CN111564992A - 一种多电机连接的控制装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多电机连接的控制装置及方法，包括如下步骤：将主变频器的转矩给定设为速度环PI控制，将从变频器的转矩给定设为DP通讯给定，通过控制***设定电机转速给定值；控制***根据主变频器估算的主电机估计转速和从变频器估算的从电机估计转速计算电机转速平均值，控制***将电机转速给定值和电机转速平均值分别发送给主变频器的开环矢量速度控制***和从变频器的开环矢量转矩控制***；开环矢量速度控制***对主变频器的输出转矩调节，开环矢量转矩控制***对从变频器的输出转矩调节；从变频器的输出转矩对从电机的转速进行调整，主变频器的输出转矩对主电机的转速进行调整。本发明实现了刀盘驱动控制***的速度稳定。
Description
技术领域
本发明属于盾构隧道掘进机刀盘变频驱动控制技术领域，具体涉及一种多电机连接的控制装置及方法。
背景技术
盾构掘进机刀盘变频驱动***的特点是由多个变频器一对一的方式驱动多台电机，然后通过各自的减速器和齿轮与刀盘的齿圈刚性连接在一起，对前进方向上的地层进行切削。
当盾构掘进机工作时，要求所有电机输出的转矩和电流平衡。目前国内外刀盘驱动***的控制多采用主从控制或滑差控制，在负载稳定时能够达到较好的效果。但是由于各个电机、齿轮传动***的差异，特别是小齿轮与大齿圈间啮合间隙的差异会造成扭振，或者由于软土质，都会引起驱动轴扭矩分配不均衡。特别是在主从控制***中，这种扭振是无阻尼的不衰减振荡***，会长期导致部分驱动轴承受的扭矩过大，导致变频器频繁故障，影响盾构掘进施工的进行。
发明内容
针对现有刀盘驱动***的驱动轴扭矩分配不均易导致变频器故障的问题，本发明提出了一种多电机连接的控制装置及方法，解决了齿轮啮合间隙引起的扭振问题，实现了刀盘驱动控制***的速度稳定和所有电机的负载均衡。
为解决以上技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种多电机连接的控制方法，包括以下步骤：
S1，通过主操作面板将主变频器的转矩给定设定为速度环PI控制，通过从操作面板将从变频器的转矩给定设定为DP通讯给定，通过控制***设定电机转速给定值；
S2，控制***根据主变频器所估算的主电机估计转速和从变频器所估算的从电机估计转速计算电机转速平均值，同时控制***将电机转速给定值和电机转速平均值分别发送给到主变频器的开环矢量速度控制***和从变频器的开环矢量转矩控制***；
S3，开环矢量速度控制***根据电机转速给定值和主变频器所估算的主电机估计转速对主变频器的输出转矩进行调节，开环矢量转矩控制***根据电机转速平均值和从变频器所估算的从电机估计转速对从变频器的输出转矩进行调节；
S4，从变频器的输出转矩对从电机的转速进行调整，主变频器的输出转矩对主电机的转速进行调整。
在步骤S3中，对主变频器的输出转矩和从变频器的输出转矩进行调节，包括如下步骤：
S3.1，开环矢量速度控制***的速度环PI控制器根据电机转速给定值和主变频器所估算的主电机估计转速，计算速度环PI控制器的输出，之后速度环PI控制器将速度环PI控制器的输出分别发送给到开环矢量速度控制***的主转矩控制器和控制***，控制***通过总线通讯模块将速度环PI控制器的输出发送给到开环矢量转矩控制***的从转矩控制器；
S3.2，开环矢量转矩控制***的扭振抑制控制器根据电机转速平均值和从变频器所估算的从电机估计转速，计算扭振抑制控制器的输出；
S3.3，主转矩控制器根据速度环PI控制器的输出调节主变频器的输出转矩，从转矩控制器根据速度环PI控制器的输出和扭振抑制控制器的输出，计算从转矩控制器的输入进而调节从变频器的输出转矩。
在步骤S3.1中，速度环PI控制器的输入V_err的计算公式为：
V_err＝V_ref-V_est；
