一种矿井提升机悬停控制装置及悬停控制方法

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一种矿井提升机悬停控制装置及悬停控制方法
申请号	CN201410194610.X	申请日	2014-05-09	公开(公告)号	CN104129691B	公开(公告)日	2017-02-15
申请人	徐州中矿大传动与自动化有限公司;			发明人	谭国俊; 吴轩钦; 李浩; 刘毅;
摘要	本发明涉及一种矿井提升机悬停控制装置及悬停控制方法，其特征在于，所述控制装置包括上位机、悬停控制系统模块、逆变器及提升机所述上位机通过悬停控制系统模块控制逆变器，进而实现对提升机的悬停控制，所述提升机的悬停控制信息反馈到悬停控制系统模块。相对于现有技术，本发明的优点如下，该技术方案有效地解决了矿井提升机遛坡距离大、稳定性差的问题，同时对于有速度传感器的提升系统，还大大降低了在零速条件下观测精度给系统带来的负面影响，使系统更加稳定、收敛速度更快，具备较好的速度控制及转矩响应性能。
权利要求	1.一种矿井提升机悬停控制装置，其特征在于，所述控制装置包括上位机（1）、悬停控制系统模块（2）、逆变器（3）及提升机（4），所述上位机（1）通过悬停控制系统模块（2）控制逆变器（3），进而实现对提升机（4）的悬停控制，所述提升机(4)的悬停控制信息反馈到悬停控制系统模块（2），所述悬停控制系统模块（2）由速度给定环节（21）、速度测量及反馈环节（22）、悬停控制器环节（23）、电机控制环节（24）、空间矢量脉宽调制环节(25)、脉冲信号光电耦合环节(26)和数据处理及数据交互模块(27)组成，所述的速度给定环节（21）和速度测量及反馈环节（22）分别与悬停控制器环节（23）相连，电机控制环节（24）分别与悬停控制器环节（23）及空间矢量脉宽调制环节（25）相连，脉冲信号光电耦合环节（26）与空间矢量脉宽调制环节（25）相连，数据处理及数据交互模块（27）分别与悬停控制器环节(23)、电机控制环节(24)和上位机(1)相连；所述脉冲信号光电耦合环节（26）由光纤收发器、外围驱动芯片、电阻R1、电容C1、C2组成，所述光纤收发器设置为T-1522Z、R-2522Z，所述外围驱动芯片设置为DS75451，所述外围驱动芯片DS75451的管脚4接地，管脚6连接电源VCC，管脚7输入脉冲电信号，管脚5与光纤收发器T-1522Z的管脚1相连，电阻R1两端分别与外围驱动芯片DS75451的管脚5和管脚6连接，电容C1的两端分别与外围驱动芯片DS75451的管脚6及地连接，光纤收发器T-1522Z的管脚2接地，光纤收发器R-2522Z的管脚2接地，光纤收发器R- 2522Z的管脚3接电源VCC1，电容C2两端分别与光纤收发器R-2522Z的管脚2、管脚3相连，光纤收发器R-2522Z的管脚1与管脚4短接作为输出端，输出脉冲电信号。 2.如权利要求1所述的矿井提升机悬停控制装置，其特征在于，所述悬停控制器环节（23）包括速度比较及处理环节（231）和非线性悬停控制器（232），所述速度比较环节（231）与非线性悬停控制器（232）相连，速度给定环节（21）和速度测量及反馈环节（22）分别输出速度给定信号ωref和提升机实际转速ωr，经速度比较及处理环节（231）输出与转速相关的信息量至非线性悬停控制器（232），非线性悬停控制器（232）输出电磁转矩给定信息量Tref。 3.如权利要求2所述的矿井提升机悬停控制装置，其特征在于，所述空间矢量脉宽调制环节（25）的输入为两相静止αβ坐标系下的电压矢量u α、u β，基于空间矢量脉宽调制即SVPWM策略，输出触发逆变器（3）所需的脉冲电信号。 4.