CN117650722B - 一种永磁外转子驱动提升机平稳悬停控制***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁外转子驱动提升机平稳悬停控制***及方法，该***包括设有转子和定子的提升机、液压装置、电气装置以及监测装置；该方法为当提升机准备悬停时，先启动停机平衡控制模式，根据停机前提升机的动力学特性计算转子平衡位置，再启动零速抑振模式，防止停机过程中的持续振动；当提升机停机后再启动时，先启动再平衡控制模式，使转子重新平衡，再启动超前电流控制模式，防止再启动时溜车；其能够有效地控制矿井提升机实现平稳悬停。

Description

一种永磁外转子驱动提升机平稳悬停控制***及方法

技术领域

本发明涉及矿井提升机控制技术领域，具体涉及一种永磁外转子驱动提升机平稳悬停控制***。

背景技术

矿井提升机主要承担着物料、设备及人员的运输任务，是井下生产***与地面工业广场相连接的枢纽。提升机停机时是通过抱闸制动设备使吊桶保持静止不动，以保证物料装卸和人员作业。

提升机停机前，提升机应平稳悬停后再抱闸，以降低闸瓦磨损，提高制动器寿命。同时，随着我国井工煤矿的开采深度不断增加，钢丝绳的柔性特征越发明显，为保障人员作业安全，还需要在停机前对提升***进行抑振。由于停机过程中的负载变动，提升机启动前需要重新评估负载重量，提前调控电流大小，避免松闸过程中出现溜车或过冲，实现平稳启动。

实现悬停控制的传统方法包括直流电流制动法和零速悬停法。前者通过直流电流建立静止磁场实现电机悬停，但其抗冲击能力较差，钢丝绳振动较为剧烈时仅依靠该种方法会导致提升机持续摇摆且摆角较大。后者通过监测提升机转速为零的时刻进行抱闸，极大的避免了闸瓦磨损，但钢丝绳的振动能量并未消除，电机也并未在平衡位置处悬停，停机过程中钢丝绳持续抖动，再启动时易引发溜车现象。

如公开号为ZL 104129691 B的中国专利一种矿井提升机悬停控制装置及悬停控制方法，考虑提升机自身的旋转阻尼，利用非线性悬停控制器，使提升机在停车过程中***收敛速度更快、速度控制性能更好，但是该方案并未考虑停机后再启动过程中的提升机平稳控制。

如公开号为CN115065277 A的中国专利一种高压永磁直驱式提升机平稳悬停的控制方法，仅通过控制电机来实现提升机的悬停，由于停机过程中制动器未参与抱闸，因此在其实施例中，提升机停机装卸载时依然存在20°以上的角度波动。以上方法均难以有效地控制矿井提升机实现平稳悬停。

发明内容

针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种永磁外转子驱动提升机平稳悬停控制***，其能够有效地控制矿井提升机实现平稳悬停。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明提供一种永磁外转子驱动提升机平稳悬停控制***，包括提升机1、液压装置、电气装置以及监测装置；其特征在于，

所述液压装置包括泵站、制动油缸、换向阀、比例减压阀；所述换向阀的P口与泵站的压力油口连接，所述换向阀的A口与比例减压阀的P口连接，所述换向阀的B口和T口和油箱连接；所述比例减压阀的A口与制动油缸的油口相连，所述比例减压阀的T口和油箱连接；所述制动油缸与提升机的制动块刚性连接并控制其制动器松闸与抱闸；

所述电气装置包括变压器、变频器以及通断开关，所述变频器为交-直-交变频器；所述通断开关默认闭合并且其一端连接变频器，一端连接提升机的定子绕组；所述变频器通过变压器连接三相交流电源；

所述监测装置包括编码器、用于检测制动油缸行程的位置传感器以及压力传感器；所述编码器与提升机的转子之间刚性连接；所述压力传感器安装在制动油缸的油口处；

所述换向阀、比例减压阀、压力传感器、位置传感器、编码器、变频器分别电性连接控制***里的控制器。

优选地，所述位置传感器为磁致伸缩式位移传感器，安装在制动油缸内部。

本发明还提供一种永磁外转子驱动提升机平稳悬停控制***的控制方法，包括停机平衡控制模式、零速抑振模式、再平衡控制模式以及超前电流控制模式；

当提升机准备悬停时，先启动停机平衡控制模式，根据停机前提升机的动力学特性计算转子平衡位置，再启动零速抑振模式，防止停机过程中的持续振动；当提升机停机后再启动时，先启动再平衡控制模式，使转子重新平衡，再启动超前电流控制模式，防止再启动时溜车。