式中，V_est表示主变频器所估算的主电机估计转速，V_ref表示电机转速给定值；
速度环PI控制器在T时刻的输出T_ref(T)的计算公式为：
T_ref(T)＝Kp*[V_err(T)+1/Ti∫V_err(t)dt]；
式中，Kp表示速度环PI控制器的比例系数，Ti表示速度环PI控制器的积分系数，V_err(T)表示T时刻速度环PI控制器的输入，∫V_err(t)dt表示从主电机的开启时刻到T时刻速度环PI控制器的输入的积分。
在步骤S3.2中，扭振抑制控制器的输出的计算公式为：
式中，ΔTx表示第x个从变频器的扭振抑制控制器的输出，Kc表示抑制系数，V_AV表示电机转速平均值，ΔTmin表示扭振抑制控制器输出的最小值，ΔTmax表示扭振抑制控制器输出的最大值，Vx_est表示第x个从变频器所估算的从电机估计转速；
所述电机转速平均值V_AV的计算公式为：
式中，V_est表示主变频器所估算的主电机估计转速，m表示从变频器的总数量。
从转矩控制器的输入Tx_ref的计算公式为：
Tx_ref＝T_ref-ΔTx；
式中，T_ref表示速度环PI控制器的输出。
一种多电机连接的控制装置，包括一个主电机和若干个从电机，所述主电机和从电机分别通过各自的传动装置与刀盘的齿圈相连接，所述主电机通过采用开环矢量速度控制***的主变频器与总线通讯模块相连接，从电机通过采用开环矢量转矩控制***的从变频器与总线通讯模块相连接，且从电机与从变频器一一对应；所述总线通讯模块与负责数据处理和交换的控制***相连接。
所述开环矢量速度控制***包括速度环PI控制器和主转矩控制器，开环矢量转矩控制***包括扭振抑制控制器和从转矩控制器，且速度环PI控制器的输出端和主转矩控制器的输入端相连接，扭振抑制控制器的输出端和从转矩控制器的输入端相连接；速度环PI控制器的输入端和扭振抑制控制器的输入端分别通过总线通讯模块与控制***连接，速度环PI控制器的输出端与从转矩控制器的输入端相连接，主转矩控制器的输出端与主电机相连接，从转矩控制器的输出端与从电机对应连接。
所述总线通讯模块包括DP卡和DP模块，所述主变频器和从变频器分别与DP卡对应连接，且DP卡通过DP模块与控制***相连接。
本发明的有益效果：
本发明能够解决盾构刀盘驱动***中由于齿轮与刀盘的齿圈之间啮合间隙的差异造成的扭振问题，或由于软土质引起驱动轴扭矩分配不均衡等的问题，通过开环矢量转矩控制***和开环矢量速度控制***对从变频器和主变频的输出转矩进行调节，进而根据输出转矩调节从电机和主电机的转速，确保了刀盘驱动控制***的速度稳定和所有电机的负载均衡，同时还可以降低变频器的故障率，保证了盾构掘进机的工作效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的控制原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：一种多电机连接的控制装置，如图1所示，包括一个主电机和若干个从电机，所述主电机和从电机分别通过各自的传动装置与刀盘的齿圈相连接，刀盘与齿圈所对应的转轴相连接，通过齿圈的转动进而驱动刀盘的转动；所述传动装置包括减速器，主电机和从电机分别通过各自的减速器与对应的齿轮相连接，所有的齿轮均与齿圈相啮合，通过齿轮的转动驱动齿圈的转动；主电机和从电机均为动力装置，主电机和从电机沿同一方向转动，主电机和从电机的转动轴通过减速器驱动齿轮的转动，从而带动齿圈的转动；所述主电机通过采用开环矢量速度控制***的主变频器与总线通讯模块相连接，主变频器可以实时监测并估算主电机的转速，此为现有技术不再赘述，从电机通过采用开环矢量转矩控制***的从变频器与总线通讯模块相连接，且从电机与从变频器一一对应，从电机的数量与从变频器的数量相一致，即一个从电机与一个从变频器相连接，所有的从变频器之间并无直接的电气连接，从变频器用于对每个从电机的转速进行监控并估算；所述总线通讯模块与负责数据处理和交换的控制***相连接，通过控制***可以设定电机转速给定值，控制***通过总线通讯模块接收主电机和从电机的估算转速，并对数据进行处理，之后控制***再根据转速给定值和估算速度对从电机的转速进行调整，以使从电机的转速与主电机的转速保持一致。本实施例采用了开环矢量速度控制和开环矢量转矩控制，若安装闭环矢量控制，在盾构机应用场合下会造成***复杂，可靠性降低。