如权利要求2或3所述的矿井提升机悬停控制装置，其特征在于，所述数据处理及数据交互模块（27）通过数字信号处理器及可编程逻辑控制器对采集的数据进行处理，并通过Profibus、CAN总线形式实现与上位机的信息交互。 5.采用权利要求1-4任意一项所述的悬停控制装置的悬停控制方法，其特征在于，具体实施步骤为： 1）、速度给定环节（21）输出速度给定信号为ωref=0rpm，速度测量及反馈环节（22）采集提升机（4）的实际转速ωr，并将速度给定信号ωref及实际转速ωr发送给速度比较及处理环节（231）； 2）、速度比较及处理环节（231）对速度给定信号ωref及实际转速ωr进行信号处理后输出实际转速ωr及其幅值\|ωr\|、速度偏差量Δωr及幅值\|Δωr\|，其具体实施步骤为： 21）、速度给定信号ωref及实际转速ωr构成闭环，实现对提升机（4）的速度闭环控制； 22）、速度给定信号ωref减去实际转速ωr得到速度偏差量Δω，进而求取其幅值\|Δω\|，具体可按式Δωr=ωref - ωr计算； 3）、非线性悬停控制器（232）采集速度比较及处理环节(231)输出的实际转速ωr及其幅值\|ωr\|、速度偏差量Δωr及幅值\|Δωr\|，输出电磁转矩给定信息量Tref供给电机控制环节(24)， 4）、将电磁转矩给定信息量Tref传输至电机控制环节(24)，经矢量解耦控制或直接转矩控制算法输出空间矢量脉宽调制环节(25)所需的电压矢量或者电压矢量及磁链矢量，空间矢量脉宽调制环节（25）输出的触发脉冲信号经脉冲信号光电耦合环节（26）对逆变器（3）进行控制，进而实现对提升机（4）的悬停控制，所述步骤3具体实施步骤为： 31）、非线性悬停控制器（232）采集速度比较及处理环节（231）输出的实际转速ωr及其幅值\|ωr\|，对提升机（4）进行初始转矩观测，输出初始转矩Tref1，设定初始转矩增益系数为η，观测的初始转矩Tref1具体可由表达式实现； 32）、非线性悬停控制器（232）采集速度比较及处理环节（231）输出的速度偏差量Δωr及其幅值\|Δωr\|，对提升机（4）进行初始转矩扰动量估测，输出初始转矩扰动量Tref2，设定初始转矩扰动量增益系数为λ，估测的初始转矩扰动量Tref2具体可由表达式实现； 33）、非线性悬停控制器（232）综合初始转矩Tref1及初始转矩扰动量Tref2，输出电磁转矩给定信息量Tref供给电机控制环节（24）；具体可通过式实现。
说明书全文	一种矿井提升机悬停控制装置及悬停控制方法技术领域 [0001] 本发明涉及一种悬停控制装置，具体地说是一种矿井提升机悬停控制装置及悬停控制方法，属于电力拖动控制技术领域。背景技术 [0002] 在煤矿的安全生产过程中，矿井提升机主要承担着提升煤炭、提升与下放设备及矿井工人运输等任务，为此，不仅需要对提升机的转速进行精确控制，还需要对提升机进行悬停控制。通常，矿井提升机静止的时候多通过外围机械抱闸设备使其静止不动，以方便物品及人员的进出提升罐笼，当提升机准备运行时，首先要对机械抱闸设备进行松闸，此时为了保证配重及提升货物或者人员的重量平衡，电机驱动设备需要采取有效的悬停控制方法迅速而平稳的提供与负载力矩相反的初始转矩，从而避免遛坡现象。不仅如此，在某些特殊情况下，矿井提升机控制装置还需要具备在外围机械抱闸设备不抱闸的前提下实现短时乃至长时间悬停提升物的能力。可见，对矿井提升机悬停控制装置及方法的研究是非常有必要的，并且具有工业应用实际意义。 [0003] 传统的针对矿井提升机的悬停控制方法多采用直流电流注入法，其改进的方法为PI调节器控制法。前者通过直流电建立的静止磁场来保持电机悬停，但该方法无负载扰动自矫正功能，同时耐冲击能力较差。