双机非同轴驱动钢丝绳牵引胶带机的控制策略＊

张亦龙 ， 曹喜生 ， 杨治山

（1．天水电气传动研究所集团有限公司，甘肃 天水 741020；2．大型电气传动系统与装备技术国家重点实验室，甘肃 天水 741020）

双机非同轴驱动钢丝绳牵引胶带机是胶带双侧钢丝绳分别缠绕在各自的滚筒上作为牵引绳，传送胶带作为承载构件，两台电机通过各自的减速器驱动滚筒为传送带提供牵引力的带式输送机。它具有运输距离远、运输能力强、运行稳定等优点，被广泛应用在煤炭、冶金等各个领域。随着生产规模的扩大和工业技术的发展，正朝着传输长距离、大运量、高速度、大倾角的方向发展。

如图1所示，双机非同轴驱动钢丝绳牵引作为胶带机的一种驱动系统，它由两台电动机和两套驱动器、润滑站、液压站、控制及保护装置构成。从机械结构上来讲，双机驱动的钢丝绳牵引胶带机往往采取滚筒不直联的形式。这种胶带机的负载特点是，两侧牵引钢丝绳缠绕在胶带机头两侧，每根钢丝绳上张力的大小和方向取决于单侧胶带机头上的负载转矩变化及钢丝绳的形变，而两侧机头上的负载转矩由于胶带张紧程度及胶带承载随机变化而不断变化。因此，作用于两台驱动滚筒（Main BR）上的负载转矩受多个变量或因素的影响并不同步，若采取滚筒直联的方式，两条钢丝绳上的张力会严重不均衡发生频繁变化的情况，引起两台滚筒连接轴的扭振现象或对钢丝绳及其他机械造成损伤。在停机过程中，两台滚筒的制动闸指令虽是同时发出，但由于机械方面的原因不可能同时抱闸制动，即使同时抱闸也不可能在完全相同的制动距离下停车，因而几乎每次停机都会造成两条钢丝绳张力差异的出现。这种情况发生后，在下次开机时必须根据钢丝绳张力差异执行张力预调整过程。综上所述，这种结构的胶带机滚筒不能采用机械轴硬联结的方式，必须进行转矩的协调控制。

图1 钢丝绳牵引胶带机模型图

随着胶带机传输距离的增长、传输负载的增大、负载扰动增大以及各种不确定因素增多，极易造成双机功率不均衡，引起胶带严重打滑、断裂、局部谐振跳带、叠带、撒料等事故的发生，严重时甚至会造成驱动装置损坏。鉴于此，本文重点将从转速优化、功率平衡、转矩协调控制的角度出发，研究其控制策略。

1 优化速度模型与双机转速平衡的分析

为保证功率均衡相同，首先采用同一规格的两台电动机。理论上，胶带机带载工作时，负荷在两台电动机间应平均分配，即每台电动机各承担一半的负载。但由于两台动电机生产选用的材料和制造工艺误差，导致两台电动机不可能完全一致，减速箱的机械制造，胶带机双机牵引绳的松紧程度也会带来影响，加之采用的非同轴连接，两台电机间不能保证时刻的转速同步。当两台电机速度相差较大时，甚至出现一台电机出力至过载故障、另一台电机出力很小的情况，研究该项目控制策略，首先需保证双机的转速同步。

1.1 优化速度模型

胶带机属于柔粘性机械系统，和起动停止时动胶带张力分布不匀，导致电机的转矩波动较大，轻则钢丝绳震动，重则造成机械损伤。因此设计了一个起动低速预张紧，停车低速防松弛过程，使得胶带的张力分布基本均匀后再按“S”曲线加速起动与停止。

该优化“S”曲线模型如下：

该分段函数一次微分dv/dt为加速度曲线模型：

加速度a0起动至速度v0并保持低速运行（t1－t0），则预张紧过程时间为t0＋（t1－t）0。整个起动周期为：

图2中曲线①为设定速度曲线，相应的加速度曲线见曲线②，曲线③为正常停车“S”曲线，曲线④为直线停车曲线。从曲线上看出，在预张紧后的升速阶段及停机指令后的降速阶段，在速度设定曲线的每一个拐点，由于加加速度（加速度的导数）的投入使得速度曲线平滑过渡。优化速度模型有效地解决了速度变化过程中的钢丝绳振动及张力剧烈变化的问题。

图2 胶带机优化的速度、加速度模型图

1.2 双机转速平衡

一般认为，双机非同轴驱动胶带机传动系统需采用主从控制，且主从间须采用可靠高速通讯方式。为实现主从机之间的速度同步，主从驱动装置的速度给定信号源须相同，即从控制系统接收主变流器的速度给定信号，同时也作为从机的速度给定（窗口控制时，两台电机同时为速度闭环控制模式）。胶带机钢丝绳的松紧程度、皮带张力、负载的变化也会引起两台电机的实际速度的差异。主机接收优化后的“S”型速度给定值，实现平稳启停，运行时主机工作在速度、转矩双闭环控制系统中，保证主机的速度稳定，转矩环处于跟随状态，确保胶带机系统的转矩需要，从电机必须能够及时跟随主电机的转矩变化且保持速度同步。

在PLC控制系统中，将两台电机实际转速（通过高精度的编码器检测）的误差值（主驱动装置实际转速信号与从系统实际转速信号的偏差量）进行实时监测，当误差值超过一定范围且在规定的Δt时间内依然超限时，会启动打滑保护程序：一般的做法是大幅度降低胶带机速度给定值，从而将速度误差值降到限值以下。

