一种永磁驱动矿用刮板输送机链张力平衡控制系统及方法与流程

本发明涉及井下物料运输领域，尤其涉及一种永磁驱动矿用刮板输送机链张力平衡控制系统及方法。

背景技术：

矿用刮板输送机是综合机械化采煤工作面的关键装备之一，其能否可靠、稳定、高效运行直接影响到现代化煤矿的安全及生产能力。矿用刮板输送机运行工况恶劣、负载变化大、随机振动与冲击现象明显，刮板链是最直接承受落煤负载的部件，因此，两根刮板链动张力具有时变特性、瞬时张力大且难以控制的特点，易导致刮板链在驱动链轮分离点处产生松弛乃至堆积而发生掉链、卡链及断链等事故。目前实际应用中的刮板输送机链张力调节方式主要为停机被动调节的方法，不具备实时调控性能，不利于在运输过程中对刮板链张力进行调节与维护；且现有刮板链张力调节是对双链的张紧程度进行调节，无法对两跟刮板链张力分别进行控制，因此不能调节两根刮板链张力差异。

且现有刮板输送机驱动系统常使用软启动装置，例如液力偶合器、可控驱动装置、变频调速装置，但是由于这种软启动装置功率损失大、维护困难、存在谐波污染，且减速器在使用过程会出现漏油、断轴、齿损等故障。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种永磁驱动矿用刮板输送机链张力平衡控制系统及方法，有效解决刮板机工作过程中两根刮板链张力不平衡的问题，同时实时监测整条刮板链张力分布情况，提供工作效率。

为达上述目的，本发明提供一种永磁驱动矿用刮板输送机链张力平衡控制系统，包括刮板机机头链轮一、机头链轮二、机尾链轮一和机尾链轮二，机头链轮一和机尾链轮一同时连接一根刮板链，机头链轮二和机尾链轮二同时连接另一根刮板链，机头链轮一和机头链轮二同轴相连在同一个刮板机机头上，机尾链轮一的轮轴一和机尾链轮二的轮轴二分开设置，刮板机的底座上平行设有两个伺服驱动液压缸，且伺服驱动液压缸一和伺服驱动液压缸二的缸座均固定在刮板机底座上，伺服驱动液压缸一的缸杆端与机尾链轮一相连，伺服驱动液压缸二的缸杆端与机尾链轮二相连；

与各链轮啮合部位的链条上安装有刮板链应变片，伺服驱动液压缸一内设有位移传感器一，伺服驱动液压缸二内设有位移传感器二，伺服驱动液压缸一与机尾链轮一相连位置设有拉压力传感器一，伺服驱动液压缸二与机尾链轮二相连位置设有拉压力传感器二；

刮板链应变片将张力信号、位移传感器一和位移传感器二将两个伺服驱动液压缸的位移信号、拉压力传感器一和拉压力传感器二将两个伺服驱动液压缸的拉压力信号分别传输至链条张力平衡控制模块，链张力平衡控制模块根据预设程序计算并输出控制电流至控制伺服驱动液压缸一动作的伺服阀一以及控制伺服驱动液压缸二的伺服阀二。

进一步的，链张力平衡控制模块包括实时控制器、模拟量输出d/a板、模拟量采集a/d板和调理模块，实时控制器中包括链张力分布观测器、链张力平衡自适应控制器以及液压缸位置跟踪控制器，链张力信号经调理模块处理后传输至链张力分布观测器，链张力分布观测器处理后的数据传输至链张力平衡自适应控制器，链张力平衡自适应控制器根据预设程序计算各链轮需要调节的距离，并将该距离信息传输至液压缸位置跟踪控制器，液压缸位置跟踪控制器根据上述距离信息、两个位移传感器的位移信号、两个拉压力传感器的拉压力信号计算出控制两个伺服驱动液压缸的两个伺服阀控制电流并传输至两个伺服阀。

进一步的，所述链张力信号通过无线传输方式输送至实时控制器。具体的，刮板链应变片安装位置处设有无线信号发射装置，链张力平衡控制模块还包括无线信号采集系统，无线信号采集系统中的无线信号接收装置接收来自无线信号发射装置的刮板链张力信号；实时控制器还包括信号传输延时补偿控制器，采集到的两条链张力信号依次经过传输延时补偿控制器和链张力分布观测器处理后进入链张力平衡自适应控制器。

进一步的，刮板机底座上平行固定有两个导轨，机尾链轮一与导轨一位于同一垂直面，且机尾链轮一可沿导轨一前后移动，机尾链轮二与导轨二位于同一垂直面，且机尾链轮二可沿导轨二前后移动。