对于PI调节器控制法，在矿井提升机的运行转速接近零速、输出电磁转矩不连续的情况下，PI调节器中的比例调节环P已不起作用，此时，仅仅是PI调节器中的积分调节环I在发挥作用；进一步，由于数字控制系统中PI调节器表现为离线的形式，PI调节器输出力矩的最大步长间隔必须满足小于最大静摩擦力的2倍的条件，为此需要选取较小的积分系数，否则无法在全局条件下满足提升机悬停稳定的要求，然而，为了尽可能的减小遛坡距离，需要增加PI调节器的积分系数，因此，采用PI调节器作为悬停控制方法的实现形式在控制参数选择上存在矛盾，其结果是矿井提升机在某一位置附近抖动，是无法有效解决矿井提升机悬停控制问题的。因此，迫切的需要一种新的技术方案解决上述技术问题。发明内容 [0004] 本发明正是针对现有技术中存在的技术问题，提供一种矿井提升机悬停控制装置及悬停控制方法，该装置有效地解决矿井提升机遛坡距离大、稳定性差的问题，同时对于有速度传感器的提升系统，还大大降低了在零速条件下观测精度给系统带来的负面影响，使系统更加稳定、收敛速度更快，具备较好的速度控制及转矩响应性能。 [0005] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下，一种矿井提升机悬停控制装置，其特征在于，所述控制装置包括上位机、悬停控制系统模块、逆变器及提升机，所述上位机通过悬停控制系统模块控制逆变器，进而实现对提升机的悬停控制，所述提升机的悬停控制信息反馈到悬停控制系统模块。 [0006] 作为本发明的一种改进，所述悬停控制系统模块悬停控制系统模块由速度给定环节、速度测量及反馈环节、悬停控制器环节、电机控制环节、空间矢量脉宽调制环节、脉冲信号光电耦合环节和数据处理及数据交互模块组成，所述的速度给定环节和速度测量及反馈环节分别与悬停控制器环节相连，电机控制环节分别与悬停控制器环节及空间矢量脉宽调制环节相连，脉冲信号光电耦合环节与空间矢量脉宽调制环节相连，数据处理及数据交互模块分别与悬停控制器环节、电机控制环节和上位机相连。所述悬停控制器环节通过采集速度给定环节输出的速度给定信号ωref和速度测量及反馈环节输出的提升机的实际转速ωr，经悬停控制器环节输出控制提升机所需的电磁转矩给定信息量Tref至电机控制环节，经矢量解耦控制或直接转矩控制算法输出空间矢量脉宽调制环节所需的调制矢量，空间矢量脉宽调制环节输出的触发脉冲信号经脉冲信号光电耦合环节对逆变器进行控制，数据处理及数据交互模块采集悬停控制器环节及电机控制环节的必要的控制信息量与上位机进行交互。 [0007] 作为本发明的一种改进，所述悬停控制器环节包括速度比较及处理环节和非线性悬停控制器，所述速度比较环节与非线性悬停控制器相连，速度给定环节和速度测量及反馈环节分别输出速度给定信号ωref和提升机实际转速ωr，经速度比较及处理环节输出与转速相关的信息量至非线性悬停控制器，非线性悬停控制器输出电磁转矩给定信息量Tref。 [0008] 作为本发明的一种改进，所述空间矢量脉宽调制环节的输入为两相静止αβ坐标系下的电压矢量u α、u β，基于空间矢量脉宽调制（SVPWM）策略，输出触发逆变器所需的脉冲电信号。鉴于脉冲电信号的抗干扰能力较差，将脉冲电信号经脉冲信号光电耦合环节进行信号转化，转换成光信号，对逆变器进行控制，同时采集逆变器的触发脉冲反馈信号。 [0009] 作为本发明的一种改进，所述脉冲信号光电耦合环节由光纤收发器、外围驱动芯片、电阻R1、电容C1、C2组成，所述光纤收发器设置为T-1522Z、R-2522Z，所述外围驱动芯片设置为DS75451，所述外围驱动芯片DS75451的管脚4接地，管脚6连接电源VCC，管脚7输入脉冲电信号，管脚5与光纤收发器T-1522Z的管脚1相连，电阻R1两端分别与外围驱动芯片DS75451的管脚5和管脚6连接，电容C1的两端分别与外围驱动芯片DS75451的管脚6及地连接，光纤收发器T-1522Z的管脚2接地，光纤收发器R-2522Z的管脚2接地，光纤收发器R-2522Z的管脚3接电源VCC1，电容C2两端分别与光纤收发器R-2522Z的管脚2、管脚3相连，光纤收发器R-2522Z的管脚1与管脚4短接作为输出端，输出脉冲电信号。 [0010] 作为本发明的一种改进，所述数据处理及数据交互模块通过数字信号处理器及可编程逻辑控制器对采集的数据进行处理，并通过Profibus、CAN总线等形式实现与上位机1的信息交互。 [0011] 一种矿井提升机悬停控制装置的悬停控制方法，其特征在于，所述具体实施步骤为： [0012] 1）、速度给定环节输出速度给定信号为ωref=0rpm，速度测量及反馈环节采集提升机的实际转速ωr，并将速度给定信号ωref及实际转速ωr发送给速度比较及处理环节； [0013] 2）、速度比较及处理环节对速度给定信号ωref及实际转速ωr进行信号处理后输出实际转速ωr及其幅值\|ωr\|、速度偏差量Δωr及幅值\|Δωr\|，其具体实施步骤为： [0014] 21）、速度给定信号ωref及实际转速ωr构成闭环，实现对提升机的速度闭环控制； [0015] 22）、速度给定信号ωref减去实际转速ωr得到速度偏差量Δω，进而求取其幅值\|Δω\|，具体可按式Δωr=ωref - ωr计算； [0016] 3）、非线性悬停控制器232采集速度比较及处理环节231输出的实际转速ωr及其幅值\|ωr\|、速度偏差量Δωr及幅值\|Δωr\|，输出电磁转矩给定信息量Tref供给电机控制环节24，所述步骤3具体实施步骤为： [0017] 31）、非线性悬停控制器采集速度比较及处理环节输出的实际转速ωr及其幅值\|ωr\|，对提升机进行初始转矩观测，输出初始转矩Tref1，设定初始转矩增益系数为η，观测的初始转矩Tref1具体可由表达式实现； [0018] 32）、非线性悬停控制器采集速度比较及处理环节输出的速度偏差量Δωr及其幅值\|Δωr\|，对提升机进行初始转矩扰动量估测，输出初始转矩扰动量Tref2，设定初始转矩扰动量增益系数为λ，估测的初始转矩扰动量Tref2具体可由表达式实现； [0019] 33）、非线性悬停控制器综合初始转矩Tref1及初始转矩扰动量Tref2，输出电磁转矩给定信息量Tref供给电机控制环节；具体可通过式实现。 [0020] 4）、将电磁转矩给定信息量Tref传输至电机控制环节，经矢量解耦控制或直接转矩控制算法输出空间矢量脉宽调制环节所需的电压矢量（电压矢量及磁链矢量），空间矢量脉宽调制环节25输出的触发脉冲信号经脉冲信号光电耦合环节26对逆变器3进行控制，进而实现对提升机4的悬停控制。 [0021] 相对于现有技术，本发明的优点如下，该技术方案有效地解决了矿井提升机遛坡距离大、稳定性差的问题，同时对于有速度传感器的提升系统，还大大降低了在零速条件下观测精度给系统带来的负面影响，使系统更加稳定、收敛速度更快，具备较好的速度控制及转矩响应性能。附图说明 [0022] 图1是本发明的原理框图； [0023] 图2是本发明的悬停控制方法框图； [0024] 图3是本发明的悬停控制器原理图； [0025] 图4是本发明的脉冲信号光电耦合环节原理图； [0026] 图5是本发明的一种具体实施方式的仿真结果波； [0027] 图5(a)是本发明的速度给定环节输出速度给定波形； [0028] 图5(b)是本发明的悬停状态下突加负载转矩波形； [0029] 图5(c)是本发明的悬停状态下的转速响应波形； [0030] 图5(d)是本发明的悬停状态下提升机电磁转矩响应波形。 [0031] 图中：1、上位机，2、悬停控制系统模块，3、逆变器，4、提升机，21、速度给定环节，22、速度测量及反馈环节，23、悬停控制器环节，24、电机控制环节，25、空间矢量脉宽调制环节，26、脉冲信号光电耦合环节，27、数据处理及数据交互模块，231、速度比较及处理环节， 232、非线性悬停控制器。