基于伺服控制策略的带式输送机永磁直驱控制技术

倪少军，王 海，郭 燕

（1.国家能源集团宁夏煤业有限责任公司麦垛山煤矿，宁夏银川 750001；2.北京百正创源科技有限公司，北京 100081；3.宁夏第一建筑有限公司，宁夏银川 750001）

伺服控制可根据物体所处位置、速度及加速度数值，对其运动行为进行有效控制，常采用“大极电机”的设计思想，在高密度电机设备的支持下，对电机所产生的旋转磁场进行调试[1-2]。在控制方案的实施过程中，除光电编码器之外，还需设置必要的传感器结构。随着数字编程技术的应用，IIR 滤波器、SVPWM 调制器始终具备较强的通讯控制能力，一方面可将SPI 等并行通信接口调试至统一的连接形式，另一方面也可实现对用户参数的实时给定与设计。

在永磁电机输送系统中，由于带式输送机设备的传动链条过长，容易导致电机传动效率的快速下降，从而造成永磁体元件的严重损坏。为避免上述情况的发生，传统变频式电机控制手段在环流表达式的支持下，对磁体绕组形式进行分类研究，再借助电磁场系数，实现对皮带输送机应用能力的精准分析。然而该方法的调试能力有限，很难达到理想化的控制效果。为解决此问题，引入伺服控制策略，设计一种新型的带式输送机永磁直驱控制技术手段，通过建立三相静止坐标系的方式，对主要电磁参数进行准确计算，再通过对比实验的方式，突出说明该方法的实际应用价值。

1 基于伺服控制策略的电机数学模型

在伺服控制策略的支持下，电机数学模型设计包含永磁同步电机工作原理分析、三相静止坐标系搭建、空间矢量调制3个处理环节，具体操作方法如下。

1.1 永磁同步电机工作原理

带式输送机的永磁同步电机设备由定子、转子两部分共同组成。其中，定子元件所处位置始终不可变，可联合硅钢片、固定铁芯等应用设备，建立完整的绕组分布环境。转子元件所处位置存在一定程度的可变性，当三相空间中的正弦电流传输形式保持对称状态时，转子元件所处的实际连接位置越远，永磁同步电机内的磁场应用环境也就越稳定。在不考虑其他干扰条件的情况下，永磁同步电机的工作能力只受电压驱动量、电流驱动量两项物理指标的直接影响[3-4]。电压驱动量可表示为Umax，电流驱动量可表示为Imax，一般情况下，前者的物理数值越小、后者的物理数值越大，最终计算所得的永磁同步电机工作能力也就越强。联立上述物理量，可将永磁同步电机的实际工作能力表达式定义为：

式中，qˉ代表电磁量传输均值，α代表带式输送机电磁场中的电子切向角数值，u1、u2分别代表两个不同的磁向量传输系数。

1.2 三相静止坐标系

三相静止坐标系示意图如图1 所示，其描述了永磁电子在带式输送机磁场中的实际运动行为，且由于伺服控制策略的影响，坐标系所覆盖的物理空间越大，最终计算所得的电机直驱控制效果就越理想[5-6]。完整的三相静止坐标系由X轴、Y轴、Z轴3 根完全不相关的直线结构组成，其中X轴为正极为永磁电子的横向传输正方向，Y轴为正极为永磁电子的纵向传输正方向，Z轴为正极为永磁电子的空间传输正方向，α为空间基向量p与e之间的物理夹角。在上述物理量的支持下，联立式（1）可将基于伺服控制策略的三相静止坐标系定义为：

图1 三相静止坐标系示意图

1.3 空间矢量调制

对于带式输送机设备来说，永磁功率器件的开关导通状态能量相对有限，因此直驱环境中的导通矢量位置也是有限的。空间矢量调制就是在三相静止坐标系支持下，对永磁功率器件磁连接能力的规划与控制。一般情况下，在三相静止坐标系环境中，a、b、c 三条输电线路始终保持连续开放状态，且由于M1、M2、M3调制作用线的影响，M 电动机中的电磁传输能力始终保持相对稳定的数值状态[7-8]。

2 带式输送机永磁直驱控制技术

在伺服控制策略电机数学模型的支持下，按照电机磁路结构设计、气隙磁密波形分析、主要电磁参数计算的处理流程，实现了带式输送机永磁直驱控制技术方法的顺利应用。

2.1 电机磁路结构

带式输送机的电机磁路结构表现为定子在内、转子在外的连接形式，大多具有径向磁量输出的能力，由于伺服控制策略的影响，整个磁路结构中部必须预留出螺孔通路，一方面可便于永磁体设备的固定连接，另一方面也可缩小保护套与电机结构体之间的实际连接距离[9-10]。

