盾构机刀盘多电机同步驱动研究

赵刚　刘德全

摘要：盾构机刀盘由多个电机共同驱动，需要对多电机进行同步控制和负载平衡控制，即让电机速度相同的情况下，承担相应的平均负载。本文描述了多电机同步控制的几种方式，并对各种控制方式的特点进行了比较，同时介绍了φ8780土压平衡盾构机刀盘驱动的实际应用。

关键词：盾构机；刀盘驱动；刀盘同步控制

1 引言

传统的盾构机刀盘是由液压驱动的，近几年出现了由变频器控制三相交流异步电机驱动的刀盘。显然，与液压驱动相比，电机驱动具有机械设计简单、安装维护容易、控制灵活方便、成本低廉、更加节能等诸多优点，而且电机驱动刀盘的方式还可以方便盾构机的保养，例如，在更换刀具时，可以按需要将刀盘旋转到便于更换刀具的角度。因此，越来越多的盾构机刀盘选择电机进行驱动。

2 盾构机刀盘驱动的控制要求

应用于珠三角穗莞深城际轨道交通建设的φ8780土压平衡盾构机采用电动机驱动刀盘的方式，由14个170kw大功率水冷电机，各电机经过各自的减速器与一个差不多和刀盘等直径的大齿轮啮合来驱动整个刀盘。这是一个多电机驱动同一负载的应用，需要多电机同步控制和负载平衡控制，即让电机速度相同的情况下，承担相应的平均负载，避免电机之间出力不均衡而引起部分电机过载。与其他需要负载平衡控制的应用相比，刀盘驱动的特殊性在于：

（1）电机的数量较多，刀盘驱动要求在14个电机之间平衡负载；

（2）机械传动机构复杂，传动比大，从电机侧到刀盘传动比高达355。刀盘负载的微小波动，对电机力矩的影响也很大，如果对电机力矩控制不得当，将容易造成传动机构的损坏。因此，需要采取措施，尽量快速调节电机力矩，避免使电机力矩产生过大的波动。

本盾构机刀盘直径为8.78m，刀盘旋转切削泥土时，不仅需要克服刀具切削土产生的阻力，而且需要克服因盾构千斤顶向前推进时，刀盘与开挖面之间挤压产生的摩擦力。这要求刀盘必须具备足够的扭矩，按相关计算设计正常扭矩为10046KNm，最大脱困扭矩为12056KNm。在如此大的扭矩，如果采用单电机负载，将要求电机功率达到2380KW，实际中难以控制如此大功率的电机，而且可靠性差。因此，要求设计多电机共同驱动刀盘旋转。

针对盾构机刀盘传动结构特点，虽然各电机与刀盘齿轮是刚性连接，使得各电机的速度是强制同步，但是，这种速度同步是“被动”同步，即各电机虽然速度相同，但扭矩未必相同，如果有些电机速度比较慢的情况下“被提速”，使得此电机没有对刀盘做正功，反而成为其他电机的负载，增加整个刀盘的扭矩负载。相反，如果个别电机因为转速比其它都快，则在刀盘齿轮啮合的作用下“被减速”，此电机的负载将会比正常负载大，定子电流急升，增加电机发热量，严重时会烧坏电机。这些都是多电机之间不同步产生的不利影响。

另外，如果仅依靠机械结构完成同步，容易对传动机械器件造成机械疲劳，大大缩短其设计使用寿命，由于盾构机现场施工环境的限制，不便于更换重型器件，所以设计时就需要考虑到器件工作的高可靠性，这也就要求在多电机传动控制方面需要优化同步控制策略，以提高这个传动系统的可靠性能。这就是“主动”的速度同步控制策略，使得各电机能够稳定、精确地跟踪给定速度的同时，还能够均衡地分担刀盘负载。

3 多电机同步控制方式

对多电机同步控制通常可分为非耦合控制和耦合控制。其中，非耦合同步控制主要有并行同步控制和主从同步控制两种形式；耦合同步控制主要有交叉耦合同步控制。偏差耦合同步控制以及电子虚拟总轴同步控制。