具体实施方式 [0032] 为了加深对本发明的理解和认识，下面结合附图对本发明作进一步描述和介绍。 [0033] 实施例1：如图1所示，一种矿井提升机悬停控制装置，所述控制装置包括上位机1、悬停控制系统模块2、逆变器3及提升机4，所述控制装置包括上位机1，所述上位机1通过悬停控制系统模块2控制逆变器3，进而实现对提升机4的悬停控制，所述提升机的悬停控制信息反馈到悬停控制系统模块2，参见图2，所述悬停控制系统模块悬停控制系统模块2由速度给定环节21、速度测量及反馈环节22、悬停控制器环节23、电机控制环节24、空间矢量脉宽调制环节25、脉冲信号光电耦合环节26和数据处理及数据交互模块27组成，所述的速度给定环节21和速度测量及反馈环节22分别与悬停控制器环节23相连，电机控制环节24分别与悬停控制器环节23及空间矢量脉宽调制环节25相连，脉冲信号光电耦合环节26与空间矢量脉宽调制环节25相连，数据处理及数据交互模块27分别与悬停控制器环节23、电机控制环节24和上位机1相连。所述悬停控制器环节23通过采集速度给定环节21输出的速度给定信号ωref和速度测量及反馈环节输出的提升机4的实际转速ωr，经悬停控制器环节23输出控制提升机4所需的电磁转矩给定信息量Tref至电机控制环节24，经矢量解耦控制或直接转矩控制算法输出空间矢量脉宽调制环节25所需的调制矢量，空间矢量脉宽调制环节25输出的触发脉冲信号经脉冲信号光电耦合环节26对逆变器3进行控制，数据处理及数据交互模块27采集悬停控制器环节23及电机控制环节24的必要的控制信息量与上位机1进行交互。 [0034] 参见图3，作为本发明的一种改进，所述悬停控制器环节23包括速度比较及处理环节231和非线性悬停控制器232，所述速度比较环节231与非线性悬停控制器232相连，速度给定环节21和速度测量及反馈环节22分别输出速度给定信号ωref和提升机实际转速ωr，经速度比较及处理环节231输出与转速相关的信息量至非线性悬停控制器232，非线性悬停控制器232输出电磁转矩给定信息量Tref。所述空间矢量脉宽调制环节25的输入为两相静止αβ坐标系下的电压矢量u α、u β，基于空间矢量脉宽调制（SVPWM）策略，输出触发逆变器3所需的脉冲电信号。鉴于脉冲电信号的抗干扰能力较差，将脉冲电信号经脉冲信号光电耦合环节26进行信号转化，转换成光信号，对逆变器3进行控制，同时采集逆变器3的触发脉冲反馈信号。所述脉冲信号光电耦合环节26由光纤收发器、外围驱动芯片、电阻R1、电容C1、C2组成，所述光纤收发器设置为T-1522Z、R-2522Z，所述外围驱动芯片设置为DS75451，所述外围驱动芯片DS75451的管脚4接地，管脚6连接电源VCC，管脚7输入脉冲电信号，管脚5与光纤收发器T-1522Z的管脚1相连，电阻R1两端分别与外围驱动芯片DS75451的管脚5和管脚6连接，电容C1的两端分别与外围驱动芯片DS75451的管脚6及地连接，光纤收发器T-1522Z的管脚2接地，光纤收发器R-2522Z的管脚2接地，光纤收发器R-2522Z的管脚3接电源VCC1，电容C2两端分别与光纤收发器R-2522Z的管脚2、管脚3相连，光纤收发器R-2522Z的管脚1与管脚4短接作为输出端，输出脉冲电信号。所述数据处理及数据交互模块27通过数字信号处理器及可编程逻辑控制器对采集的数据进行处理，并通过Profibus、CAN总线等形式实现与上位机1的信息交互。 [0035] 实施例2：参见图1—图3，一种矿井提升机悬停控制装置的悬停控制方法，所述具体实施步骤为： [0036] 1）、速度给定环节21输出速度给定信号为ωref=0rpm，速度测量及反馈环节22采集提升机4的实际转速ωr，并将速度给定信号ωref及实际转速ωr发送给速度比较及处理环节231； [0037] 2）、速度比较及处理环节231对速度给定信号ωref及实际转速ωr进行信号处理后输出实际转速ωr及其幅值\|ωr\|、速度偏差量Δωr及幅值\|Δωr\|，其具体实施步骤为： [0038] 21）、速度给定信号ωref及实际转速ωr构成闭环，实现对提升机（4）的速度闭环控制； [0039] 22）、速度给定信号ωref减去实际转速ωr得到速度偏差量Δω，进而求取其幅值\|Δω\|，具体可按式Δωr=ωref - ωr计算； [0040] 3）、非线性悬停控制器232采集速度比较及处理环节231输出的实际转速ωr及其幅值\|ωr\|、速度偏差量Δωr及幅值\|Δωr\|，输出电磁转矩给定信息量Tref供给电机控制环节24，所述步骤3具体实施步骤为： [0041] 31）、非线性悬停控制器232采集速度比较及处理环节231输出的实际转速ωr及其幅值\|ωr\|，对提升机4进行初始转矩观测，输出初始转矩Tref1，设定初始转矩增益系数为η，观测的初始转矩Tref1具体可由表达式实现； [0042] 32）、非线性悬停控制器232采集速度比较及处理环节231输出的速度偏差量Δωr及其幅值\|Δωr\|，对提升机4进行初始转矩扰动量估测，输出初始转矩扰动量Tref2，设定初始转矩扰动量增益系数为λ，估测的初始转矩扰动量Tref2具体可由表达式实现； [0043] 33）、非线性悬停控制器232综合初始转矩Tref1及初始转矩扰动量Tref2，输出电磁转矩给定信息量Tref供给电机控制环节24；具体可通过式实现。 [0044] 4）、将电磁转矩给定信息量Tref传输至电机控制环节24，经矢量解耦控制或直接转矩控制算法输出空间矢量脉宽调制环节25所需的电压矢量或者电压矢量及磁链矢量，空间矢量脉宽调制环节25输出的触发脉冲信号经脉冲信号光电耦合环节26对逆变器3进行控制，进而实现对提升机4的悬停控制。 [0045] 本发明一种矿井提升机悬停控制装置及方法的具体仿真实施例中，仿真波形如图5所示，提升机4为采用交流电励磁同步电机实现电力拖动的设备，电机控制环节24采用电流双闭环矢量解耦控制算法，仿真时间为1s。其工作过程为：悬停状态下，速度给定环节21输出速度给定信号为ωref=0rpm，如图5(a)所示，通过仿真模拟提升机悬停状态，同时在仿真t=0.5s时突加位势性负载T=-200N.m来模拟提升机悬停状态下启动，如图5（b）所示。速度测量及反馈环节22采集提升机4的实际转速ωr，悬停控制器环节23通过采集速度给定环节 21输出的速度给定信号ωref和速度测量及反馈环节22输出的提升机的实际转速ωr，经悬停控制器环节23输出控制提升机所需的电磁转矩给定信息量Tref至电机控制环节24，经电流双闭环矢量解耦控制算法输出空间矢量脉宽调制环节25所需的空间电压矢量u α及u β，空间矢量脉宽调制环节25输出的触发脉冲信号经脉冲信号光电耦合环节26对逆变器3进行控制，进而实现对提升机4的悬停控制；图5(c)是本发明的悬停状态下的转速响应波形，图5(d)是本发明的悬停状态下提升机电磁转矩响应波形，采用本发明所述的方法，悬停状态下，提升机转速经过瞬间波动，转速波动小于3rpm,同时电磁转矩响应时间小于8ms, 转速及电磁转矩可以迅速跟随给定量，并且稳态条件下，电磁转矩保持为-200Nm,与突加位势性负载相同，提升机转速保持在零速状态下，可见提升机转速及电磁转矩动态性能及稳态性能较好，系统更加稳定、收敛速度更快，具备较好的速度控制及转矩响应性能。 [0046] 需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。