优选地，所述停机平衡控制模式的具体控制过程如下：

S41、获取提升机停机前的定子电流与转子加速度的关系，利用动力学方程计算当前提升容器重量；所述提升容器重量满足如下方程：

K₀λ_Zλ_Dsin△α＝mR(g+a_ωR)+J_Za_ω

其中，m为提升容器重量；g为重力加速度；R为钢丝绳缠绕半径；K₀为比例系数，与永磁体极对数和漏磁特性相关；λ_Z为转子磁链大小，为常数；λ_D为当前定子磁链大小，由定子的三相电流经过dq坐标变换后计算得到；J_Z为转子的转动惯量；a_ω为提升机转子的旋转加速度；△α为当前转子磁链角度α_Z与定子磁链角度α_D的差值；

S42、通过变频器提前对转子进行减速，待降至最低运行速度后，T0时刻发出停机信号，记录此时定子磁链角度为α_D0，各绕组电流为I_A0、I_B0、I_C0，各绕组电压相位角γ_A0、γ_B0、γ_C0；

S43、变频器对定子进行低压直流供电，调节各相电压，令各绕组电流状态与T0时刻相同，使定子磁链达到稳定状态；

S44、计算平稳悬停时的磁链角度差△α₀；令△α₀满足如下方程：

mgR＝K₀λ_Zλ_D0sin△α₀

其中，λ_D0为T0时刻的定子磁链大小；

S45、利用PI调节和dq坐标变换，控制变频器的输出电压，使转子磁链角度α_Z0满足如下关系，保证在此转角范围内有且仅有一个平衡位置；

其中，n_p为转子的永磁体磁极对数。

优选地，所述零速抑振模式的具体控制过程如下：

S51、降低比例减压阀的A口油压，令抱闸过程匀速缓慢进行，T1时刻制动油缸停止位移，记录此刻比例减压阀的A口油压P_T1；

S52、根据编码器获取转子旋转速度ω_Z，控制比例减压阀的A口油压P_A满足如下关系：

P_A＝P_T1-K₁ω_Z

其中，K₁为比例系数，K₁ω_Z的最大值小于0.5P_T1；

S53、当转子磁链角度α_Z满足如下关系时，提升机达到平衡位置，且提升容器不再上下振动；

|mgR-K₀λ_Zλ_Dsin(α_D0-α_Z)|≤T_damp

其中，T_damp为提升机的最大机械阻尼力矩；

S54、换向阀的A口与T口连通，提升机的制动器抱闸，提升机断电，进入停机状态。

优选地，所述再平衡控制模式的具体控制过程如下：

S61、变频器对定子进行直流供电，令各绕组电流状态与T0时刻相同；

S63、令比例减压阀的A口油压与其P口油压相同，制动器松闸，获取转子的旋转加速度a_ω，可得转子磁链再平衡角度α_Z'满足如下关系：

α_Z'＝α_D0-△α'

S63、当转子的磁链角度为α_Z'时，换向阀的A口与T口连通，制动器抱闸。

优选地，所述超前电流控制模式的具体控制过程如下：

S71、变频器进入交流供电状态，频率为最低运行频率f，通断开关断开；

S72、监测变频器输出电压的正弦波控制信号，当A相绕组的电压转角γ_A3满足如下关系时，通断开关闭合，变频器对定子供电；

其中，K₃为比例系数，与线圈的匝数相关；R为任意一绕组的总阻抗；U为任意两绕组间的线电压幅值；

S73、当A相绕组的电压转角为γ_A0时，制动器松闸，提升机变频启动。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明在提升机减速停机过程中，以降低闸瓦磨损和抑制振动为目标，根据动力学特性提前获取平衡位置，先通过变频器减速，再利用传统的PI控制方法降低摆动幅度，最后利用制动器耗散振动能量，使提升机平稳快速悬停。

