矿井皮带机直驱调速控制方案设计及仿真分析

段 鑫

（西山煤电集团公司设备租赁分公司， 山西 太原 030000）

引言

皮带机为综采工作面主要的运输设备，在煤矿生产中起着举足轻重的作用。目前，皮带机朝着大运量、长距离以及高运速的方向发展，这对于皮带机的启动、制动以及控制提出了新的要求。皮带机传统启动方式以工频拖动和液力耦合器传动为主，在实际应用中上述调速控制方式存在效率低、功率不平衡以及冲击较大的问题，给后期皮带机的维修和护理增加了工作量[1]。为此，本文提出了采用以外转子永磁同步电机为核心的直驱调速控制方式实现对皮带机的控制，并对其调速方案和性能进行研究。

1 直驱调速控制技术研究

在当前采煤技术和采煤装备自动化水平不断提升的阶段，皮带机作为综采工作面的主要运输设备，其也朝着大运量、长距离以及高功率的方向发展，从而对其驱动方式提出了更高的要求和挑战。驱动系统作为皮带机的关键系统，为保证整机运行的安全性和稳定性对其控制系统提出如下几点要求：

1）控制系统能够为整体提供一个稳定的加速度，减小对整机的冲击性和负载，即使是负载处于动态变化的情况也能够确保稳定启动；

2）整机在启动或者稳定运行过程中均具备过载保护功能；

3）涉及多电机驱动的皮带机，应保证各个驱动电机功率平衡，避免整机传动部件的损坏；

4）系统在满负载启动状态下，减小对整机的冲击力；

5）控制系统具备对皮带机实时运行工况的监测，并对其中的故障信息进行报警并作出相应的保护动作；

6）控制系统能够保证电机按照预先设定的曲线运行，保证皮带机调速系统的启动要求[2]。

本文以外转子永磁同步电机为核心实现对皮带机的直驱调速控制，其对应皮带机滚筒的结构如图1所示。

图1 外转子永磁同步电机的直驱调速滚筒结构示意图

外转子永磁同步电机与传统永磁电机相比较具有较好的节能性能、较高的功率因素，具有良好的效率曲线，便于后期维护以及调速范围广等优势[3]。

2 皮带机直驱调速控制方案的设计

2.1 调速控制方式的确定

本文所研究调速控制系统的核心电机为外转子同步电机，该电机的主要参数如表1 所示。

表1 外转子同步电机主要参数

目前，针对交流电机常使用的控制方案包括有矢量控制方案和直接转矩控制。对于上述两种控制方案而言，矢量控制方案具有较好的启动性能，且具备软启动功能，低速性能较好，调速范围较广；而对于直接转矩控制方案而言，其调速范围较小，低速性能较差，且对应的启动性能较差，还需采用一定的辅助措施才能够实现电机的启动。

综上所述，为保证皮带机运行的平稳性、安全性、冲击小等，本方案以直接转矩控制方案对外转子永磁同步电机进行控制。

2.2 调速控制方案的总体设计

皮带机运行的环境相对恶劣，同时在实际运输过程中其负载处于动态变化状态，对直驱调速系统的抗干扰性提出了较高的要求。工业中常采用的PID 控制系统仅对线性系统具有较好的控制效果，而对于非线性系统而言，采用传统PID 控制方式无法保证整机的运行稳定性和控制精度。为此，本文方案在无模型自适应控制理论的基础上，提出了无模型自适应控制与离散时间无模型的自适应滑模控制理论，简称串级MFCA 理论[4]。基于MFCA 理论设计对应的调速控制方案如图2 所示。

图2 皮带机直驱调速控制方案总体框图

如图2 所示，由于皮带机在实际运输过程中对应的转动惯量大、结构复杂、负载变化幅度较大等，在串级MFCA 控制理论的基础上，还需采用高可靠性的伺服驱动硬件系统做支撑才能够保证以外转子永磁同步电机为核心的直驱调速功能的实现。

本控制系统中，采用型号为TMS320F2812 的DSP 控制器对直驱变频调速控制系统进行控制。其中，涉及到的关键部件的选型如下：

功率开关器件的型号为BMS500GB170DLC，该型功率开关对应的电机-发射极电压为1 700 V，集电极通态电流为500 A；

熔断器的型号为KH00 系列，该系列熔断器的额定熔断电流值为80 A，满足该控制系统的电流有效值为68.69 A 的要求；

该直驱调速控制系统对应的进线电感量的值为0.53～0.88 mH。因此，本方案所选的交流侧进行电感器的额定电感量为1 mH。

3 直驱调速系统的性能验证

本节对基于无模型自适应控制理论的直驱调速控制系统与基于串级MFCA 理论的直驱调速控制系统的调速性能进行仿真对比分析。

3.1 基于无模型自适应理论的直驱调速控制的性能验证

基于无模型自适应理论的直驱调速控制系统的传递函数如式（1）所示：

基于无模型自适应控制理论与传统PID 控制理论的直驱调速控制系统在扰动情况下的速度误差和速度跟踪性能的仿真结果如图3 所示。

图3 无模型自适应控制与传统PID 控制的效果对比

如图3 所示，在400 的时间点给予一定的扰动。对比图3 中的控制效果：在无模式自适应控制理论下，在扰动的影响下皮带机电机的速度误差仅为±0.8 rad/s，且在扰动后2 s 内皮带机即可达到稳定运行状态；在传统PID 控制理论下，在扰动的影响下皮带机电机的速度误差仅为35 rad/s，且在扰动后200后皮带机才可达到稳定运行状态，其对整机的冲击较大，无法保证皮带机的平稳启动和运行[5]。

可见，无模型自适应控制理论的控制效果明显优于传统PID 控制理论的控制效果。

3.2 基于串级无模型自适应理论的直驱调速控制的性能验证

串级无模型自适应控制理论是在无模型自适应控制的基础上增加了离散时间的无模型自适应控制的理论。因此，串级无模型自适应理论对应的传递函数分为主回路传递函数和副回路传递函数，分别如下：

基于无模型自适应控制理论和串级无模型自适应控制理论的直驱调速控制系统的速度跟踪的仿真结果如图4 所示。实线为理想速度曲线，虚线为实际控制的速度曲线。对比图4-1 和4-2 可知，基于串级无模型自适应控制理论的速度跟踪控制明显优于无模型自适应控制的速度跟踪控制。主要是由于串级无模型自适应控制理论的主回路和副回路能够对给系统造成的扰动进行很好的抑制，从而保证了系统的速度按照预定的曲线运行。

图4 速度跟踪效果仿真结果对比

4 结语

皮带机为综采工作面的主要运输设备，在大运量、高运速以及高功率发展方向的推动下，对皮带机的调速控制系统提出了更高的要求和挑战。本文以外转子同步永磁电机为核心设计了皮带机的直驱调速控制系统，并对传统PID、无模型自适应控制理论和串级无模型自适应控制理论的下控制效果进行对比仿真分析，得出串级无模型自适应控制理论具有较好的速度跟踪效果，且在外界扰动下系统的速度误差较小，并且能够在很短的时间内重新到达稳态运行状态，在此期间对系统的冲击力很小，可保证皮带机的平稳运行。