倪少軍，王 海，郭 燕

（1.國家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司麥垛山煤礦，寧夏銀川 750001；2.北京百正創(chuàng)源科技有限公司，北京 100081；3.寧夏第一建筑有限公司，寧夏銀川 750001）

伺服控制可根據(jù)物體所處位置、速度及加速度數(shù)值，對其運(yùn)動行為進(jìn)行有效控制，常采用“大極電機(jī)”的設(shè)計(jì)思想，在高密度電機(jī)設(shè)備的支持下，對電機(jī)所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場進(jìn)行調(diào)試[1-2]。在控制方案的實(shí)施過程中，除光電編碼器之外，還需設(shè)置必要的傳感器結(jié)構(gòu)。隨著數(shù)字編程技術(shù)的應(yīng)用，IIR 濾波器、SVPWM 調(diào)制器始終具備較強(qiáng)的通訊控制能力，一方面可將SPI 等并行通信接口調(diào)試至統(tǒng)一的連接形式，另一方面也可實(shí)現(xiàn)對用戶參數(shù)的實(shí)時給定與設(shè)計(jì)。

在永磁電機(jī)輸送系統(tǒng)中，由于帶式輸送機(jī)設(shè)備的傳動鏈條過長，容易導(dǎo)致電機(jī)傳動效率的快速下降，從而造成永磁體元件的嚴(yán)重?fù)p壞。為避免上述情況的發(fā)生，傳統(tǒng)變頻式電機(jī)控制手段在環(huán)流表達(dá)式的支持下，對磁體繞組形式進(jìn)行分類研究，再借助電磁場系數(shù)，實(shí)現(xiàn)對皮帶輸送機(jī)應(yīng)用能力的精準(zhǔn)分析。然而該方法的調(diào)試能力有限，很難達(dá)到理想化的控制效果。為解決此問題，引入伺服控制策略，設(shè)計(jì)一種新型的帶式輸送機(jī)永磁直驅(qū)控制技術(shù)手段，通過建立三相靜止坐標(biāo)系的方式，對主要電磁參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，再通過對比實(shí)驗(yàn)的方式，突出說明該方法的實(shí)際應(yīng)用價值。

1 基于伺服控制策略的電機(jī)數(shù)學(xué)模型

在伺服控制策略的支持下，電機(jī)數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)包含永磁同步電機(jī)工作原理分析、三相靜止坐標(biāo)系搭建、空間矢量調(diào)制3個處理環(huán)節(jié)，具體操作方法如下。

1.1 永磁同步電機(jī)工作原理

帶式輸送機(jī)的永磁同步電機(jī)設(shè)備由定子、轉(zhuǎn)子兩部分共同組成。其中，定子元件所處位置始終不可變，可聯(lián)合硅鋼片、固定鐵芯等應(yīng)用設(shè)備，建立完整的繞組分布環(huán)境。轉(zhuǎn)子元件所處位置存在一定程度的可變性，當(dāng)三相空間中的正弦電流傳輸形式保持對稱狀態(tài)時，轉(zhuǎn)子元件所處的實(shí)際連接位置越遠(yuǎn)，永磁同步電機(jī)內(nèi)的磁場應(yīng)用環(huán)境也就越穩(wěn)定。在不考慮其他干擾條件的情況下，永磁同步電機(jī)的工作能力只受電壓驅(qū)動量、電流驅(qū)動量兩項(xiàng)物理指標(biāo)的直接影響[3-4]。電壓驅(qū)動量可表示為Umax，電流驅(qū)動量可表示為Imax，一般情況下，前者的物理數(shù)值越小、后者的物理數(shù)值越大，最終計(jì)算所得的永磁同步電機(jī)工作能力也就越強(qiáng)。聯(lián)立上述物理量，可將永磁同步電機(jī)的實(shí)際工作能力表達(dá)式定義為：

式中，qˉ代表電磁量傳輸均值，α代表帶式輸送機(jī)電磁場中的電子切向角數(shù)值，u1、u2分別代表兩個不同的磁向量傳輸系數(shù)。

1.2 三相靜止坐標(biāo)系

三相靜止坐標(biāo)系示意圖如圖1 所示，其描述了永磁電子在帶式輸送機(jī)磁場中的實(shí)際運(yùn)動行為，且由于伺服控制策略的影響，坐標(biāo)系所覆蓋的物理空間越大，最終計(jì)算所得的電機(jī)直驅(qū)控制效果就越理想[5-6]。完整的三相靜止坐標(biāo)系由X軸、Y軸、Z軸3 根完全不相關(guān)的直線結(jié)構(gòu)組成，其中X軸為正極為永磁電子的橫向傳輸正方向，Y軸為正極為永磁電子的縱向傳輸正方向，Z軸為正極為永磁電子的空間傳輸正方向，α為空間基向量p與e之間的物理夾角。在上述物理量的支持下，聯(lián)立式（1）可將基于伺服控制策略的三相靜止坐標(biāo)系定義為：