3.1 并行同步控制

并行控制是基于相同的给定参考输入信号，各电机独立运行的控制模式，其控制结构如图1所示：

图1 并行同步控制

并联运行的同步控制系统优点在于启动、停止阶段系统的同步性能很好，不同的单元不受距离的限制，可满足一定条件下的同步要求。在并联运行同步控制系统中，每个单元电动机的输入信号由系统直接给定，因此各单元获得的输入信号完全一致。各驱动单元的输入信号除了受参考信号作用以外，不受其它因素的影响，所以任一单元的扰动不会影响其它单元的工作状态。但采用这种方法后，速度会随着负载的变化而变化，因此不适合对速度精度要求高的场合。

3.2 主从同步控制

以双电机为例，主從同步控制系统的基本结构图如图2所示。在这种情况下，主电机的输出转速值作为从电机的输入转速值。由此可以得出，从电机能够反映并且跟随任何加在主电机上的速度命令或者是从电机的负载扰动。

图2 主从同步控制

在多台电动机的情况下，主从控制系统有两种不同的控制方式：

（1）第一台电动机为主电动机，其余的所有电动机为从属电动机。主电动机接收给定的输入信号，而所有的从属电动机共享主电动机的输出信号作为输入信号。在这种控制方式中，当主电动机的负载受到扰动时，所有从电动机都会受到它的影响；但是当任何一台从电动机的负载发生变化时，其它所有电动机不会受到影响；

（2）第一台电动机为主电动机，最后一台电动机为从电动机，而其余的电动机充当双重角色，既是主电动机，又是从电动机，相对于本电动机的前一个电动机而言，它是从电动机；相对于该电动机的后一台电动机而言，它是主电动机。因而除了最后一台电动机之外，任何一台电动机的负载发生扰动时都会影响到随后所有电动机的运行，但不会影响前面的电动机。

3.3 交叉耦合同步控制

交叉耦合控制原理图如图3所示，同非耦合控制相比，交叉耦合控制主要的特点就是将两台电机的速度信号进行比较，从而得到一个差值作为附加的反馈信号，再将这个反馈信号作为跟踪补偿信号，使系统能够接受任何一台电机的负载变化，从而获得良好的同步控制精度。但这种控制方式不适合于超过3台电动机的同步控制。

图3 交叉耦合同步控制

3.4 偏差耦合同步控制

偏差耦合控制是交叉耦合控制的发展，如图4所示，其基本思想是将两个电机的速度反馈作差，然后将得到的偏差信号作为该电机的速度补偿信号，增益用来补偿各电机之间的不同转动惯量，从而改善了双轴之间的协调控制性能。

图4 偏差耦合同步控制

但是这类补偿控制还是不能有效地解决多电动机之间动态性能匹配、跟踪过程及跟踪轨迹非线性等一系列问题。

3.5 电子虚拟总轴同步控制

电子虚拟总轴控制策略最早由Meye和Lorenz在1999年提出，由Logcnz和Valenzuela进一步将其发展，以两台电动机为例，其控制原理图如图5所示。

图5 电子虚拟总轴同步控制

虚拟总轴方案模拟了机械总轴的物理特性，因而具有与机械总轴相似的固有同步特性。虚拟总轴系统的系统输入信号经过总轴的作用后，得到各驱动器的参考输入信号。即各驱动器同步的是参考输入信号而不是系统的输入信号。由于该信号是经过总轴作用后得到的信号，因此该信号更易于为单元驱动器所跟踪，从而达到提高同步性能的目的。

4 电机同步控制方式选择

鉴于盾构机刀盘驱动是刚性连接的特点，各电机之间的速度基本一致，即使有速度差，也是因为齿轮之间的啮合缝隙引起的，在此可以忽略其影响。因此不需要对各电机速度进行差值控制，即不适合采用耦合控制方式。