进一步的，机头链轮一和机头链轮二的驱动机构为机头永磁同步电机，机尾链轮一的驱动机构为机尾永磁同步电机一，机尾链轮二的驱动机构为机尾永磁同步电机二。

进一步的，所述机头永磁同步电机的转动轴外安装有机头电机编码器，机尾永磁同步电机一的转动轴外安装有机尾电机编码器一，机尾永磁同步电机二的转动轴外安装有机尾电机编码器二；机头永磁同步电机的转动轴与机头链轮一、机头链轮二的连接轴相连处安装有机头扭矩传感器，机尾永磁同步电机一的转动轴与机尾链轮一连接轴相连处安装有机尾扭矩传感器一，机尾永磁同步电机二的转动轴与机尾链轮二连接轴相连处安装有机尾扭矩传感器二；机头电机编码器、机尾电机编码器一、机尾电机编码器二、机头扭矩传感器、机尾扭矩传感器一、机尾扭矩传感器二分别将机头永磁同步电机的转速信号、扭矩信号，和两个机尾永磁同步电机的转速信号、扭矩信号输送至永磁同步电机控制模块。

进一步的，永磁同步电机控制模块包括实时控制器、编码信号采集板、模拟量输出d/a板和调理模块，编码信号采集板分别将各电机编码器采集的各电机的转速信号发送至实时控制器；实时控制器包括电机转速控制器和同步控制器，电机转速控制器控制各电机按预设转速信号运行，同步控制器控制机尾两电机转速保持一致，永磁同步电机各控制信号通过模拟量输出d/a板输出，并经调理模块处理后发送至各永磁同步电机。

一种永磁驱动矿用刮板输送机链张力平衡控制方法，包括以下步骤：

第一步，设定机头永磁同步电机的参考速度信号，机头永磁同步电机编码器采集机头永磁同步电机的转速信号，并同步发送至实时控制器，实时控制器中的电机转速控制器结合机头扭矩传感器中的扭矩信号计算电机转速控制电信号，电信号发送至变频控制器，实现机头永磁同步电机的速度控制；

第二步，设定两个机尾永磁同步电机的参考速度信号，机尾永磁同步电机编码器一和机尾永磁同步电机编码器二分别采集机尾永磁同步电机一和机尾永磁同步电机二的转速信号，并同步发送至实时控制器，实时控制器中的电机转速控制器和电机同步控制器结合机尾扭矩传感器一、机尾扭矩传感器二计算电机转速控制电信号，电信号发送至变频控制器，实现机尾永磁同步电机的速度控制及同步控制；

第三步，刮板链张力无线采集系统将通过刮板链应变片采集到的链张力信号经调理模块处理后传输至信号传输延时补偿控制器，对无线信号传输过程中的信号延时进行动态补偿；

第四步，经过延时补偿后的链张力信号传输至链张力分布观测器，链张力分布观测器通过对各链轮位置处的刮板链张力信号分析得到整条刮板链的实时张力分布情况；

第五步，依次经过传输延时补偿控制器和链张力分布观测器处理后的两条刮板链张力信号进入链张力平衡自适应控制器，链张力平衡自适应控制器利用两根链条刮板链张力差计算出链轮需要调节的距离；

第六步，上述距离信号传输至液压缸位置跟踪控制器，同时结合伺服驱动液压缸的两个位移传感器的位移信号、两个拉压力传感器的拉压力信号计算出控制两个伺服驱动液压缸的两个伺服阀控制电流并传输至两个伺服阀，分别控制两个伺服驱动液压缸的不同驱动力的大小。

本发明的有益效果如下：

1)、本发明采用低速大扭矩永磁同步电机直接驱动刮板输送机链轮进行作业，构成永磁直驱系统，具有高效节能、无谐波电流和电磁干扰、适应恶劣环境等优势，不仅能够避免常用软启动装置存在的不足，而且可省去减速器装置，减小了矿用刮板输送机整体占地空间；

2)、本发明将链张力无线采集系统、信号传输延时补偿控制器和链张力分布观测器相结合，不仅能监测某一链节的受力情况，可以实时监测整条刮板链张力分布情况；

3)、本发明采用分体式机尾链轮装置，可以通过伺服液压缸对每根刮板链张力进行单独调节，从而控制两根刮板链之间的张力差，实现链张力平衡，解决了当前仅能调节链张紧程度的问题；