所述开环矢量速度控制***包括速度环PI控制器和主转矩控制器，开环矢量转矩控制***包括扭振抑制控制器和从转矩控制器，且速度环PI控制器的输出端和主转矩控制器的输入端相连接，扭振抑制控制器的输出端和从转矩控制器的输入端相连接；速度环PI控制器的输入端和扭振抑制控制器的输入端分别通过总线通讯模块与控制***连接，速度环PI控制器的输出端与从转矩控制器的输入端相连接，主转矩控制器的输出端与主电机相连接，从转矩控制器的输出端与从电机对应连接，以通过从转矩控制器对所对应的从电机进行控制。控制***将转速给定值和主变频器所估算的主电机的转速发送给到速度环PI控制器的输入端，速度环PI控制器输出的数据同步传送给到主转矩控制器和从转矩控制器，主转矩控制器和从转矩控制器可以分别对主变频器和从变频器的输出扭矩进行控制，进而控制主电机和从电机的转速。
所述总线通讯模块包括DP卡和DP模块，所述主变频器和从变频器分别与DP卡对应连接，且DP卡通过DP模块与控制***相连接。控制***与主变频器和从变频器之间的数据传输通过PROFIBUS-DP通讯协议的格式进行交互。
本实施例中，所述从电机的数量为七个，一个主变频器和七个从变频器之间并无直接的电气连接关系，所有数据的交换均通过控制***来完成，方便了整个***的电气布局和走线。控制***是刀盘变频驱动***的电控核心器件，可以采用PLC，PLC接收外部指令进行逻辑处理后再发送给到主变频器和从变频器，以控制它们的启动、停止、正反转、转矩给定、速度给定等；同时接收主变频器和从变频器的状态数据，如运行状态、估算的速度、电磁转矩、故障警告信息等。主变频器和从变频器上都配置有操作面板，可对变频器参数进行修改并监控变频器电流、转矩、转速等数据。
实施例2：一种多电机连接的控制方法，如图2所示，包括如下步骤：
S1，通过主操作面板将主变频器的转矩给定设定为速度环PI控制，通过从操作面板将从变频器的转矩给定设定为DP通讯给定，通过控制***设定电机转速给定值；
将主变频器的转矩给定设定为速度环PI控制，用于响应控制***设定的电机转速给定；主变频器和从变频器与控制***之间的数据均通过DP通讯传输，方便通过控制***根据主变频器所连接的主电机对从变频器所连接的从电机进行转矩调节，以确保电机转动一致。
S2，控制***根据主变频器所估算的主电机估计转速和从变频器所估算的从电机估计转速计算电机转速平均值，同时控制***将电机转速给定值和电机转速平均值分别发送给到主变频器的开环矢量速度控制***和从变频器的开环矢量转矩控制***；
所述电机转速平均值V_AV的计算公式为：
式中，V_est表示主变频器所估算的主电机估计转速，Vx_est表示第x个从变频器所估算的从电机估计转速，m表示从变频器的总数量。
S3，开环矢量速度控制***根据电机转速给定值和主变频器所估算的主电机估计转速对主变频器的输出转矩进行调节，开环矢量转矩控制***根据电机转速平均值和从变频器所估算的从电机估计转速对从变频器的输出转矩进行调节；
所述开环矢量速度控制***包括速度环PI控制器和主转矩控制器，开环矢量转矩控制***包括扭振抑制控制器和从转矩控制器，且速度环PI控制器的输出端和主转矩控制器的输入端相连接，扭振抑制控制器的输出端和从转矩控制器的输入端相连接；速度环PI控制器的输入端和扭振抑制控制器的输入端分别通过总线通讯模块与控制***连接，速度环PI控制器的输出端与从转矩控制器的输入端相连接，主转矩控制器的输出端与主电机相连接，从转矩控制器的输出端与从电机对应连接。
所述对主变频器的输出转矩和从变频器的输出转矩进行调节，包括如下步骤：