(2)本发明在提升机从停机状态再启动的过程中，以防止溜车为目标，考虑提升机负载变化，先根据动力学特性获取新平衡位置，并在新平衡位置处提前对提升机通电，保证闸瓦松开瞬间的转矩平衡，实现提升机速度从0开始的平稳启动。

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为本发明实施例提供的一种永磁外转子驱动提升机平稳悬停控制***的控制方法流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种永磁外转子驱动提升机平稳悬停控制***的连接关系示意图。

附图标记说明：

1-提升机，21-泵站，22-制动油缸，23-换向阀，24-比例减压阀，31-变压器，32-变频器，33-通断开关，41-编码器，42-位置传感器，43-压力传感器。

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做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。

如图2所示，本发明提供一种永磁外转子驱动提升机平稳悬停控制***，包括设有转子和定子的提升机1、液压装置、电气装置以及监测装置；其特征在于，本实施例提升机1选用公开号为CN111470440A的中国专利一种永磁电机内置式矿用隔爆提升设备里公开的提升机。

所述液压装置包括泵站21、制动油缸22、换向阀23、比例减压阀24；所述换向阀23的P口与泵站21的压力油口连接，所述换向阀23的A口与比例减压阀24的P口连接，所述换向阀23的B口和T口和油箱连接；所述比例减压阀24的A口与制动油缸22的油口相连，所述比例减压阀24的T口和油箱连接；所述制动油缸22与提升机1的制动块刚性连接并控制其制动器松闸与抱闸；

所述电气装置包括变压器31、变频器32以及通断开关33，所述变频器32为交-直-交变频器；所述通断开关33默认闭合并且其一端连接变频器32，一端连接提升机1的定子绕组；所述变频器32通过变压器31连接三相交流电源；

所述监测装置包括编码器41、位置传感器42以及压力传感器43；所述编码器41与提升机1的转子之间刚性连接；安装在制动油缸22内部；所述压力传感器43安装在制动油缸22的油口处；

所述换向阀23、比例减压阀24、压力传感器43、位置传感器42、编码器41、变频器32分别电性连接控制***里的控制器并受其控制。

所述位置传感器42为磁致伸缩式位移传感器。

如图1所示，本发明还提供一种永磁外转子驱动提升机平稳悬停控制***的控制方法，包括停机平衡控制模式、零速抑振模式、再平衡控制模式以及超前电流控制模式；

当提升机准备悬停时，先启动停机平衡控制模式，根据停机前提升机的动力学特性计算转子平衡位置，再启动零速抑振模式，防止停机过程中的持续振动；当提升机停机后再启动时，先启动再平衡控制模式，使转子重新平衡，再启动超前电流控制模式，防止再启动时溜车。

所述停机平衡控制模式的具体控制过程如下：

S41、获取提升机停机前的定子电流与转子加速度的关系，利用动力学方程计算当前提升容器重量；所述提升容器重量满足如下方程：

K₀λ_Zλ_Dsin△α＝mR(g+a_ωR)+J_Za_ω

其中，m为提升容器重量；g为重力加速度；R为钢丝绳缠绕半径；K₀为比例系数，与永磁体极对数和漏磁特性相关；λ_Z为转子磁链大小，为常数；λ_D为当前定子磁链大小，由定子的三相电流经过dq坐标变换后计算得到；J_Z为转子的转动惯量；a_ω为提升机转子的旋转加速度；△α为当前转子磁链角度α_Z与定子磁链角度α_D的差值；

S42、通过变频器32提前对转子进行减速，待降至最低运行速度后，T0时刻发出停机信号，记录此时定子磁链角度为α_D0，各绕组电流为I_A0、I_B0、I_C0，各绕组电压相位角γ_A0、γ_B0、γ_C0；