4)、链张力平衡自适应控制器包含非线性控制算法，可以补偿矿用刮板输送机链张力控制中存在的参数不确定性和外部干扰，可以实现刮板输送机运行过程中的链张力平衡精确控制，减小停机调整与维护时间，大大提高工作效率。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明控制系统原理图；

图3是本发明方法流程图。

图中：1、永磁同步电机控制模块；2、机头链轮一；3、刮板；4、机头链轮二；5、刮板链；6、导轨一；7、伺服驱动液压缸一；8、伺服阀一；9、位移传感器一；10、拉压力传感器一；11、机尾电机编码器一；12、机尾永磁同步电机一；13、机尾扭矩传感器一；14、机尾链轮一；15、机尾链轮二；16、机尾扭矩传感器二；17、机尾永磁同步电机二；18、机尾电机编码器二；19、拉压力传感器二；20、位移传感器二；21、伺服阀二；22、伺服驱动液压缸二；23、导轨二；24、无线信号采集系统；25、机头电机编码器；26、机头永磁同步电机；27、机头扭矩传感器；28、链张力平衡控制模块；29、底座。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明中的技术方案作详细的阐述。

如图1至图3所示，一种永磁驱动矿用刮板输送机链张力平衡控制系统，包括机头链轮一2、机头链轮二4、机尾链轮一14和机尾链轮二15，机头链轮一2和机尾链轮一14同时连接一根刮板链5，机头链轮二4和机尾链轮二15同时连接另一根刮板链5，机头链轮一2和机头链轮二4同轴相连在同一个刮板机机头上，机尾链轮一14的轮轴一和机尾链轮二15的轮轴二分开设置，刮板机的底座29上平行设有两个伺服驱动液压缸，且伺服驱动液压缸一7和伺服驱动液压缸二22的缸座均固定在刮板机的底座29上，伺服驱动液压缸一7的缸杆端与机尾链轮一14相连，伺服驱动液压缸二22的缸杆端与机尾链轮二15相连；刮板机底座29上平行固定有两个导轨，机尾链轮一14与导轨一6位于同一垂直面，且机尾链轮一14可沿导轨一6前后移动，机尾链轮二15与导轨二23位于同一垂直面，且机尾链轮二15可沿导轨二23前后移动。

与各链轮啮合部位的链条上安装有刮板链应变片，伺服驱动液压缸一7内设有位移传感器一9，伺服驱动液压缸二22内设有位移传感器二20，伺服驱动液压缸一7与机尾链轮一14相连位置设有拉压力传感器一10，伺服驱动液压缸二22与机尾链轮二15相连位置设有拉压力传感器二19；

本系统还包括链张力平衡控制模块28，链张力平衡控制模块28包括实时控制器、无线信号采集系统、模拟量输出d/a板、模拟量采集a/d板和调理模块，实时控制器中包括链张力分布观测器、链张力平衡自适应控制器、信号传输延时补偿控制器以及液压缸位置跟踪控制器，链张力信号经调理模块处理后传输至链张力分布观测器，无线信号采集系统采集到的两条链张力信号依次经过传输延时补偿控制器和链张力分布观测器处理后进入链张力平衡自适应控制器，链张力平衡自适应控制器根据预设程序计算各链轮需要调节的距离，并将该距离信息传输至液压缸位置跟踪控制器，液压缸位置跟踪控制器根据上述距离信息、两个位移传感器的位移信号、两个拉压力传感器的拉压力信号计算出控制两个伺服驱动液压缸的两个伺服阀控制电流并传输至两个伺服阀。

由于链张力信号通过无线装置进行发送与接收，因此信号存在传输延迟，上述的信号传输延时补偿控制器用于降低信号通过无线传输产生的延迟；链张力分布观测器通过采集的特定链张力信号，对整条刮板链的实时张力分布进行观测，从而为链张力平衡控制提供数据基础；链张力平衡自适应控制器可以利用两根链条刮板链张力差计算出链轮需要调节的距离；液压缸位置跟踪控制器根据上述距离，并结合各伺服液压缸的位移信号、拉压力信号分别计算调整两个伺服驱动液压缸的伺服阀一8和伺服阀二21的控制电流，从而通过分别调整伺服驱动液压缸一7和伺服驱动液压缸二22来分别驱动两个机尾链轮沿着两个导轨平移，以实现链条张力平衡的控制调整。

本实施例中，机头链轮一2和机头链轮二4的驱动机构为机头永磁同步电机26，机尾链轮一14的驱动机构为机尾永磁同步电机一12，机尾链轮二15的驱动机构为机尾永磁同步电机二17。