S3.1，速度环PI控制器根据电机转速给定值和主变频器所估算的主电机估计转速，计算速度环PI控制器的输出，之后速度环PI控制器将速度环PI控制器的输出分别发送给到主转矩控制器和控制***，控制***通过总线通讯模块将速度环PI控制器的输出发送给到从转矩控制器；
首先根据负反馈原理计算速度环PI控制器的输入，速度环PI控制器的输入V_err的计算公式为：
V_err＝V_ref-V_est；
式中，V_ref表示电机转速给定值；
速度环PI控制器在T时刻的输出T_ref(T)的计算公式为：
T_ref(T)＝Kp*[V_err(T)+1/Ti∫V_err(t)dt]；
式中，Kp表示速度环PI控制器的比例系数，Ti表示速度环PI控制器的积分系数，V_err(T)表示T时刻速度环PI控制器的输入，∫V_err(t)dt表示从主电机的开启时刻到T时刻速度环PI控制器的输入的积分；
以上速度环PI控制器的控制原理为根据电机转速给定值与主电机估计转速构成控制偏差，将控制偏差的比例和积分通过线性组合构成输出T_ref，作为控制量，基于控制量再对主变频器进行转矩控制可以缩小电机转速给定值与主电机估计转速之间的差值。
S3.2，扭振抑制控制器根据电机转速平均值和从变频器所估算的从电机估计转速，计算扭振抑制控制器的输出；
首先根据负反馈原理计算扭振抑制控制器的输入，扭振抑制控制器的输入的计算公式为：
Vx_err＝V_AV-Vx_est；
式中，Vx_err表示第x个从变频器的扭振抑制控制器的输入，V_AV表示电机转速平均值，Vx_est表示第x个从变频器所估算的从电机估计转速；
扭振抑制控制器的输出的计算公式为：
式中，ΔTx表示第x个从变频器的扭振抑制控制器的输出，Kc表示抑制系数，可以通过操作面板进行修改，ΔTmin表示扭振抑制控制器输出的最小值，ΔTmax表示扭振抑制控制器输出的最大值；
本实施例中，ΔTmin和ΔTmax这两个值以百分比的形式输出，如果为100％时对应于电机额定转矩，两个数值可通过操作面板修改。
S3.3，主转矩控制器根据速度环PI控制器的输出调节主变频器的输出转矩，从转矩控制器根据速度环PI控制器的输出和扭振抑制控制器的输出，计算从转矩控制器的输入进而调节从变频器的输出转矩；
从转矩控制的输入Tx_ref的计算公式为：
Tx_ref＝T_ref-ΔTx；
式中，T_ref表示速度环PI控制的输出；
主转矩控制器和从转矩控制器均为现有的公开的控制技术，可以使主变频器和从变频器的输出转矩跟随所述给定的输入转矩而变化，同时逆变器对控制***的电流进行调整确保转矩信号的传输，开环矢量转矩控制***对从变频器的输出转矩进行补偿调节，可以保证主变频器和从变频器的输出扭矩均衡。
S4，从变频器的输出转矩对从电机的转速进行调整，主变频器的输出转矩对主电机的转速进行调整，以使主电机和从电机的转速相同，且均与电机转速给定值保持一致；
本实施例的结构同实施例1相同，如图2所示，主电机为M1，对应的逆变器为INV1，从电机分别为M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8共七个。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种多电机连接的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，通过主操作面板将主变频器的转矩给定设定为速度环PI控制，通过从操作面板将从变频器的转矩给定设定为DP通讯给定，通过控制***设定电机转速给定值；
S2，控制***根据主变频器所估算的主电机估计转速和从变频器所估算的从电机估计转速计算电机转速平均值，同时控制***将电机转速给定值和电机转速平均值分别发送给到主变频器的开环矢量速度控制***和从变频器的开环矢量转矩控制***；
S3，开环矢量速度控制***根据电机转速给定值和主变频器所估算的主电机估计转速对主变频器的输出转矩进行调节，开环矢量转矩控制***根据电机转速平均值和从变频器所估算的从电机估计转速对从变频器的输出转矩进行调节；