基于这些特点，可采用非耦合的并行控制和主从控制。如果采用主从方式，如前面所述可以有两种结构方式，一种方式是1个作为主电机，其余的13个作为从电机；另一种是第1个电机只作为主电机，第14个电机只作为从电机，其中间12电机既是主电机又是从电机，对前1个电机是充当从电机角色，对后1个电机扮演从电机角色。这种主从结构中主电机工作在速度控制模式，从电机工作在力矩模式，系统的速度给定作为主电机的速度输入，其力矩输出作为从电机的力矩给定。

这种非耦合主从控制方式，所有的从电机给定信号都来自于唯一的主电机，可以保证输出的力矩平衡，虽然从电机的速度不能反馈到主电机，但对于盾构机同轴负载来说，理论上已经足够满足同步及力矩平衡的要求。只是在实现这种控制方式过程中存在一个通信实时性的问题，即主变频器与从变频器信号传输的实时性问题，因为主变频器的力矩信号是从变频器的信号给定，当遇到负载波动比较大的情况下，信号传输过程的延时，将会导致主从之间出力不均衡，此时通信的实时性直接影响到整个系统稳定运行。

因此，在实践过程中我们采用并行控制方式。并行同步控制中，每台变频器对应控制一台电机，各变频器之间无需联系，其特点是系统结构简单，易实现，控制的关键是要电机的负载差异小，即各电机的机械特性保持一致，从而达到多个电机负载平衡。

5 应用研究

5.1 三相异步电动机机械特性曲线

从理论上来说，同型号的数个电机，采用并行同步控制，如果驱动的电压和频率完全相同，那么，不用采取额外的措施，电机的负载就能互相平衡。但实际上，即使同型号电机，实际的特性很难保证一致。如图6所示的交流异步电机机械特性曲线，对通常的交流异步电动机而言，在一定的范围内，滑差（电机的实际转速与由供电频率和电机极数决定的磁场转速之间有一定的差异）和负载之间有近似的线性关系，但由于制造过程中的差异，同型号电机的机械特性曲线也不完全相同。如图7所示的相同条件下两台同型号电机的机械特性曲线比较。

图6 电动机机械特性

图7两台电动机机械特性对比

当多个电机驱动同一负载时，由于电机轴通过机械耦合在一起，这意味着这些电机的速度是强制同步的。如果这些电机的电压和频率相等，那么，各电机的负载大小实际与各自的特性相关。为简单说明起见，以2个电机为例，如图8所示。

图8 电机同负载特性

从上图中不难看出，当电源频率相等（图中与纵轴交点，第1行虚线）、实际速度强制同步（图中的第2行虚线所示）的情况下，2个电机的负载大小实际由各自机械特性的斜率所决定。当2个电机特性相同时，那么负载也是相等的。当特性不相同时，相对的负载也不相等。同时也可以看出，在2个电机特性有差异的情况下，对于同样的速度范围，软特性（曲线更下垂）的2个电机之间的负载差异比硬特性的2个电机之间的负载差异要小。

当电机由变频器驱动时，由于频率连续可变，因此该曲线可以上下平移（如图9所示），形状基本不变，对电机本身而言，负载与转速的关系与电网直接驱动是一样的。

图9 电机变频调速特性

根据上述电机机械特性曲线的分析，要达到多个电机负荷平衡的效果，就必須减小各电机间的负载差异，而机械特性越“软”（曲线更下垂）电机之间的负载差异越小。当然也要注意“软化”程度，软的特性不仅使得电机低速时力矩较小，而且会因刀盘的微小负载扰动，使得电机转速波动很大。选择变频器驱动电机时，当电机的实际负载增大，变频器将主动降低给定，这样的效果是人为地“软化”了曲线，在同样的速度范围内，“软化”了特性的拖动系统更容易达到负载的平衡。

