CN102162266B - 一种数字控制的用于大型矿用挖掘机的三自由度协调控制电力传动*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种数字控制的用于大型矿用挖掘机的三自由度协调控制电力传动***,包括依次相连的人机监视装置、设置有变流传动控制器的PLC控制装置、变流传动装置、保护装置以及司机室控制装置。本发明具有如下优点：1.设计合理，结构简单，噪声较小且完全实用；2.完全适应挖掘机负载变化频繁、堵转、变惯量、振动和冲击大、环境温差大等特点;3.控制精确;抗干扰性强;动态响应快;功率因数高;对电网的谐波污染小；4.对传动机械冲击振动小，对负载适应性强、鲁棒性好。维护费用低；可靠性高。

Description

一种数字控制的用于大型矿用挖掘机的三自由度协调控制电力传动***

技术领域

本发明涉及一种数字控制的用于大型矿用挖掘机的三自由度协调控制电力传动***,属于机械设备电力控制技术领域。

背景技术

大型电传动矿用挖掘机是大型露天矿山采矿场的主要采矿设备，其自重达500～1000吨，其铲斗容积达十几到几十立方（一次挖掘矿石数十吨），动力来源为电力，通过铲上电气传动***完成挖掘机的行走、提升、回转和推压作业，整个挖掘机供电容量达到几个兆伏安，单台传动***最大直流工作电流达几千安，电力传动***是挖掘机的核心设备。

大型矿用挖掘机电力传动***仅由ABB、Siemens等较少的国外公司设计制造，已装备在美国P&H公司的2300XP等大型挖掘机，国内相关技术的研制依然是空白，且国外多采用模拟电路设计，控制***为模拟器件构成的分立插接控制板，在挖掘机露天的强震动、大粉尘、大温差的恶劣环境下工作，故障率较高，抗干扰能力差，且接线复杂，备件更换及维护保养要求较高，已不能充分满足高效采矿生产的需要。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的控制***故障率较高，抗干扰能力差，且接线复杂，备件更换及维护保养要求较高等的技术问题；提供了一种适应挖掘机外载荷量变化频繁、振动和冲击载荷大、环境温差大等工况，提高可靠性、生产效率，满足矿用挖掘机的剥离和开采及装卸作业，提高***功率因数，减小对电网的谐波污染，且投资少、性价比高、维护费用低的一种数字控制的用于大型矿用挖掘机的三自由度协调控制电力传动***。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种数字控制的用于大型矿用挖掘机的三自由度协调控制电力传动***，其特征在于，包括依次相连的人机监视装置、设置有变流传动控制器的PLC控制装置、变流传动装置、保护装置以及司机室控制装置。

在上述的一种数字控制的用于大型矿用挖掘机的三自由度协调控制电力传动***，所述的变流传动装置包括用于给七台电机电枢供电，实现七台电机的四象限工作的四套电机电枢变流装置；用于给七台电机励磁供电的三套电机励磁电流变流装置；用于分别驱动挖掘机两侧履带，实现行走功能并设置有行走减速箱的两台行走电机；用于通过齿轮和齿条驱动斗杆，实现推压动作的并设置有推压减速箱的推压电机；用于驱动钢缆卷筒完成铲斗提升和下放作业的并分别设置有提升和下放减速箱得两台相互并联的提升电机；用于共同驱动转盘齿轮，实现回转功能并设置有回转减速箱的两台回转电机，所述两台回转电机的电枢串联并通过调速器一控制，两台回转电机的励磁串联，并通过励磁调节装置一控制，所述的两台提升电机的电枢串联，通过调速器二以及调速器三控制，两台提升电机的励磁串联，通过励磁调节装置二控制，两台行走电机的电枢分别由调速器二以及调速器四控制，两台行走电机的励磁串联，由励磁调节装置三控制，推压电机的电枢控制由调速器二控制，所述的推压电机励磁由励磁调节装置三控制。

在上述的一种数字控制的用于大型矿用挖掘机的三自由度协调控制电力传动***，所述的变流传动控制 器包括：

四套基于晶闸管逻辑无环流四象限直流电力传动变流主回路及其驱动装置，用于驱动电机电枢；

三套励磁调节器，用于电机励磁调节；

一个挖掘特性控制模块，用于实现和优化挖土机特性；

一个提升、推压、回转机构三自由度协调控制模块，用于对提升、推压、回转三台驱动装置转速、转矩给定和限幅，实现三自由度的运动行程，并保护传动机械不过载而损坏；

两个提升电机转速转矩调节控制模块，用于实现提升电机的转速转矩双闭环调节，和钢缆应力控制；

一个提升电机负荷分配控制模块，用于保证两台电机出力均衡，并且实现***冗余;