2 功率平衡分析

双机非同轴驱动胶带机的驱动是由两台“驱动器+电动机”作为驱动源动力,设置1#为主机,驱动1#滚筒,2#为从机,同时驱动2#滚筒。在主从控制方式下同步运行,理论上功率分配应为“1：1”分配，且满足以下条件:

传统吕剧的节奏、唱腔、板式、舞台、道具、音响等比较单一，但随着现代社会的进步和人民生活节奏的加快，吕剧的声腔特色、舞台设计、灯光音响、服装道具等已不再适合大众口味。年轻人喜欢快餐文化，吕剧已经跟不上年轻人变革的文化需求，所以喜欢的人越来越少。因此，吕剧文化必须走多元创新之路，在演员观念、唱腔特色、音乐内容、音乐舞蹈和肢体语言、形式以及舞台设计、服装道具、灯光音响等诸方面要进一步提升水平，充分运用现代科技手段，增强吕剧艺术表现手法的时尚性和感染力，以赋予吕剧文化艺术以强大的生机与活力 ［2］。

式中，P为负载所需功率，P＝P1＋P2

P1e、P2e分别为1#机额定功率、2#机额定功率

P1、P2分别为1#机实际输出功率、2#机实际输出功率

计算从机功率跟随主机的功率变化,即

式中:ω1、ω2分别为1#机角速度、2#机角速度

T1、T2分别为1#机输出转矩、2#机输出转矩

不难发现，当两台电机在相同或相近转速时,如果要达到输出力矩能够实现均衡分配,也就是电机可按照额定功率等比例工作,当功率平衡时,它满足：

主从机速度同步可推出，仅需两台电机输出转矩等于各自实际额定转矩的百分比即可，

图3 双机主从控制逻辑框图

3 窗口控制

窗口控制是从机驱动装置在主从控制模式下，基于转矩控制形成的一种速度监控功能。当从机速度给定值与实际速度值之差在预设范围内的时候封锁速度调节器，主机的转矩给定值直接作用于从机的转矩控制。此处的预设范围定义为窗口范围。当速度偏差值超出了窗口范围，则速度调节器自动激活。速度调节器产生一个与输入和增益相关的输出且作为从机的给定，转矩给定选择单元将此输出给定加入到转矩给定，产生的结果就是变流器传动单元的内部转矩给定，从而预防了主从机电机速偏差过大。若没有这种控制，主从机电机速度偏差将可能继续增大，一直增加到传动单元的速度极限值为止。因此这种控制方式可以形象的说成转矩控制模式下的超速/欠速保护，下面将已负载减小为例，解释该功能，示意图如下：

图4 激活窗口控制前后地转矩闭环图

在没有窗口控制，正常运行范围内，从机受主机转矩给定信号的控制。发生负载减少现象时，从机的实际速度开始升高，升高到传动单元的速度极限值，得到内部转矩给定用来停止速度的升高。

当投入窗口控制功能后，在窗口范围内，窗口控制保持速度调节器的输出为零，从机受主机转矩给定信号的控制。发生负载减少现象时，从机的实际速度开始升高，速度升高直到负速度偏差值的绝对值超过窗口值，视窗控制将速度偏差传送到速度调节器前端。这样产生一个负的速度调节器输出值，将其加入到来自主机的转矩给定信号上，得到内部转矩给定值，该值用于停止速度的升高。

要充分地利用窗口功能须合理地设置窗口宽度，若宽度过小，速度差较小时，从机速度环就开始工作，影响功率分配平均分配；若宽度过大，窗口功能起不到实际地作用。要保证窗口控制在胶带机中应用效果更加理想，保证主从设置合理，从机必须转矩闭环，还应增加抑制胶带打滑地控制，防止窗口功能误动作。

4 设计实例

将上述理论应用于某矿非同轴钢丝绳牵引胶带机，该胶带机全长1500m，采用两台功率为500kW的直流电机,额定电流为816A，选用DCS800传动装置与之匹配；

依据上文分析，建立主从机间的光纤网络，设置主从机参数，主从机建立通讯，从机接收主机控制字、速度给定和扭矩控制，实现主从机控制。

表1 DCS装置主从参数设置表

通过设置TorqSel（26.01）为Add和上位机激活AuxCtrlWord（7.02）bit7=1，激活窗口功能，且设置窗口宽度并根据运行工况多次修正窗口宽度，本次设计参数如下：

表2 窗口控制投入参数设置表

设置完参数，进行电机辨识，优化参数，按照“S”型曲线启动胶带机，调节速度和转矩控制相关参数至胶带机运行平稳，观察胶带无明显抖动；激活窗口控制功能，调试出最佳地窗口宽度，便实现主从机转速同步，转矩平衡。

本项目调试完成后，观测轻载和重载时的速度与负荷值，发现转速相差在4rpm以内，电流相差在20A以内，运行效果理想。

图5 轻载时速度电流曲线图

图6 重载时速度电流曲线图

5 结论

本文针对胶带机传动控制设计了平稳启停的“S”速度曲线，分析了转速同步、转矩平衡控制，并提出了抑制转速偏差过大的窗口控制功能，进而在某矿胶带机传动系统进行了测试，测试结果理想：主从机转速同步、且双机的转速不超过4rpm、电流相差不超过20A、胶带机运行平稳、胶带机皮带无打滑的情况，同时也证明了方案的正确性。该方案和试验也为双机驱动胶带机向运行长距离、大运量、大功率的研究方向提供了又一传动解决方法。