5.2 变频器选择

5.2.1 变频器控制原理

变频器的控制，较常用的有V/F控制和矢量控制，下面分别介绍。

V/F控制就是变频器输出频率与输出电压的比值为恒定值或成比例。变频器采用V/F控制方式时，对电机参数依赖不大，V/F控制是为了得到理想的转矩-速度特性，基于在改变电源频率进行调速的同时，又要保证电动机的磁通不变的思想而提出的，通用型变频器基本上都采用这种控制方式。V/F控制变频器结构非常简单，但是这种变频器采用开环控制方式，不能达到较高的控制性能，而且在低频时，必须进行转矩补偿，以改变低频转矩特性。V/F控制特点——以控制速度为目的，控制特点控制精度不高，低速时，力矩明显小，常用于变频器一拖多场合下。

矢量控制的应用场合一般是要求比较高的传动场合。而且，矢量控制在低速时可以输出100%的力矩，而V/F控制在低速时因力矩不够而无法工作。矢量控制——它有速度闭环，即从负载端测出实际的速度，并与给定值进行比较，它能够得到更高精度的速度控制，并且在低速时，也有100%的力矩输出。

矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic通过三相－二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1、Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1（Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度、磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。

5.2.2 φ8780盾构机刀盘变频器选择及应用

东芝VF-AS1系列变频器具有矢量控制功能，它可以通过调整电压及频率，从而改变电动机机械特性曲线，同时，内部设置了一个参数（F320）用于调整负载反馈的强度，在应用上这个参数的效果就是调节整个拖动系统的特性曲线的斜率，即“软化”的程度。当耦合在一起的电机特性有差异时，可以通过调整相应变频器的这个参数使拖动系统的特性达到一致。同时，正如前文所描述的那样，在同样的速度范围内，“软化”了特性的拖动系统更容易达到负载的平衡。

同时，东芝VF-AS1系列变频器具有CC-Link接口，可方便的接入到盾构机控制系统中，14台变频器分别控制14台电机，实现并行同步控制，实际应用体系结构如图10所示：

图10 并行同步控制系统结构图

由于系统的变频器数量多，功率大，根据变频器的动力来自不同变压器，故将其分成两大部分，每部分根据不同的断路器再分成两个小组。第一部分中的两个小组，左边的由INVT1、INVT3、INVT5、INVT7四个变频器组成NO1刀盘VFD盘，右边小组由INVT2、INVT4、INVT6三个变频器组成NO2刀盘VFD盘。

设计变频器的排列并非按从小到大的顺序排布，而是采用间隔增长的形式，这是出于提高系统可靠性的设计理念。其中INVT1和INVT3共用一个断路器，其中INVT2和INVT4共用一个断路器。当INVT1所在主回路的断路器出现故障时，将会导致INVT1和INVT3不能正常运行，但INVT2和INVT4仍然可以正常工作，这样使得电机在轴承端仍可保持平稳出力，从而大大减小因电气故障给机械部件造成的意外损伤。

实际应用时，PLC获取上位机设定的刀盘转速，并换算成变频器给定频率，然后广播式发送到14个变频器中。14个变频器对应14个参数文件，其中每个文件除了负载平衡系数及CC-Link站点号不同以外，其余参数都保持一致。刀盘旋转时，14个电机同时启动，并且保持转速一致，电流和转矩保持在允许的范围之内，刀盘转速跟踪给定，达到了同步控制的效果。

6 结论

通过对多电机同步驱动的研究，比较多电机同步控制的几种方式，我们采用了并行控制方式，每台变频器对应控制一台电机，各变频器之间无需联系。我们将电机同步控制技术应用于φ8780土压平衡盾构机上，设备运行良好，成功解决了盾构机刀盘电机同步驱动控制的难题。

参考文献

[1]东芝变频器VF-AS1操作说明书

[2]ATV71变频器在盾构机刀盘驱动中的應用

[3]张厚美，盾构隧道的理论研究与施工实践[M].北京：中国建筑工业出

版社，2010