一个推压电机转速转矩调节控制模块，用于实现推压电机的转速转矩双闭环调节，和减小传动机械应力冲击和推压力引起的振动；

一个推压限位保护装置，用于以检测斗杆行程及推压限位保护；

一个回转电机转速转矩调节控制模块，用于实现回转电机的转速转矩调节和控制结构切换、减小传动机械应力冲击、并使制动时快速平稳、实现对给定丢失时的保护；

一个行走电机转速转矩调节控制模块，用于控制左行走和右行走电机转动，并实现两电机平稳行走

一套静态谐波抑制和无功补偿装置和一套动态晶闸管投切电容器(TSC)装置，用于提高***功率因数和减小对电网的谐波污染；

四套针对晶闸管逻辑无环流四象限直流电力传动***的可恢复综合保护装置，用于保护变流器主回路和电机；

一套***可编程控制器（PLC）逻辑控制和监控装置，用于***运行状态采集、逻辑控制、给定指令、故障诊断（鉴定分析）、电能计量及与上位人机界面的通信。

因此，本发明具有如下优点：1.设计合理，结构简单，噪声较小且完全实用；2. 完全适应挖掘机负载变化频繁、堵转、变惯量、振动和冲击大、环境温差大等特点; 3.控制精确;抗干扰性强;动态响应快;功率因数高;对电网的谐波污染小；4.对传动机械冲击振动小、对负载适应性强、鲁棒性好。维护费用低；可靠性高。

附图说明

图1为本发明的***示意图；

图2为变流器外部接口图；

图3为变流器信号示意图；

图4为晶闸管逻辑无环流***拓扑图；

图5为逻辑控制切换程序流程图；

图6为挖掘特性曲线图；

图7为回转特性限幅图；

图8为提升转速微分负反馈图；

图9为提升转矩主从控制图；

图10为回转转速双闭环控制图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

一种数字控制的用于大型矿用挖掘机的三自由度协调控制电力传动***，其特征在于，包括依次相连的人机监视装置、设置有变流传动控制器的PLC控制装置以及变流传动装置。它还包括分别与PLC控制装置相连的励磁调节器、谐波抑制和无功补偿装置、保护装置以及司机室控制装置。其中谐波抑制和无功补偿装置是图1中无功补偿装置Ⅰ、Ⅱ及其控制的晶闸管投切电容部分，司机控制装置是图1中操作/控制台。

变流传动装置包括用于给七台电机电枢供电，实现七台电机的四象限工作的四套电机电枢变流装置；用于给七台电机励磁供电的三套电机励磁电流变流装置；用于分别驱动挖掘机两侧履带，实现行走功能并设置有行走减速箱的两台行走电机P1、P2；用于通过齿轮和齿条驱动斗杆，实现推压动作的并设置有推压减速箱的推压电机C；用于驱动钢缆卷筒完成铲斗提升和下放作业的并分别设置有提升和下放减速箱得两台相互并联的提升电机H1、H2；用于共同驱动转盘齿轮，实现回转功能并设置有回转减速箱的两台回转电机S1、S2。挖掘机的整个电力传动电气***控制采用基于中央设备集中控制及其它设备分别管理的数字控制***实现，为“上位人机界面+PLC现场总线+变流传动装置”组成的三级控制***。上位人机界面监控整机的运行状态及故障信息，实现运行状态模拟显示与故障自诊断；PLC 通过PROFIBUS DP 现场总线与变流传动装置、励磁调节器、谐波抑制和无功补偿装置、保护装置、司机室控制等连接，实现分布式控制。如图1，变流传动装置控制器采用DSP+CPLD的数字控制硬件平台实现，如图2、3，数字信号处理器DSP检测采样和实现控制算法，CPLD实现触发脉冲生成，控制触发脉冲经脉冲变压器隔离放大后驱动晶闸管，具有控制精确、响应快、抗干扰性强维护方便等数字控制的诸多优点。具有控制精确、抗干扰性强维护方便等数字控制的诸多优点。

