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基于滑模变结构控制的采煤机牵引控制策略
来源:互联网 chen | 高永新,张新鑫 辽宁工程技术大学
【分  类】 机械与建筑工程
【关 键 词】 采煤机牵引;直接转矩控制;滑膜变结构控制
【来  源】 互联网
【收  录】 中文学术期刊网
正文:

  随着煤矿安全重要性的提高和煤炭开采技术的发展,大功率、智能化、重型化的综合机械化开采成为当今综采设备的发展趋势[1]。作为采煤工作面的主要开采设备,采煤机的可靠性和稳定性直接影响煤矿的开采效率。由于煤矿井下工矿环境复杂,煤层特性不断变化,使采煤机负载变化十分剧烈,直接影响了采煤机牵引电机的功率。目前,采煤机牵引大部分采用恒功率技术[2],牵引保持较低速度,以提供稳定的采煤截深,当采煤机截割滚筒遇到硬岩或硬度较高的煤矸石时,采煤机机身振动剧烈,迫使采煤机牵引速度下降,牵引电机功率提高,影响了电机的恒功率。针对以上问题,提出了基于滑膜变结构的直接转矩控制方案,实时调节采煤机的牵引速度,提高采煤机的可靠性和稳定性。

  1 总体方案设计

  釆煤机主要由牵引部、截割部、电气系统、调高系统、破碎机和附属装置等部分组成(如图1)。牵引部分主要由牵引电机、机械传动系统、喷雾冷却阀组等组成。牵引部分别布置在采煤机采空区一侧的两端,并与主机架组成一体。每个牵引部装有一个驱动轮,驱动轮与工作面运输机上的销轨相啮合,驱动轮的转动驱动采煤机沿着工作面运输机运行[3]。

  图 1电牵引双滚筒采煤机

采煤机牵引电动机作为驱动整机行进的动力元件,其转矩的控制十分复杂性,具有电磁耦合性强、解耦复杂、非线性、时变性等特点,再加上其具有多输入、多输出的特点,因此转矩难以控制。本文采用直接转矩控制,直接转矩控制主要是以定子磁链为控制对象,直接在两相静止定子坐标系下,对定子的电压,电流进行检测,利用检测到的电压和电流值计算出电动机的磁链和转矩的大小,然后通过计算值与给定值之间的误差,来调节逆变器的输出,从而控制电机[4]。但直接转矩控制存在转矩脉动过大和逆变器开关频率不恒定的问题,本文基于滑模变结构控制理论设计了滑模变结构转矩和磁链控制器,来代替传统直接转矩控制系统中的转矩和磁链滞环控制器,达到实现转矩脉动最小化的目的[5]。

  图2 控制器原理图 在滑模变结构控制器中,切换函数的两个分量分别是给定定子磁链和实际定子磁链的偏差、给定电磁转矩和实际电磁转矩的偏差。当系统运动到“滑动模态”区以后,只要给定定子磁链和实际定子磁链、给定电磁转矩和实际电磁转矩之间有偏差,根据滑模变结构控制的原理,滑模控制器就会输出一个恰当的电压空间矢量作用于逆变器上来控制异步电动机,使得异步电动机的输出抵消这种偏差,从而达到最大限度的减小转矩脉动的目的。

  2 采煤机牵引部异步电动机的数学模型

  异步电动机的数学模型异步电动机在两相静止坐标系(坐标系)下的数学模型可由下列各式给出[6]: 磁链方程

=(1)

  电压方程

(2)

其中:为定子电阻;为转子电阻;为定子电感;为转子电感;为定转子之间的互感;为转速;为微分算子;,为定子磁链;,为转子磁链;,为定子电压;,为转子电压;,为定子电流;,为转子电流。

  由(1)、(2)两式,可以推出

(3) 式中: 定义磁链幅值平方

(4)

  静止坐标系中定子磁链方程为

,(5)

  电磁转矩方程为

(6)

式中:为级对数。

  3滑模变结构控制器的设计

  定义切换函数如下

,(7)

式中,和为实时计算出的转矩和磁链平方;,分别为转矩和磁链平方给定。将切换函数对时间求导可得[7-9]:

,(8)

  将式(4),(5)代入(8),再结合(3),(6)得到如下矩阵方程

(9)

式中:为控制律矩阵,,为系数矩阵,且

,

  整理得

(10)

(11)

(12) 选取李亚普诺夫函数为

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