煤矿井下排水泵的双电机同步控制策略分析

郭卫风

(国能神东煤炭集团有限责任公司石圪台煤矿，陕西 榆林 719000)

0 引言

随着现代大型煤矿资源的开发越来越困难，对煤矿井下排水系统的安全运行、水源的合理配置、节能降耗的要求越来越高。水泵是排水系统中的主要设备之一，随着多电机控制技术的快速发展，水泵机组多电机同步控制系统的控制策略和控制算法已成为许多学者的研究内容[1-3]。目前大型矿用水泵电机工作条件十分的艰难，其自身的结构设计技术水平也具有一些局限性，在实际工程作业时，经常会导致大量的能量损失，使得实际扬程降低，从而严重影响水泵工作效率[4-8]。

针对单台水泵电机的控制已无法满足煤矿井下自动化生产要求的现状，提出将双电机控制技术应用在矿井工作当中，设计一个双电机泵装置。在煤矿井下排水系统中，采用双电机拖动水泵的装置来满足排水过程中高扬程高效率的要求，对双电机同步性能要求更高。因此，分析由2个永磁同步电动机组成的同步控制系统及其优化的同步控制算法，以实现2台电机的同步协调控制。

1 机械同步控制方法

1.1 工作原理

机械同步方法是用于控制2个或更多个电动机的最传统的控制方法。机械同步控制方式的主要原理是在该系统中建立高功率电动机作为控制系统的主电动机；通过驱动系统中剩余电动机的运行，实现电动机的多轴同步控制。当单元上的负载突然增大时，该单元产生相反速度的扭矩，并且扭矩通过变速器传递到机械主轴。由于所有单元的输入信号是机械总轴的旋转角速度，因此剩余单元的速度也将随着总机械轴速度而变化。当负载变化时，与其直接连接的单元的速度发生变化，其他单元处于机械总轴的作用下，速度也会改变。因此通过机械总轴的协调，电动机将从非同步状态变为同步运行状态。

1.2 不足之处

尽管机械同步方式广泛应用于煤矿井下排水系统的双电机泵的设计中，但此种方案仍有许多不足之处[9-11]。采用单台电动机拖动负载，单元的负载受到了限制。由于机械总轴的固有弹性受到限制，机械总轴的最大输出扭矩与轴的横截面积成正比；与总轴长度成反比，电机距离较远时需增大总轴的横截面积，从而保证机械总轴拖动负载时所需的扭矩，提高了系统的成本，且机械总轴容易产生振荡现象。当谐振频率低时，系统的稳定性将受到影响；当需要调节转速比的时候，只能采取更换齿轮的方式，不够灵活。此外，所有的机械单元通过齿轮箱连接在一起，其结构相对固定。鉴于机械同步控制方法的上述缺点，电子同步控制方法逐渐发展并广泛应用于生产和生活中。

2 电子同步控制方法

2.1 并行控制方式

并行(并联)控制出现较早，属于一种同步控制，其结构如图1所示。系统中的2个电机为并联关系，具有相同的速度值，然后通过控制器串联。反馈控制是单独实现的，因此每个电机及其逆变器和控制器形成一个闭环系统。

并行(并联)同步控制系统的优点在于该系统在电机启动和停止阶段具有良好的同步性能，但通过观察其框图，整个控制系统实际上等同于开环控制系统。将系统的仿真模拟时间设置为0.5 s，2台电机均在空载时启动，2台电机的输入速度在启动时为500 r/min；在0.15 s时，给第1台主动电机加负载转矩10 N/m，令第2台从动电机保持空载状态；在0.3 s时，系统给出的步进输入从500 r/min变为400 r/min，仿真曲线如图2所示。可以看出，在0.15 s时，由于2个电机驱动的负载并不平衡，第1台主动电机的转速降低，第2台从动电机的转速不变，第2台从动电机不能跟随第1台从动电机转速的变化而变化，并且在速度突然下降的情况下，2个电机之间存在的同步误差大，最高可达25 r/min，如图2(c)所示。在稳定状态下，2个电机之间仍然存在同步误差。因此，在实际工业生产应用中，并联控制结构无法实现同步输出的速度。

图2 仿真曲线Fig.2 Simulation curve

2.2 主从控制方式

由于并联控制就像2个电机使用相同的输入信号进行控制，但是2个电机之间没有直接的逻辑关系连接，系统很容易被干扰，控制精度会因此受到相应的影响。如图3所示，在以并行控制为基础的前提下，改进了主从控制，其基本思想是其中一个电机用作主轴，另一个用作从轴。速度信号只在主轴上输入，主轴的输出信号则输入到从机。在此控制策略下，无论主电动机的速度或负载如何变化，从电机都能根据变化及时作出反应。这在一定程度上满足了高速和高精度的要求。但是，如果转速由于电动机的干扰而发生改变，主电动机不能跟随电动机的变化而发生相应的变化。因此，这种同步控制方式不能够满足工程需要。