变流传动控制器包括

四套基于晶闸管逻辑无环流四象限直流电力传动变流主回路及其驱动装置，用于驱动电机；三套励磁调节器，用于电机励磁调节；一个挖掘特性控制模块，用于实现和优化挖土机特性；一个提升、推压、回转机构三自由度协调控制模块，用于对提升、推压、回转三台驱动装置转速、转矩给定和限幅，实现三自由度的运动行程，并保护传动机械不过载而损坏。两个提升电机转速转矩调节控制模块，用于实现提升电机的转速转矩双闭环调节，和钢缆应力控制；一个提升电机负荷分配控制模块，用于保证两台电机出力均衡，并且实现***冗余;一个推压电机转速转矩调节控制模块，用于实现推压电机的转速转矩双闭环调节，和减小传动机械应力冲击和推压力引起的振动；一个推压限位保护装置，用于以检测斗杆行程及推压限位保护；一个回转电机转速转矩调节控制模块，用于实现回转电机的转速转矩调节和控制结构切换、减小传动机械应力冲击、并使制动时快速平稳、实现对给定丢失时的保护；一个行走电机转速转矩调节控制模块，用于控制左行走和右行走电机转动，并实现两电机平稳行走。一套静态谐波抑制和无功补偿装置和一套动态晶闸管投切电容器(TSC)装置，用于提高***功率因数和减小对电网的谐波污染。四套针对晶闸管逻辑无环流四象限直流电力传动***的可恢复综合保护装置，用于保护变流器主回路和电机；一套***可编程控制器（PLC）逻辑控制和监控装置，用于***运行状态采集、逻辑控制、给定指令、故障诊断（鉴定分析）、电能计量及与上位人机界面的通信。

变流驱动装置采用晶闸管逻辑无环流四象限调速***作为直流它励电机的电枢电源（励磁另由可控整流电源控制），是电铲电传动变流驱动的关键。无环流可逆调速***采用两组晶闸管反并联解决电机正反转运行和回馈制动问题，如图4，四象限化分为：一象限正组整流，正向电动；二象限反组逆变，正向制动回馈；三象限反组整流，反向电动；四象限正组逆变，反向制动回馈。为避免两组整流桥同时工作则产生不流经负载的环流，采用如表1所示逻辑算法使一组桥工作时，封锁另一组桥触发脉冲，使之阻断，确保两组桥不同时工作，构成逻辑无环流控制可逆***，从根本上切断了环流的通路。

 控制器按照***工作状态指挥正/反组桥自动切换，逻辑控制切换程序流程如图5，具体采用如下技术实现：输出信号控制正/反组桥触发脉冲封锁或开放，输入信号采用转矩给定作极性鉴别，同时检测是否满足零电流条件，切换时经死区延时，从发出切换指令到封锁原组桥的时间为封锁延时，从本桥整流到推β逆变，由于电流实际波形是脉动的，脉动电流可能会瞬时为零，若封锁脉冲则会导致逆变颠覆。由此设置封锁延时为半个到一个脉波时间2～3ms，从封锁本桥到开放它桥为开放延时，这为本桥晶闸管恢复阻断的时间，设置为大于一个脉波时间5～7ms。最后输出信号之间作逻辑上的连锁保护，杜绝两组脉冲同时开放。

对于挖掘机这种挖掘阻力不确定的负载工况控制***，采用挖土机特性，如图6(a），在挖掘特性控制模块中，采用了图6(b）所示的电流截止负反馈限电流曲线，具有效率高、易控制等优点：当负载阻力超过截止点后，随着负载阻力的进一步增加，电动机的转速将随之下降，实现对电动机限电流的保护。挖掘过程中，***在额定转速以下恒转矩调速，当铲斗出了物料后，***进入恒功率调速，速度自动停留在与负载大小相对应的工作点上。

针对挖掘工艺的提升、推压、回转三个空间自由度，建立了三自由度的转矩、转速控制模型，实时获取三自由度的转矩、转速信息，在线整定和调整各自由度转矩、转速的给定和限幅值，实现提升、推压、回转三自由度的优化协调控制和保护。

以提升转矩为基准，建立提升转矩与推压转矩之间的控制模型，使提升转矩与推压转矩达到最佳配合。在提升转矩小于50%，推压转矩的限幅为额定值的60%，在提升转矩大于50%，推压转矩的限幅值随着提升转矩的加大而加大，即在挖掘过程中，推压转矩的限幅值是提升转矩的函数，这样，既保证铲斗在挖掘跟部物料时（提升转矩小于50%）限制推压力在60%以内，防止起重臂顶起，又可以保证在挖掘物料时推压机构具有足够的力矩，提高满斗率。如图所示。

回转转矩转速控制模块，它是通过提升和推压电枢电流的输入，保证在挖掘工况下不出现大转矩回转，防止起重臂在挖掘时受到过大的侧向力，承受扭力损坏，且通过给定限幅实现变力矩调节，调速不可调。且操作回转是有条件的，受到提升电机电枢电流HIa、推压电枢电流CIa、行走工况及回转***状态等限制。不可以回转的条件及回转电枢电流仅有25%的堵转电流值Ia，有四个条件限制：

