鄭 鵬，郝詩祺

(沈陽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870)

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壓鑄生產(chǎn)線雙電機(jī)同步控制軌道車方式仿真

鄭 鵬，郝詩祺

(沈陽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870)

針對壓力鑄鋼生產(chǎn)線中軌道車同步控制問題，對雙電機(jī)同步控制系統(tǒng)進(jìn)行了Simulink仿真。將異步電機(jī)作為牽引電機(jī)，通過對軌道車控制系統(tǒng)中常用的雙電機(jī)同步控制方式的分析比較，分別對雙電機(jī)主從控制、并行控制和交叉耦合控制進(jìn)行了建模與仿真，仿真結(jié)果驗證了采用交叉耦合控制的軌道車具有良好的跟隨性，能夠保證壓鑄的生產(chǎn)效率。

壓力鑄鋼；雙電機(jī)；主從控制；并行控制；交叉耦合控制

0 壓鑄生產(chǎn)線簡介

壓鑄是一種終形與近終形的加工方法，有生產(chǎn)效率高、經(jīng)濟(jì)效益好、壓鑄件尺寸精度優(yōu)良及互換性好等優(yōu)點[1]。壓鑄生產(chǎn)線由軌道車及其控制系統(tǒng)、桁架及液壓設(shè)備等組成，如圖1所示。

圖1 壓鑄生產(chǎn)線示意圖Fig.1 The production line of pressure cast steel

該生產(chǎn)線加工鑄鋼件時，軌道車搭載鋼包端蓋和模具行駛至準(zhǔn)確位置，鋼包由液壓裝置抬高至預(yù)定位置，并且與鋼包端蓋準(zhǔn)確密封。模具導(dǎo)液管插入液態(tài)金屬中，鎖緊結(jié)束后，向鋼包中通入高壓氣體，使液態(tài)金屬在高速高壓作用下射入緊鎖的模具型腔內(nèi)，并保壓、冷卻結(jié)晶直至凝固，形成半成品或成品。其中，電機(jī)需要驅(qū)動100 t的軌道車、模具及鋼包端蓋，軌道車最高運(yùn)行速度36 m/min。因此，軌道車系統(tǒng)具有低速、重載的特點。

傳統(tǒng)壓鑄生產(chǎn)線的軌道車控制系統(tǒng)大多采用單電機(jī)驅(qū)動實現(xiàn)單輸出軸控制。當(dāng)軌道車啟動時，傳動系統(tǒng)需要很大的驅(qū)動扭矩，必須制造功率與其相匹配的驅(qū)動電機(jī)及驅(qū)動器件，這樣便增加了控制系統(tǒng)的成本。并且，大功率電機(jī)會受到制造技術(shù)及電機(jī)參數(shù)的影響，大功率驅(qū)動器件的研發(fā)也會受到半導(dǎo)體類功率器件的限制[2]。因此，采用單電機(jī)驅(qū)動具有很大的局限性。采用雙電機(jī)對軌道車進(jìn)行同步驅(qū)動能夠解決以上問題，但雙電機(jī)間的同步性會直接影響軌道車運(yùn)行的精度和穩(wěn)定性。而且，雙電機(jī)的分布方式也會影響軌道車控制系統(tǒng)的運(yùn)行精度。其中，輪邊電機(jī)分布方式的軌道車控制系統(tǒng)將電機(jī)軸和輸出軸構(gòu)成整體的驅(qū)動橋，提高了軌道車的運(yùn)行效率，控制系統(tǒng)緊湊統(tǒng)一[3]。雙側(cè)電機(jī)構(gòu)成的驅(qū)動橋固定在軌道車的底盤上，功率輸出軸通過傳動軸驅(qū)動軌道車的行走輪[4,5]，如圖2所示。

圖2 雙側(cè)輪邊電機(jī)分布結(jié)構(gòu)Fig.2 The motor distribution structure of bilateral wheel

在低速、重載的前提下，必須保證軌道車平穩(wěn)啟動、調(diào)速運(yùn)行及準(zhǔn)確停車并受包。因此，本文采用雙電機(jī)同步控制的方式對軌道車進(jìn)行控制，避免出現(xiàn)鋼包端蓋和鋼包無法密封的現(xiàn)象而影響生產(chǎn)。