圖1 三相靜止坐標(biāo)系示意圖

1.3 空間矢量調(diào)制

對于帶式輸送機(jī)設(shè)備來說，永磁功率器件的開關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)能量相對有限，因此直驅(qū)環(huán)境中的導(dǎo)通矢量位置也是有限的。空間矢量調(diào)制就是在三相靜止坐標(biāo)系支持下，對永磁功率器件磁連接能力的規(guī)劃與控制。一般情況下，在三相靜止坐標(biāo)系環(huán)境中，a、b、c 三條輸電線路始終保持連續(xù)開放狀態(tài)，且由于M1、M2、M3調(diào)制作用線的影響，M 電動機(jī)中的電磁傳輸能力始終保持相對穩(wěn)定的數(shù)值狀態(tài)[7-8]。

2 帶式輸送機(jī)永磁直驅(qū)控制技術(shù)

在伺服控制策略電機(jī)數(shù)學(xué)模型的支持下，按照電機(jī)磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、氣隙磁密波形分析、主要電磁參數(shù)計(jì)算的處理流程，實(shí)現(xiàn)了帶式輸送機(jī)永磁直驅(qū)控制技術(shù)方法的順利應(yīng)用。

2.1 電機(jī)磁路結(jié)構(gòu)

帶式輸送機(jī)的電機(jī)磁路結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為定子在內(nèi)、轉(zhuǎn)子在外的連接形式，大多具有徑向磁量輸出的能力，由于伺服控制策略的影響，整個磁路結(jié)構(gòu)中部必須預(yù)留出螺孔通路，一方面可便于永磁體設(shè)備的固定連接，另一方面也可縮小保護(hù)套與電機(jī)結(jié)構(gòu)體之間的實(shí)際連接距離[9-10]。

當(dāng)帶式輸送機(jī)永磁體元件出現(xiàn)損壞時，轉(zhuǎn)子軛結(jié)構(gòu)的傳輸速度也會隨之加快，直至永磁體外部的物理溫度達(dá)到理想數(shù)值水平后，定子元件與永磁體設(shè)備之間的連接緊密程度也會逐漸增大，直至二者之間的電磁摩擦力能夠較好地制約帶式輸送機(jī)的物理滑動向心力[11-12]。圖2 為電機(jī)磁路結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 電機(jī)磁路結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 氣隙磁密波形

氣隙磁密波形分析可在保證帶式輸送機(jī)永磁驅(qū)動能力的同時，對磁體量進(jìn)行有效地平均處理，一方面控制了伺服控制策略的實(shí)際消耗成本，另一方面也使得電機(jī)磁路設(shè)備的應(yīng)用時間得到充分延長。此外，氣隙磁密波的切向結(jié)構(gòu)始終指向永磁體內(nèi)部，可促使電機(jī)磁路連接能力發(fā)生快速改變，從而使得永磁體設(shè)備的直驅(qū)控制能力得到有效保護(hù)[13-14]。在實(shí)際應(yīng)用的過程中，氣隙磁密波形始終保持完全對稱的存在形式，由于其自身的凸極特性狀態(tài)，波段主體的交軸電抗系數(shù)始終大于直軸電抗系數(shù)，而當(dāng)外部磁極較為貼近核心永磁體時，氣隙磁密波形的抗磁能力才能得到最大化地提升。設(shè)c1代表最小的磁密波波動系數(shù)，cn代表最大的磁密波波動系數(shù)，n代表磁密波波長頻值，聯(lián)立式（2），可將帶式輸送機(jī)的氣隙磁密波形表示為：

式中，h1代表第一個磁密波波動指標(biāo)，hn代表第n個磁密波波動指標(biāo)，f代表電機(jī)磁路結(jié)構(gòu)中的永磁電動量。

2.3 主要電磁參數(shù)

主要電磁參數(shù)計(jì)算是基于伺服控制策略帶式輸送機(jī)永磁直驅(qū)控制技術(shù)應(yīng)用的實(shí)踐環(huán)節(jié)，可在已知?dú)庀洞琶懿ㄐ畏治鼋Y(jié)果的基礎(chǔ)上，確定帶式輸送機(jī)的實(shí)際磁通量水平，再聯(lián)合相關(guān)電機(jī)磁路結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對永磁體元件的合理保護(hù)。在不考慮其他干擾條件的情況下，帶式輸送機(jī)的主要電磁參數(shù)只受到永磁驅(qū)動時間、磁體變動量兩項(xiàng)物理指標(biāo)的直接影響[15-16]。永磁驅(qū)動時間可表示為ΔT，一般情況下，該項(xiàng)物理量越大，最終計(jì)算所得的主要電磁參數(shù)應(yīng)用等級水平越低。設(shè)b1、b2分別代表兩個不同的磁體變動量數(shù)值，聯(lián)立式（3），可將帶式輸送機(jī)的主要電磁參數(shù)計(jì)算結(jié)果表示為：