1）            提升电枢电流HIa大于75%的堵转电流值；

2）            推压电枢电流CIa大于75%的堵转电流值；

3）            挖掘机不在行走工况运行；

4）            回转电机不在再生制动工况。

以上四条同时成立时，才将最大回转电枢电流限制到25%的堵转电流值Ia。如若四条件之一不成立，回转电枢电流就是其堵转电流Ia的100%。具体限幅值参见图7。

提升控制器实现提升电机的转速转矩双闭环调节所作的特殊处理。

为克服提升电机转速超调引起钢缆抖动振荡导致的不满足提升工艺要求，在提升控制模块转速环转速负反馈的基础上叠加转速微分负反馈，只要转速有超调和动态速降的趋势，微分负反馈就开始调节，与速度反馈一起与给定相抵，提前退饱和，退饱和时间的提前量即微分时间常数，抑制转速超调，降低动态速降，提高抗扰性能，为防止微分环节引入新的干扰，在微分负反馈环节作了低通滤波处理，实施的是不完全的微分。如图8所示。

针对铲斗放置在地上时，钢缆不受力而松弛，会脱离卷筒，且启动时剧烈伸缩，带来冲击抖动。为此提升控制模块设置钢缆预紧力控制，即考虑在加速时，机械受到的冲击，不只和加减速动态转矩值有关，而且和动态转矩的变化率有关，变化率越大，机械受损害越严重，特别是当机械传动机构存在弹性及间隙如卷筒钢缆传动，因此在转速转矩转矩给定加偏置和S曲线斜坡，使传动机械转速转矩给定不仅是斜坡，而且在斜坡的起始和终结部分是圆角，即要求加速度的变化率受到限制，使启动过程舒缓稳定，避免振荡和冲击。

提升电机负荷分配控制模块用于两台保证两台电机出力均衡，并且实现***冗余，具体实现采用如下转矩主从控制的模式：以一台提升电机控制模块为主，包括速度、转矩控制，另一台为辅，只有转矩控制，其转矩给定值由主控制模块产生，共一个速度外环，分别采用两个转矩内环，转矩给定平分，如图9所示，为保证***数据交换的快速、同步性，两控制模块之间采用光纤通信。

推压电机转速转矩调节控制模块针对推压特性，推压机构在零速时，控制模型结构由速度控制模式转换为转矩控制控制，即推压机构在零速时的力矩取决于手柄给定的大小，而不是速度控制时的较大力矩，减小传动机械应力冲击和由推压力引起的振动。

推压限位保护装置，用于以检测斗杆行程及推压限位保护。推压轴装设了绝对式编码器，以检测斗杆行程超出设定值，将给定值降至最小。

回转机构转动控制模块控制两台回转电机的电枢，两台回转电机的电枢绕组为串联接法，并由一组电源供电；两台电机的励磁绕组亦采用串联方式统一由一组电源供电。

针对回转机构机械转动惯量的大特点，为减小启动时的机械冲击，延长机械寿命，使***制动快速平稳，回转电机控制模块低速采用转矩控制模式，即主令给定是电机输出转矩的大小，高速时采用转速控制方式，提高作业效率。在转矩控制模式和转速控制模式切换时采用滤波器，速度控制模型的转矩给定通过高通滤波器（HF），转矩控制模型的给定通过低通滤波器（LF），然后再把他们相加起来，控制框图如图10所示，实现平滑过渡，快速平稳传动。

在回转控制模块中设置防给定故障功能，保证给定故障时，主令给定产生最大制动转矩，使***迅速制动停车。避免给定故障时***无法产生制动转矩，大惯量***无法迅速停车，导致碰坏大臂的事故发生。

回转是齿轮传动，考虑到减速器齿隙的影响，即考虑在加速时，机械受到的冲击，不只和加减速动态转矩值有关，而且和动态转矩的变化率有关，变化率越大，机械受损害越严重，特别是当机械传动机构存在间隙如齿隙造成的启动和反向机械冲击，回转控制模块转矩环给定前加入较大斜坡和圆弧，设定S形速度启停曲线，使传动机械转速转矩给定不仅是斜坡，而且在斜坡的起始和终结部分是圆角，即要求加速度的变化率受到限制，使启动过程舒缓稳定，避免振荡和冲击。控制加速段速度逐渐增加，避免冲击，减速阶段则速度在最后阶段越来越小，有利于迅速准确停车，满足动态稳定和可靠性要求，防止加减速度过大导致的冲击振动、应力突变、机架变形等一系列问题。