S43、变频器32对定子进行低压直流供电，调节各相电压，令各绕组电流状态与T0时刻相同，使定子磁链达到稳定状态；

S44、计算平稳悬停时的磁链角度差△α₀；令△α₀满足如下方程：

mgR＝K₀λ_Zλ_D0sin△α₀

其中，λ_D0为T0时刻的定子磁链大小；

S45、利用PI调节和dq坐标变换，控制变频器32的输出电压，使转子磁链角度α_Z0满足如下关系，保证在此转角范围内有且仅有一个平衡位置；

其中，n_p为转子的永磁体磁极对数。

所述零速抑振模式的具体控制过程如下：

S51、降低比例减压阀24的A口油压，令抱闸过程匀速缓慢进行，T1时刻制动油缸22停止位移，记录此刻比例减压阀24的A口油压P_T1；

S52、根据编码器41获取转子旋转速度ω_Z，控制比例减压阀24的A口油压P_A满足如下关系：

P_A＝P_T1-K₁ω_Z

其中，K₁为比例系数，K₁ω_Z的最大值小于0.5P_T1；

S53、当转子磁链角度α_Z满足如下关系时，提升机达到平衡位置，且提升容器不再上下振动；

|mgR-K₀λ_Zλ_Dsin(α_D0-α_Z)|≤T_damp

其中，T_damp为提升机的最大机械阻尼力矩；

S54、换向阀23的A口与T口连通，提升机1的制动器抱闸，提升机断电，进入停机状态。

所述再平衡控制模式的具体控制过程如下：

S61、变频器32对定子进行直流供电，令各绕组电流状态与T0时刻相同；

S63、令比例减压阀24的A口油压与其P口油压相同，制动器松闸，获取转子的旋转加速度a_ω，可得转子磁链再平衡角度α_Z'满足如下关系：

α_Z'＝α_D0-△α'

S63、当转子的磁链角度为α_Z'时，换向阀23的A口与T口连通，制动器抱闸。

所述超前电流控制模式的具体控制过程如下：

S71、变频器32进入交流供电状态，频率为最低运行频率f，通断开关33断开；

S72、监测变频器32输出电压的正弦波控制信号，当A相绕组的电压转角γ_A3满足如下关系时，通断开关闭合，变频器32对定子供电；

其中，K₃为比例系数，与线圈的匝数相关；R为任意一绕组的总阻抗；U为任意两绕组间的线电压幅值；

S73、当A相绕组的电压转角为γ_A0时，制动器松闸，提升机变频启动。

本发明在提升机减速停机过程中，以降低闸瓦磨损和抑制振动为目标，根据动力学特性提前获取平衡位置，先通过变频器减速，再利用传统的PI控制方法降低摆动幅度，最后利用制动器耗散振动能量，使提升机平稳快速悬停。

本发明在提升机从停机状态再启动的过程中，以防止溜车为目标，考虑提升机负载变化，先根据动力学特性获取新平衡位置，并在新平衡位置处提前对提升机通电，保证闸瓦松开瞬间的转矩平衡，实现提升机速度从0开始的平稳启动。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种永磁外转子驱动提升机平稳悬停控制***，包括提升机(1)、液压装置、电气装置以及监测装置；其特征在于，

所述液压装置包括泵站(21)、制动油缸(22)、换向阀(23)、比例减压阀(24)；所述换向阀(23)的P口与泵站(21)的压力油口连接，所述换向阀(23)的A口与比例减压阀(24)的P口连接，所述换向阀(23)的B口和T口和油箱连接；所述比例减压阀(24)的A口与制动油缸(22)的油口相连，所述比例减压阀(24)的T口和油箱连接；所述制动油缸(22)与提升机(1)的制动块刚性连接并控制其制动器松闸与抱闸；

所述电气装置包括变压器(31)、变频器(32)以及通断开关(33)，所述变频器(32)为交-直-交变频器；所述通断开关(33)默认闭合并且其一端连接变频器(32)，一端连接提升机(1)的定子绕组；所述变频器(32)通过变压器(31)连接三相交流电源；

所述监测装置包括编码器(41)、用于检测制动油缸(22)行程的位置传感器(42)以及压力传感器(43)；所述编码器(41)与提升机(1)的转子之间刚性连接；所述压力传感器(43)安装在制动油缸(22)的油口处；