当带式输送机永磁体元件出现损坏时，转子轭结构的传输速度也会随之加快，直至永磁体外部的物理温度达到理想数值水平后，定子元件与永磁体设备之间的连接紧密程度也会逐渐增大，直至二者之间的电磁摩擦力能够较好地制约带式输送机的物理滑动向心力[11-12]。图2 为电机磁路结构示意图。

图2 电机磁路结构示意图

2.2 气隙磁密波形

气隙磁密波形分析可在保证带式输送机永磁驱动能力的同时，对磁体量进行有效地平均处理，一方面控制了伺服控制策略的实际消耗成本，另一方面也使得电机磁路设备的应用时间得到充分延长。此外，气隙磁密波的切向结构始终指向永磁体内部，可促使电机磁路连接能力发生快速改变，从而使得永磁体设备的直驱控制能力得到有效保护[13-14]。在实际应用的过程中，气隙磁密波形始终保持完全对称的存在形式，由于其自身的凸极特性状态，波段主体的交轴电抗系数始终大于直轴电抗系数，而当外部磁极较为贴近核心永磁体时，气隙磁密波形的抗磁能力才能得到最大化地提升。设c1代表最小的磁密波波动系数，cn代表最大的磁密波波动系数，n代表磁密波波长频值，联立式（2），可将带式输送机的气隙磁密波形表示为：

式中，h1代表第一个磁密波波动指标，hn代表第n个磁密波波动指标，f代表电机磁路结构中的永磁电动量。

2.3 主要电磁参数

主要电磁参数计算是基于伺服控制策略带式输送机永磁直驱控制技术应用的实践环节，可在已知气隙磁密波形分析结果的基础上，确定带式输送机的实际磁通量水平，再联合相关电机磁路结构，实现对永磁体元件的合理保护。在不考虑其他干扰条件的情况下，带式输送机的主要电磁参数只受到永磁驱动时间、磁体变动量两项物理指标的直接影响[15-16]。永磁驱动时间可表示为ΔT，一般情况下，该项物理量越大，最终计算所得的主要电磁参数应用等级水平越低。设b1、b2分别代表两个不同的磁体变动量数值，联立式（3），可将带式输送机的主要电磁参数计算结果表示为：

3 对比实验分析

为验证基于伺服控制策略带式输送机永磁直驱控制技术方法的实际应用价值，设计对比实验。以图3 所示带式输送机设备作为实验对象，分别利用实验组、对照组技术手段对其进行控制，其中实验组采用基于伺服控制策略带式输送机永磁直驱控制技术方法，对照组采用传统变频式控制手段。

图3 带式输送机设备

PSI 指标能够反映输送机传动链在永磁驱动状态下所经历的物理传输距离的长短，一般情况下，PSI 指标数值越大，输送机传动链所经历的物理传输距离也就越长，反之则越短。表1 记录了实验组、对照组PSI 指标数值的具体变化情况。

表1 PSI指标数值对比表

分析表1 可知，随着实验时间的延长，实验组PSI 指标始终保持相对稳定的数值波动变化状态，整个实验过程中的最大数值结果仅能达到47.9%。对照组PSI 指标则经过一段时间的稳定上升后，开始逐渐趋于稳定，整个实验过程中的最大数值结果达到了79.0%，与实验组极值相比，上升了31.1%。综上可知，应用基于伺服控制策略带式输送机永磁直驱控制技术方法后，PSI 指标数值得到了有效控制，可较好地解决输送机传动链在永磁驱动状态下经历的物理传输距离过长的问题。

电机传动效率可描述永磁体元件的实际损毁程度，一般情况下，电机传动效率值越低，永磁体元件的实际损毁程度越大，反之则越小。表2 记录了实验组、对照组电机传动效率的具体数值变化情况。

分析表2可知，随着实验时间的延长，实验组电机传动效率保持先上升、再稳定、最后下降的数值变化趋势，整个实验过程中的最大数值达到了7.8 kW。对照组电机传动效率则始终保持先上升、再下降的数值变化趋势，整个实验过程中的最大数值仅能达到3.6 kW，与实验组极值相比，下降了4.2 kW。

表2 电机传动效率数值对比表

综上可知，应用基于伺服控制策略带式输送机永磁直驱控制技术方法后，电机传动效率值得到了有效促进，可有效控制永磁体元件的实际损毁情况。

4 结束语

在伺服控制策略带的作用下，新型带式输送机永磁直驱控制技术联合三相静止坐标系，对空间矢量进行了较好地调制，一方面可实现对气隙磁密波形的精准分析，另一方面也可得到准确的主要电磁参数计算结果。从实用性角度来看，PSI 指标数值的减小、电机传动效率的升高，可有效缩短传动链的实际传输长度，在抑制永磁体元件损毁方面具有较强的实际应用能力。