PLC 选用西门子S7-300 系列产品，它将完成逻辑控制与数据处理功能，是整个监控***的核心。监控***采用PROFIBUS DP 现场总线通讯网络控制，各机构控制器、励磁调节器、谐波抑制和无功补偿装置、远程IO单元、上位人机界面分别挂接在PROFIBUS DP 总线上，构成分布式控制网络。CPU 通过PROFIBUS DP 现场总线通讯网络获取司机室操作命令、各机构控制器运行状态和故障信息；通过开关量及计数输入模块获取配电与辅助回路运行状态与故障信息、安全保护与行程限位信息等；经逻辑与数据运算后，通过相同的路径对整个电气***进行控制。采用PROFIBUSDP 现场总线通讯网络控制有以下优点：

（1）信息交换量大、可编程、能够灵活方便地满足各种控制需求；

（2）通过现场调试，可不断地改进和完善控制方式；

（3）12M 的通信速率和完善的校检功能使***实时、可靠、高效；

司机室人机界面触摸屏将对整机的运行状态和故障信息进行综合监控，采用多画面切换形式，实时显示***运行状态，完成故障自诊断功能， 并存储历史状态和报警记录。人机界面利用工控机和西门子HMI监控软件WinCC6.0作为操作界面，通过以太网与***进行数据交换。人机界面触摸屏显示的状态与故障信息主要包括：提升电机分流保护、推压/行走电机分流保护、回转电机分流保护、楼梯限位报警、提升压差保护故障、回转压差保护故障、RPC柜接口板电源故障、辅助柜空气压力开关故障等。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (1)

1.一种数字控制的用于大型矿用挖掘机的三自由度协调控制电力传动***，其特征在于，包括依次相连的人机监视装置、设置有变流传动控制器的PLC控制装置、变流传动装置、保护装置以及司机室控制装置；所述的变流传动装置包括用于给七台电机电枢供电，实现七台电机的四象限工作的四套电机电枢变流装置；用于给七台电机励磁供电的三套电机励磁电流变流装置；用于分别驱动挖掘机两侧履带，实现行走功能并设置有行走减速箱的两台行走电机；用于通过齿轮和齿条驱动斗杆，实现推压动作的并设置有推压减速箱的推压电机；用于驱动钢缆卷筒完成铲斗提升和下放作业的并分别设置有提升和下放减速箱的两台相互并联的提升电机；用于共同驱动转盘齿轮，实现回转功能并设置有回转减速箱的两台回转电机，所述两台回转电机的电枢串联并通过调速器一控制，两台回转电机的励磁串联，并通过励磁调节装置一控制，所述的两台提升电机的电枢串联，通过调速器二以及调速器三控制，两台提升电机的励磁串联，通过励磁调节装置二控制，两台行走电机的电枢分别由调速器二以及调速器四控制，两台行走电机的励磁串联，由励磁调节装置三控制，推压电机的电枢控制由调速器二控制，所述的推压电机励磁由励磁调节装置三控制；

所述的变流传动控制器包括：

四套基于晶闸管逻辑无环流四象限直流电力传动变流主回路及其驱动装置，用于驱动电机电枢；

三套励磁调节器，用于电机励磁调节；

一个挖掘特性控制模块，用于实现和优化挖土机特性；

一个提升、推压、回转机构三自由度协调控制模块，用于对提升、推压、回转三台驱动装置转速、转矩给定和限幅，实现三自由度的运动行程，并保护传动机械不过载而损坏；

两个提升电机转速转矩调节控制模块，用于实现提升电机的转速转矩双闭环调节，和钢缆应力控制；

一个提升电机负荷分配控制模块，用于保证两台提升电机出力均衡，并且实现***冗余;

一个推压电机转速转矩调节控制模块，用于实现推压电机的转速转矩双闭环调节，和减小传动机械应力冲击和推压力引起的振动；

一个推压限位保护装置，用于以检测斗杆行程及推压限位保护；

一个回转电机转速转矩调节控制模块，用于实现回转电机的转速转矩调节和控制结构切换、减小传动机械应力冲击、并使制动时快速平稳、实现对给定丢失时的保护；

一个行走电机转速转矩调节控制模块，用于控制左行走和右行走电机转动，并实现两电机平稳行走；

一套静态谐波抑制和无功补偿装置和一套动态晶闸管投切电容器装置，用于提高***功率因数和减小对电网的谐波污染；

四套针对晶闸管逻辑无环流四象限直流电力传动***的可恢复综合保护装置，用于保护变流器主回路和电机；

一套***可编程控制器逻辑控制和监控装置，用于***运行状态采集、逻辑控制、给定指令、故障诊断、电能计量及与上位人机界面的通信。

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