3 對比實(shí)驗(yàn)分析

為驗(yàn)證基于伺服控制策略帶式輸送機(jī)永磁直驅(qū)控制技術(shù)方法的實(shí)際應(yīng)用價值，設(shè)計(jì)對比實(shí)驗(yàn)。以圖3 所示帶式輸送機(jī)設(shè)備作為實(shí)驗(yàn)對象，分別利用實(shí)驗(yàn)組、對照組技術(shù)手段對其進(jìn)行控制，其中實(shí)驗(yàn)組采用基于伺服控制策略帶式輸送機(jī)永磁直驅(qū)控制技術(shù)方法，對照組采用傳統(tǒng)變頻式控制手段。

圖3 帶式輸送機(jī)設(shè)備

PSI 指標(biāo)能夠反映輸送機(jī)傳動鏈在永磁驅(qū)動狀態(tài)下所經(jīng)歷的物理傳輸距離的長短，一般情況下，PSI 指標(biāo)數(shù)值越大，輸送機(jī)傳動鏈所經(jīng)歷的物理傳輸距離也就越長，反之則越短。表1 記錄了實(shí)驗(yàn)組、對照組PSI 指標(biāo)數(shù)值的具體變化情況。

表1 PSI指標(biāo)數(shù)值對比表

分析表1 可知，隨著實(shí)驗(yàn)時間的延長，實(shí)驗(yàn)組PSI 指標(biāo)始終保持相對穩(wěn)定的數(shù)值波動變化狀態(tài)，整個實(shí)驗(yàn)過程中的最大數(shù)值結(jié)果僅能達(dá)到47.9%。對照組PSI 指標(biāo)則經(jīng)過一段時間的穩(wěn)定上升后，開始逐漸趨于穩(wěn)定，整個實(shí)驗(yàn)過程中的最大數(shù)值結(jié)果達(dá)到了79.0%，與實(shí)驗(yàn)組極值相比，上升了31.1%。綜上可知，應(yīng)用基于伺服控制策略帶式輸送機(jī)永磁直驅(qū)控制技術(shù)方法后，PSI 指標(biāo)數(shù)值得到了有效控制，可較好地解決輸送機(jī)傳動鏈在永磁驅(qū)動狀態(tài)下經(jīng)歷的物理傳輸距離過長的問題。

電機(jī)傳動效率可描述永磁體元件的實(shí)際損毀程度，一般情況下，電機(jī)傳動效率值越低，永磁體元件的實(shí)際損毀程度越大，反之則越小。表2 記錄了實(shí)驗(yàn)組、對照組電機(jī)傳動效率的具體數(shù)值變化情況。

分析表2可知，隨著實(shí)驗(yàn)時間的延長，實(shí)驗(yàn)組電機(jī)傳動效率保持先上升、再穩(wěn)定、最后下降的數(shù)值變化趨勢，整個實(shí)驗(yàn)過程中的最大數(shù)值達(dá)到了7.8 kW。對照組電機(jī)傳動效率則始終保持先上升、再下降的數(shù)值變化趨勢，整個實(shí)驗(yàn)過程中的最大數(shù)值僅能達(dá)到3.6 kW，與實(shí)驗(yàn)組極值相比，下降了4.2 kW。

表2 電機(jī)傳動效率數(shù)值對比表

綜上可知，應(yīng)用基于伺服控制策略帶式輸送機(jī)永磁直驅(qū)控制技術(shù)方法后，電機(jī)傳動效率值得到了有效促進(jìn)，可有效控制永磁體元件的實(shí)際損毀情況。

4 結(jié)束語

在伺服控制策略帶的作用下，新型帶式輸送機(jī)永磁直驅(qū)控制技術(shù)聯(lián)合三相靜止坐標(biāo)系，對空間矢量進(jìn)行了較好地調(diào)制，一方面可實(shí)現(xiàn)對氣隙磁密波形的精準(zhǔn)分析，另一方面也可得到準(zhǔn)確的主要電磁參數(shù)計(jì)算結(jié)果。從實(shí)用性角度來看，PSI 指標(biāo)數(shù)值的減小、電機(jī)傳動效率的升高，可有效縮短傳動鏈的實(shí)際傳輸長度，在抑制永磁體元件損毀方面具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用能力。