能力更强。本文分析了双电动机驱动弛张 筛的振动方程， 得到双激振电动机偏心块的相位差 为 170时双筛框的振动相位差可以达到180;并提 出了基于交叉耦合的转速同步控制和改进的基于点 动Bang-Bang的相位补偿控制算法， 通过仿真结果 证明了所提算法的可靠性和有效性。 1双电动机驱动弛张筛建模 1. 1 双电动机驱动弛张筛结构及工作原理 双电动机驱动弛张筛主要由固定筛框、 浮动筛 框 、 隔振橡胶弹簧、 剪切橡胶弹簧、 固定筛框激振电 动机、 浮动筛框激振电动机和聚氨酯筛面组成， 如 图 1 所示。浮动筛框通过剪切橡胶弹簧与固定筛框 相连， 固定筛框通过隔振橡胶弹簧与底座相连。其 中， 固定筛框和浮动筛框均有相间分布的横梁， 聚氨 酯筛面一端固定在固定筛框横梁上， 另一端固定在 浮动筛框横梁上， 偏心块固定在激振电动机的转 1一隔振橡胶弹簧； 2 剪切橡胶弹簧； 3固定筛框激振电动机； 4一浮动筛框激振电动机； 5浮动筛框； 6固定筛框横梁； 7 聚氨酯筛面； 8浮动筛框横梁； 9一固定筛框 图1双电动机驱动弛张筛结构 Fig. 1 Structure of double motor driven flip-flow screen 启动后， 固定筛框激振电动机和浮动筛框激振 电动机按相同的方向等速旋转。固定筛框横梁和浮 动筛 横梁 激 电动机的带动 进 对 动 ， 带动 装 横梁 的聚 筛 进 的弛张运动。 1.2 动力学分析 双电动机驱动弛张筛力学模型如图2 所示。建 立 xoz方向的坐标系， x 方向为沿筛面宽度的方向， 方向为垂直于筛面宽度的方向。固定筛框和浮动 筛框均在x 和 z 方向产生相对运动。图 2 中， rn1， 为固定筛框和浮动筛框的质量（ 包括激振电动 机） ， 1 ; ， 为剪切橡胶弹簧沿振动方向的等效 刚度， N/m;C x， 为剪切橡胶弹簧沿振动方向的阻 尼系数， （ N s/m;w 为电动机转动角速度， rad/s; 怂，2为隔振橡胶弹簧沿 x 和 z 方向的等效刚度， N/m，1 2 rn1 rn2 〇 /zg2 sin a cos a ; zg 为隔振系统频率比； 为弛张筛安装倾角， （ P 为 激振力幅值， N ， P 2 m〇 ,V ;r 为偏心块的回转半 径 ， m;23〇为偏心块质量， kg;x1， x2 为固定筛框和 浮动筛框沿x 方向的位移， m;Z1， Z2 为固定筛框和 浮动筛框沿z 方向的位移， m。 flip-flow screen 根 据 图 2 可得出固定筛框和浮动筛框的振动 2 0 1 9 年 第 3 期曹 培 等 双 电 动 机 驱 动 弛 张 筛 及 其 伺 服 控 制 系 统 77 方程 3 _ m s2 m z-i -j-y . 十 c 十 - ---Psin wt mi 十 m 2 式中 m 为诱导质量， m mi m 2 / mi m2 ; m i为 固定筛框等效质量， mi mi m〇 l/w26 ml m〇 6 mi ; m2 为 浮 动 筛 框 等 效 质 量 ， m2 m 2 m〇 一 2 /w2 6m2 m〇 6m 2。 由于存在阻尼， 弛张筛稳态工作后瞬态振动会 逐渐消失， 所以不考虑式（ 2的通解， 其特解为 Asin wt a, Bcoswt a 3 式中A B 为相对位移振幅; ’ ，为相对相位角。 将式3代人式（） 中得到相对位移振幅A B 和相对相位角a 和 a A m z ma i， a2为固定筛框和浮动筛框沿 方向的激振力超前绝对位移的相位差角； 择， “2 为 固定筛框和浮动筛框B 方向的激振力超前绝对位 移的 位 。 根据式（ 2、 式（ 3、 式（ 5， 得到绝对位移振幅和 绝对 位 Ai A2 Bi B2 / / 122 丄 / 1 _ | _1 十 U.2 \2 A Pcos a- 2m〇r \广 十丄 十 . 2u m九 为 x 方向的频 率比， 九 ⑷/ ;久 为 方 向 的 频 率 比 ， 九 w/队 W为固定筛框 和浮动筛框等 比， 31/3 ;}〇1 0 2 分别为电动机1 和电动机2 的转速； △ 〖为 激振电动机 等状态维持的 。 