如图1和2所示，本系统还包括永磁同步电机控制模块1，永磁同步电机控制模块1包括实时控制器、编码信号采集板、模拟量输出d/a板和调理模块，机头永磁同步电机26的转动轴外安装有机头电机编码器25，机尾永磁同步电机一12的转动轴外安装有机尾电机编码器一11，机尾永磁同步电机二17的转动轴外安装有机尾电机编码器二18；机头永磁同步电机26的转动轴与机头链轮一2、机头链轮二4的连接轴相连处安装有机头扭矩传感器27，机尾永磁同步电机一12的转动轴与机尾链轮一14连接轴相连处安装有机尾扭矩传感器一13，机尾永磁同步电机二17的转动轴与机尾链轮二15连接轴相连处安装有机尾扭矩传感器二16；机头电机编码器25、机尾电机编码器一11、机尾电机编码器二18、机头扭矩传感器27、机尾扭矩传感器一13、机尾扭矩传感器二16分别将机头永磁同步电机的转速信号、扭矩信号，和两个机尾永磁同步电机的转速信号、扭矩信号输送至永磁同步电机控制模块1；编码信号采集板分别将各电机编码器采集的各电机的转速信号发送至实时控制器；实时控制器包括电机转速控制器和同步控制器，电机转速控制器控制各电机按预设转速信号运行，同步控制器控制机尾两电机转速保持一致，永磁同步电机各控制信号通过模拟量输出d/a板输出，并经调理模块处理后发送至各永磁同步电机。

如图3所示，一种永磁驱动矿用刮板输送机链张力平衡控制方法，包括以下步骤：

第一步，设定机头永磁同步电机的参考速度信号，机头永磁同步电机编码器25采集机头永磁同步电机26的转速信号，并同步发送至实时控制器，实时控制器中的电机转速控制器结合机头扭矩传感器27中的扭矩信号计算电机转速控制电信号，电信号发送至变频控制器，实现机头永磁同步电机的速度控制；

第二步，设定两个机尾永磁同步电机的参考速度信号，机尾永磁同步电机编码器一11和机尾永磁同步电机编码器二18分别采集机尾永磁同步电机一12和机尾永磁同步电机二17的转速信号，并同步发送至实时控制器，实时控制器中的电机转速控制器和电机同步控制器结合机尾扭矩传感器一13、机尾扭矩传感器二16计算电机转速控制电信号，电信号发送至变频控制器，实现机尾永磁同步电机的速度控制及同步控制；

第三步，刮板链张力无线采集系统24将通过刮板链应变片采集到的链张力信号经调理模块处理后传输至信号传输延时补偿控制器，对无线信号传输过程中的信号延时进行动态补偿；

第四步，经过延时补偿后的链张力信号传输至链张力分布观测器，链张力分布观测器通过对各链轮位置处的刮板链张力信号分析得到整条刮板链的实时张力分布情况；

第五步，依次经过传输延时补偿控制器和链张力分布观测器处理后的两条刮板链张力信号进入链张力平衡自适应控制器，链张力平衡自适应控制器利用两根链条刮板链张力差计算出链轮需要调节的距离；

第六步，上述距离信号传输至液压缸位置跟踪控制器，同时结合伺服驱动液压缸的两个位移传感器的位移信号、两个拉压力传感器的拉压力信号计算出控制两个伺服驱动液压缸的两个伺服阀控制电流并传输至两个伺服阀，分别控制两个伺服驱动液压缸的不同驱动力的大小。

第三步中，信号传输延时补偿控制器以刮板链张力为输出的动力学模型如下：

其中，x＝[x1x2]^t，x1为链张力信号，m(x,t,u)为系统系数矩阵，则链张力延时补偿信号可表示为：

其中，为补偿后信号，为实际输出信号，δt为无线采集延迟量，c为待设计增益。

第四步中链张力分布观测器的控制过程如下：

将链传动系统被离散化为n个离散单元，构建链传动状态空间方程为：

其中，为2n×1状态矩阵，u为输入矩阵,y为输出矩阵即观测值，为n阶单位矩阵,g为q×n反馈增益矩阵,且q为已知状态参量的个数，对应于传感器的个数，y观测器的状态反馈,可通过传感器测量直接获得。

第五步中，链张力平衡自适应控制器的系统非线性控制方程表示为如下形式：

其中，δ主要包括重载刮板输送机系统运行过程中刮板链在刮板链轮上运动波动、刮板链与中部槽之间摩擦造成的干扰；

最终控制输入可表示为

其中，η，k1和k2为待设计系数，e1和e2为系统偏差，自适应参数可表示如下，γ1和γ2为待设计增益系数

。