图3 主从控制结构框图Fig.3 Block diagram of master-slave control structure

同样，设定系统的模拟时间为0.5 s，2个电机都保持空载启动。在0.3 s时，系统给出的步进输入从500 r/min变为400 r/min，仿真曲线如图4所示。由得出的仿真结果图可知，当由于自身原因或外部原因而产生的主电机的转速值发生波动时，其从电机的操作命令将会以自身的变化反映出主电机更换或有所改变。根据图5所示，电机会产生高达40 r/min的同步误差，在系统开始启动时其主电机速度将会发生突变。扰动只会产生单项影响，具体表现在当转速受电机扰动干扰时主电机不会跟随同步电机变化。因此可知，该策略并不适用于工程应用中要求的多工况，只适合少部分具有明显主从关系的场合。

图4 系统仿真全过程Fig.4 The whole process of system simulation

图5 从电机加载时电机转速响应Fig.5 Motor speed response diagram when the slave motor is loaded

2.3 偏差耦合控制方式

偏差耦合控制方式并非是将电机之间的位置或是速度差值，当作全部电机的反馈补偿，从而改善轴之间的协调性能，而是关联了一个电机的自状态和其他电机的自状态，其所需要的速度控制精度，通常情况下也较为合理，如图6所示。但由于该种控制策略的计算量比较大，运算过程复杂，不适用于位置同步要求高的场合。

图6 偏差耦合控制结构框图Fig.6 Block diagram of deviation coupling control structure

2.4 交叉耦合控制方式

交叉耦合控制策略结构如图7所示。其仍然选择2个使用相同输入信号的电机，以保证2个电机能同时对输入信号作出响应，并输入补偿器。该补偿器可通过对2个信号进行相关的算法应用，以得到补偿信号。最后，给2个电机分别反馈补偿信号。该方式不仅保证了2台电机同时接收给定的信号并作出相应的响应，而且2台电机间的差值也得到了相应地校正，系统同步性能良好。交叉耦合控制可以很好地控制2个受控对象的精度。

图7 交叉耦合控制结构框图Fig.7 Block diagram of cross-coupling control structure

系统动态响应仿真曲线如图8所示。模拟时间设定为0.5 s，2个电机均在空载时启动，给定电机的输入速度在开始时为500 r/min。在0.15 s时，给主动电机的负载转矩为10 N/m，令从动电机保持在空载状态。在0.3 s时，系统给出的步进输入从500 r/min变为400 r/min。

图8 系统动态响应Fig.8 System dynamic response diagram

在系统启动初期，主电机与从电机两者起始运转速度同步。此时，若出现附加的负载扰动或当前速度发生突变时，将会导致之前一致的速度产生一定的差异，经仿真可得最大差异值为4 r/min。0.3 s左右，速度值下降100 r/min，当超过0.015 s后，系统再次恢复稳定状态。进入稳定状态后，其转速误差的稳态值维持在0.05 r/min范围内。因此可得出交叉耦合同步控制结构的同步性能较为优良。

可以看出，不管是哪种同步控制策略，都有其对应的优点和缺点。系统启动期间产生的波动不会影响后续过程的测量结果，因此在选择控制方法时，应首先确保系统的稳定性。

3 双电机同步控制方式的选择

并联控制方式结构比较简单，无干扰时同步精度高，但是其抗干扰性能较弱，控制精度在紧急情况下不够准确。从电机跟踪滞后的问题，仅靠主从控制系统的结构不能够被解决。即便是移位法，也难以消除这些问题。与前3种控制策略相比，在双电机同步控制系统中，交叉耦合控制方法更为合适，可以保证较小的相位差。经研究和分析，比较上述4种常用的双电机电同步控制方法的优缺点，见表1。综合分析可得，交叉耦合同步控制策略可以更好地满足系统所需的同步性能。

表1 4种同步控制方法的优缺点Table 1 Advantages and disadvantages of four synchronous control methods

4 结论

(1)为研究2台电机的协同运动过程，主要针对并行控制、主从控制以及交叉耦合控制这3种控制结构下的双电机控制系统进行了分析。

(2)并行控制虽然控制方式比较简单，无干扰时同步精度高，但是其抗干扰性能较弱，控制精度在紧急情况下不够准确。

(3)通过仿真研究得出交叉耦合同步控制策略优于其他控制策略，可以更好地满足系统所需的同步性能。