1 雙電機(jī)同步控制軌道車方法仿真分析

本文將異步電機(jī)作為牽引電機(jī)，結(jié)合雙電機(jī)同步控制技術(shù)，擬建立適用于壓力鑄鋼生產(chǎn)線的軌道車控制系統(tǒng)。軌道車運(yùn)行分為以下三個階段：

(1)平穩(wěn)啟動。軌道車以較小加速度啟動，保證了啟動的平穩(wěn)性，雙電機(jī)需要提供轉(zhuǎn)矩440 N·m，因此，單電機(jī)等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩為220 N·m，運(yùn)行到0.45 s時電機(jī)加速到額定轉(zhuǎn)速1 480 r/min。

(2)調(diào)速運(yùn)行。勻速運(yùn)行時，雙電機(jī)需要提供轉(zhuǎn)矩250 N·m，單電機(jī)等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩為125 N·m。運(yùn)行到0.9 s時將電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為1 600 r/min，1.2 s時電機(jī)轉(zhuǎn)速降低到1 480 r/min，此階段系統(tǒng)的加速度較小，認(rèn)為電機(jī)等效負(fù)載仍為125 N·m。通過調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速即可實現(xiàn)軌道車在一定范圍內(nèi)調(diào)速行走，將實際的調(diào)速階段縮短，主要表現(xiàn)雙電機(jī)調(diào)速性能。

(3)準(zhǔn)確停止。運(yùn)行到1.6 s時，位置傳感器發(fā)出信號，電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為0，此時，雙電機(jī)需要提供轉(zhuǎn)矩160 N·m，單電機(jī)等效負(fù)載為80 N·m。運(yùn)行到1.9 s時電機(jī)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)降為0，同時切斷電源，實現(xiàn)準(zhǔn)確停車，保證了停車的準(zhǔn)確性。

仿真分析中采用三相異步電機(jī)，電機(jī)1和電機(jī)2均是37 kW、380 V、50 Hz、2對極，其他參數(shù)如表1所示。雙電機(jī)同步控制方式包括主從控制、并行控制和交叉耦合控制等[6-7]。

表1 雙電機(jī)參數(shù)對比表

2 主從控制

圖3是雙電機(jī)主從控制的原理圖。采用該控制策略時，電機(jī)1的輸出轉(zhuǎn)速作為電機(jī)2轉(zhuǎn)速的參考值。任何加在電機(jī)1上的轉(zhuǎn)速指令或負(fù)載干擾均會得到電機(jī)2的響應(yīng)并跟隨，然而任何電機(jī)2上的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩擾動都不能反饋給電機(jī)1。因此，主從控制屬于開環(huán)控制[8]。采用主從控制策略的控制系統(tǒng)一般是對速度和位置精度要求不高的行業(yè)，因一旦系統(tǒng)的控制速度或負(fù)載發(fā)生改變時，雙電機(jī)間的同步精度很難得到保證[9]。

在圖4中可以看出雙電機(jī)的轉(zhuǎn)速軌跡在達(dá)到額定轉(zhuǎn)速前有很大差別。在圖5中可以直觀地看出瞬時轉(zhuǎn)速差在-25～+100 r/min之間。并且，雙電機(jī)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)差異較大，如圖6所示，雖能滿足電機(jī)調(diào)速的要求，但達(dá)不到啟動和停止階段的扭矩要求。因此，采用主從控制策略的雙電機(jī)系統(tǒng)不能滿足壓鑄生產(chǎn)線的生產(chǎn)要求。

圖3 主從控制原理圖Fig.3 Schematic diagram of master-slave control

圖4 主從控制雙電機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線Fig.4 The speed of master-slave control double motors

圖5 主從控制雙電機(jī)轉(zhuǎn)速誤差Fig.5 The speed error of master-slave control double motors

圖6 主從控制雙電機(jī)扭矩響應(yīng)Fig.6 The torque of master-slave control double motors

3 并行控制

圖7是并行控制的原理圖。采用該控制策略的整個控制系統(tǒng)屬于開環(huán)控制，當(dāng)系統(tǒng)中任何一臺電機(jī)受到干擾時，兩臺電機(jī)間就會產(chǎn)生同步誤差，同步性較差[9]。

在圖8中可以看出雙電機(jī)的速度軌跡在達(dá)到額定轉(zhuǎn)速前差別略大。在圖9中可以直觀的看出瞬時轉(zhuǎn)速差在-9～+12 r/min之間。并且雙電機(jī)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)差異較小，如圖10所示，能滿足啟動、調(diào)速和停止的扭矩要求。因此，采用并行控制的軌道車控制系統(tǒng)綜合性能優(yōu)于采用主從控制的控制系統(tǒng)。