所述换向阀(23)、比例减压阀(24)、压力传感器(43)、位置传感器(42)、编码器(41)、变频器(32)分别电性连接控制***里的控制器。

2.如权利要求1所述的一种永磁外转子驱动提升机平稳悬停控制***，其特征在于，所述位置传感器(42)为磁致伸缩式位移传感器，安装在制动油缸(22)内部。

3.一种如权利要求2所述的永磁外转子驱动提升机平稳悬停控制***的控制方法，其特征在于，包括停机平衡控制模式、零速抑振模式、再平衡控制模式以及超前电流控制模式；

当提升机(1)准备悬停时，先启动停机平衡控制模式，根据停机前提升机(1)的动力学特性计算转子平衡位置，再启动零速抑振模式，防止停机过程中的持续振动；当提升机(1)停机后再启动时，先启动再平衡控制模式，使转子重新平衡，再启动超前电流控制模式，防止再启动时溜车。

4.如权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述停机平衡控制模式的具体控制过程如下：

S41、获取提升机(1)停机前的定子电流与转子加速度的关系，利用动力学方程计算当前提升容器重量；所述提升容器重量满足如下方程：

K₀λ_Zλ_Dsin△α＝mR(g+a_ωR)+J_Za_ω

其中，m为提升容器重量；g为重力加速度；R为钢丝绳缠绕半径；K₀为比例系数，与永磁体极对数和漏磁特性相关；λ_Z为转子磁链大小，为常数；λ_D为当前定子磁链大小，由定子的三相电流经过dq坐标变换后计算得到；J_Z为转子的转动惯量；a_ω为提升机转子的旋转加速度；△α为当前转子磁链角度α_Z与定子磁链角度α_D的差值；

S42、通过变频器(32)提前对转子进行减速，待降至最低运行速度后，T0时刻发出停机信号，记录此时定子磁链角度为α_D0，各绕组电流为I_A0、I_B0、I_C0，各绕组电压相位角γ_A0、γ_B0、γ_C0；

S43、变频器(32)对定子进行低压直流供电，调节各相电压，令各绕组电流状态与T0时刻相同，使定子磁链达到稳定状态；

S44、计算平稳悬停时的磁链角度差△α₀；令△α₀满足如下方程：

mgR＝K₀λ_Zλ_D0sin△α₀

其中，λ_D0为T0时刻的定子磁链大小；

S45、利用PI调节和dq坐标变换，控制变频器(32)的输出电压，使转子磁链角度α_Z0满足如下关系，保证在此转角范围内有且仅有一个平衡位置；

其中，n_p为转子的永磁体磁极对数。

5.如权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述零速抑振模式的具体控制过程如下：

S51、降低比例减压阀(24)的A口油压，令抱闸过程匀速缓慢进行，T1时刻制动油缸(22)停止位移，记录此刻比例减压阀(24)的A口油压P_T1；

S52、根据编码器(41)获取转子旋转速度ω_Z，控制比例减压阀(24)的A口油压P_A满足如下关系：

P_A＝P_T1-K₁ω_Z

其中，K₁为比例系数，K₁ω_Z的最大值小于0.5P_T1；

S53、当转子磁链角度α_Z满足如下关系时，提升机(1)达到平衡位置，且提升容器不再上下振动；

|mgR-K₀λ_Zλ_Dsin(α_D0-α_Z)|≤T_damp

其中，T_damp为提升机(1)的最大机械阻尼力矩；

S54、换向阀(23)的A口与T口连通，提升机(1)的制动器抱闸，提升机(1)断电，进入停机状态。

6.如权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述再平衡控制模式的具体控制过程如下：

S61、变频器(32)对定子进行直流供电，令各绕组电流状态与T0时刻相同；

S63、令比例减压阀(24)的A口油压与其P口油压相同，制动器松闸，获取转子的旋转加速度a_ω，可得转子磁链再平衡角度α_Z'满足如下关系：

α_Z'＝α_D0-△α'

S63、当转子的磁链角度为α_Z'时，换向阀(23)的A口与T口连通，制动器抱闸。

7.如权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述超前电流控制模式的具体控制过程如下：

S71、变频器(32)进入交流供电状态，频率为最低运行频率f，通断开关(33)断开；

S72、监测变频器(32)输出电压的正弦波控制信号，当A相绕组的电压转角γ_A3满足如下关系时，通断开关闭合，变频器(32)对定子供电；

其中，K₃为比例系数，与线圈的匝数相关；R为任意一绕组的总阻抗；U为任意两绕组间的线电压幅值；

S73、当A相绕组的电压转角为γ_A0时，制动器松闸，提升机(1)变频启动。