S4，从变频器的输出转矩对从电机的转速进行调整，主变频器的输出转矩对主电机的转速进行调整。
2.根据权利要求1所述的多电机连接的控制方法，其特征在于，在步骤S3中，对主变频器的输出转矩和从变频器的输出转矩进行调节，包括如下步骤：
S3.1，开环矢量速度控制***的速度环PI控制器根据电机转速给定值和主变频器所估算的主电机估计转速，计算速度环PI控制器的输出，之后速度环PI控制器将速度环PI控制器的输出分别发送给到开环矢量速度控制***的主转矩控制器和控制***，控制***通过总线通讯模块将速度环PI控制器的输出发送给到开环矢量转矩控制***的从转矩控制器；
S3.2，开环矢量转矩控制***的扭振抑制控制器根据电机转速平均值和从变频器所估算的从电机估计转速，计算扭振抑制控制器的输出；
S3.3，主转矩控制器根据速度环PI控制器的输出调节主变频器的输出转矩，从转矩控制器根据速度环PI控制器的输出和扭振抑制控制器的输出，计算从转矩控制器的输入进而调节从变频器的输出转矩。
3.根据权利要求2所述的多电机连接的控制方法，其特征在于，在步骤S3.1中，速度环PI控制器的输入V_err的计算公式为：
V_err＝V_ref-V_est；
式中，V_est表示主变频器所估算的主电机估计转速，V_ref表示电机转速给定值；
速度环PI控制器在T时刻的输出T_ref(T)的计算公式为：
T_ref(T)＝Kp*[V_err(T)+1/Ti∫V_err(t)dt]；
式中，Kp表示速度环PI控制器的比例系数，Ti表示速度环PI控制器的积分系数，V_err(T)表示T时刻速度环PI控制器的输入，∫V_err(t)dt表示从主电机的开启时刻到T时刻速度环PI控制器的输入的积分。
4.根据权利要求2或3所述的多电机连接的控制方法，其特征在于，在步骤S3.2中，扭振抑制控制器的输出的计算公式为：
式中，ΔTx表示第x个从变频器的扭振抑制控制器的输出，Kc表示抑制系数，V_AV表示电机转速平均值，ΔTmin表示扭振抑制控制器输出的最小值，ΔTmax表示扭振抑制控制器输出的最大值，Vx_est表示第x个从变频器所估算的从电机估计转速；
所述电机转速平均值V_AV的计算公式为：
式中，V_est表示主变频器所估算的主电机估计转速，m表示从变频器的总数量。
5.根据权利要求4所述的多电机连接的控制方法，其特征在于，从转矩控制器的输入Tx_ref的计算公式为：
Tx_ref＝T_ref-ΔTx；
式中，T_ref表示速度环PI控制器的输出。
6.一种多电机连接的控制装置，包括一个主电机和若干个从电机，所述主电机和从电机分别通过各自的传动装置与刀盘的齿圈相连接，其特征在于，所述主电机通过采用开环矢量速度控制***的主变频器与总线通讯模块相连接，从电机通过采用开环矢量转矩控制***的从变频器与总线通讯模块相连接，且从电机与从变频器一一对应；所述总线通讯模块与负责数据处理和交换的控制***相连接。
7.根据权利要求6所述的多电机连接的控制装置，其特征在于，所述开环矢量速度控制***包括速度环PI控制器和主转矩控制器，开环矢量转矩控制***包括扭振抑制控制器和从转矩控制器，且速度环PI控制器的输出端和主转矩控制器的输入端相连接，扭振抑制控制器的输出端和从转矩控制器的输入端相连接；速度环PI控制器的输入端和扭振抑制控制器的输入端分别通过总线通讯模块与控制***连接，速度环PI控制器的输出端与从转矩控制器的输入端相连接，主转矩控制器的输出端与主电机相连接，从转矩控制器的输出端与从电机对应连接。
8.根据权利要求6或7所述的多电机连接的控制装置，其特征在于，所述总线通讯模块包括DP卡和DP模块，所述主变频器和从变频器分别与DP卡对应连接，且DP卡通过DP模块与控制***相连接。
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