圖7 并行控制原理圖Fig.7 Schematic diagram of parallel control

圖8 并行控制雙電機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線Fig.8 The speed of parallel control double motors

圖9 并行控制雙電機(jī)轉(zhuǎn)速誤差Fig.9 The speed error of parallel control double motors

圖10 并行控制雙電機(jī)扭矩響應(yīng)Fig.10 The torque of parallel control double motors

4 交叉耦合控制

圖11是交叉耦合控制的原理圖。該控制策略最初由Koren在上世紀(jì)80年代提出，交叉耦合控制能夠根據(jù)需要實現(xiàn)反饋同步控制，在很大程度上完善了雙電機(jī)控制系統(tǒng)的同步運(yùn)行精度[10]。交叉耦合控制策略與并行控制策略相比較，前者的主要特點在于將雙電機(jī)的實時轉(zhuǎn)速或精確位置進(jìn)行對比，以獲得一個附加的差值反饋信號，并將該信號作為同步跟蹤信號，系統(tǒng)將顯示出任何一個電機(jī)的負(fù)載擾動，從而取得更好的同步控制精度。而且與主從控制策略和并行控制策略相比，交叉耦合控制屬于閉環(huán)控制[11]。

在圖12中可以看出雙電機(jī)的速度軌跡差別

圖11 交叉耦合控制原理圖Fig.11 Schematic diagram of cross-coupling control

很小，并且在圖13中可以直觀的看出最大瞬時轉(zhuǎn)速差在-2～+2 r/min之間。交叉耦合控制的雙電機(jī)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)差異很小，如圖14所示，能滿足啟動、調(diào)速和停止的扭矩要求。

綜上所述，壓鑄生產(chǎn)線的軌道車采用交叉耦合控制策略最合適，既能保證軌道車的平穩(wěn)啟動、可調(diào)速運(yùn)行及準(zhǔn)確停止，也保證了鋼包端蓋與鋼包的準(zhǔn)確鎖緊，進(jìn)而保證了壓鑄生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率。

圖12 交叉耦合控制雙電機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線Fig.12 The speed of cross-coupling control double motors

圖13 交叉耦合控制雙電機(jī)轉(zhuǎn)速誤差Fig.13 The speed error of cross-coupling control double motors

圖14 交叉耦合控制雙電機(jī)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)Fig.14 The torque of cross-coupling control double motors

5 結(jié)論

本文對主從控制、并行控制和交叉耦合控制三種雙電機(jī)同步控制軌道車策略進(jìn)行了建模和仿真，通過對仿真結(jié)果的比較，驗證了采用交差耦合控制的壓力鑄鋼生產(chǎn)線的軌道車控制系統(tǒng)比采用主從控制和并行控制的系統(tǒng)具有更高的同步精度，提高了雙電機(jī)的跟隨性能，增強(qiáng)了系統(tǒng)的魯棒性，并且兼顧了系統(tǒng)響應(yīng)的快速性和穩(wěn)定性，能夠滿足壓鑄生產(chǎn)線的生產(chǎn)要求。

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Simulation of synchronous control to railway vehicle for double-motor in production line of pressure cast steel

ZHENG Peng，HAO Shi-qi

(Mechanical Engineering College of Shenyang University of Technology, Shenyang 110870， China)

For the problem of synchronous control railway vehicle in the production line of pressure cast steel, double-motor synchronization control system is studied by Simulink. The three common double-motor sychronous control methods (master-slave control,parallel control and cross-coupling control)were selected to be modeled and simulated on the basic of a synchronous motor acted as a traction motor. The results verify that the railway vehicles controlled by the cross-coupling control is the best to follow and can ensure the production efficiency of pressure cast steel.

pressure cast steel；double-motor；master-slave control；parallel control；cross-coupling control

2015-10-31；

2016-01-12

鄭鵬(1964-)，男，遼寧沈陽人，博士，碩士生導(dǎo)師，沈陽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授，主要從事復(fù)雜曲面加工技術(shù)等方面的研究等。

郝詩祺(1992-)，男，遼寧錦州人，碩士，沈陽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生，研究方向為壓力鑄鋼設(shè)備行走驅(qū)動控制系統(tǒng)研究。

U239.4

A

1001-196X(2016)05-0091-05