i2180和 （ 2 180。 都可以达到双筛 框相位差的理想效果。因 为 x， ％ 1， ％2只与系统结 关 ， 所以要想 筛 框 的相位 匕到 180可 过控制激振电动机1 和 激 振 电 动 机 2 的速度〇1、 0 2 和△〖来实现理想的激振电动机偏心 块相位差。 2转速同步控制策略 要使双激振电动机偏心块的相位差保持在理想 范围， 必须协 和相位的关系％ 和相位 均达到同步的 。因为相位 的积分， 所以 很大的 位是没有意义的， 保 同步的同 制相位 理想效 。多电动机同步驱动控制中， 常用的同步控制技 术有主 制 、 、 制 、 电子虚拟主 制和交叉 耦合控制[13]。主从控制中， 从电动机的扰动不会传 送到主电动机， 而且存 K t为点动控制系数， 点 动 控 制 时 间 由 0决 定;[为一个周期内设定的相位差阈值， 当满足条件 一 [s U m ax为设定的转速补偿量。 由于激振电动机转速波动， 6 不总在一个周期 之内， 所 以 ， 通 过 式 （ 18将 6控 制 在 一 个 周 期 内。 15 16 17 △ S“ 厶 360〇 170〇 AS“ 360〇 △6 △Sit 170〇 360〇 △St 360〇 [△ S h 360 170 △ S 360 18 △d / tt △ S“ AS。（ C〇2tt ,1 tt *△〇/“ _ dS2“ “19 dS1t “20 式中 h 为 偏 心 块 2 超 越 偏 心 块 1 的圈数； ， 1 “ ， ,2 “ ， Si “ ， S2⑴ 分 别 为 t 时 刻 2 个偏心块的角速 度和重心线位置； △ S， △ S t分别为偏心块初始相 位差和0〜t 时间内相位差之和。 改 进 的 点 动 Bang-Bang控制算法具有时间最 优特性， 经过计算得到双偏心转子之间的角位移差 值 ， 然 后 用 Bang-Bang控制算法算出转速的补偿 量 ， 作用到电动机转速输入部分， 观 察 6 是否满足 要求。如果满足， 停止补偿； 如果不满足， 则进入下 一周期。转速补偿速度很快， 相位在很短的时间内 就可以达到控制要求。 3.3 仿真结果分析 由于双偏心块相位差不断变化， 所以激振电动 机 2 上的补偿转速也时正时负， 并且补偿时间很短。 电动机2 的转速如图7 所示， 从 图 7 可以看出， 电动 机转速波动幅度为70 r/min左右， 转速调整速度很 快 ， 满足了控制快速性的要求。 图7电动机2 的转速 Fig. 7 Speed of motor 2 双偏心块的相位差如图8 所 示 ， 由于电网电压 的不断扰动， 使得偏心块的速度和相位差也不断波 动 ， 从 图 8 可以看出， 偏心块的相位差波动幅度控制 在 5以内， 验证了控制算法的有效性和较强的抗干 性 。 4结论 1双电动机驱动的弛张筛作为一种新型的筛 分设备， 有比单电动机弛张筛更优良的特性。固定 筛框和浮动筛框采用双电动机分别控制， 协同运动， 并且可灵活调整工作状态， 使筛机启动速度快， 传递 2 0 1 9 年 第 3 期 曹 培 等 双 电 动 机 驱 动 弛 张 筛 及 其 伺 服 控 制 系 统 81 200 180 160 140 120 W 1 〇 〇 80 60 40 20 0 1 2 3 4 5 6 7 8 t/s 图8双偏心块相位差 Fig. 8 Phase difference of double eccentric blocks 效率更高， 有利于筛板的弛张运动， 便于实现通用 化 、 系列化、 标准化。 2 电压波动和变频器输出信号的不稳定都会 对电动机转速产生影响， 利用基于交叉耦合的转速 同步控制策略和改进的基于点动的Bang-Bang控 制算法对电动机转速进行控制， 双偏心块的速度同 步时间更短， 位置精度更高， 稳定性和抗干扰性都比 较好， 避免了筛机运行过程中固定筛框和浮动筛框 由于速度不同步而产生较大噪声的状况， 延长了筛 机的使用寿命， 达到了很好的筛分效果。 参 考 文 献 （ References -1 . 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