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摘要:结合盾构机实际的应用，对刀盘驱动常用的三种控制方式的优缺点进行分析，提出的最优的控制方式。其控制效果良好，提高盾构机驱动系统的可靠性和工作效率。
关键词: 盾构机；变频驱动；最优控制
Abstract: Combined with the application on tunnel boring machine, analyse the advantages and disadvantages in three commonly used kinds of control mode on the cutter head drive, the optimal control mode was proposed. The control worked well, which improve the reliability of shield machine and production efficiency.
Key words: tunnel boring machine, optimal control, variable frequency drive
中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：
1 引言
盾构机，是一种新型的隧道掘进设备，具有安全性高、可靠性好、开挖速度快、人员劳动强度小等特点，集机械、液压、电气技术与一体，涉及地质、土木、测量、控制等多门学科技术。随着城市地下交通网络的建立，盾构法施工已经在地铁、铁路、公路、市政、水电等工程施工中广泛应用。早期的盾构机多为液压驱动，随着时代的发展和科技的进步，交流变频调速技术已经成为盾构机发展的主要趋势。变频器对电机进行控制，是根据电动机的特性参数及电动机的运转要求，对电动机的电压、电流、频率进行控制，达到负载要求。因此不同的控制方式，其控制效果也是不一样的【1】。在北方重工全断面掘进机国家重点实验室中，我们利用3米试验机这个平台，进行了一系列的刀盘变频驱动的实验，收集了一些实验数据。通过对比分析可以得出各种控制方法，最终确定最优控制系统。
2 变频驱动控制系统的构成
2.1盾构机刀盘驱动工艺性能
盾构机刀盘主驱动部分的圆周分布着刀盘驱动电机，电机的数量与盾构机的开挖直径、地质构造和盾构机相关类型有关。这些刀盘电机通过减速机以及安装在轴上的小齿轮与回转大齿轮咬合，刚性的连接成一个整体，驱动方式为多电机共同驱动同一个负载。设备的工艺性能要求多台电机同步运行，并且各个电机的负荷平衡分配，这就对控制系统的性能和结构提出较高的控制要求。
2.2 变频控制的几种常见方式
(1)V/f控制
V/f控制实在改变电机的电源频率的同时，改变电机电源的电压，使电机磁通保持一定，在较宽的调速范围内，使电机的频率、功率因数下降。V/f控制变频器结构简单，但采用的是开环控制方式，不能达到较高的控制要求，而且，在频率较低时，必须进行转矩补偿，以改变低频转矩特性。在任何情况下，输出电压不可能超过输入电压，随着转速的增加，获得转矩与速度成反比的减少，电机不在恒转矩运行，但是功率是恒定的。
(2) 转差频率控制
转差频率控制是是施加于电机的交流电源频率与电机速度的频率差。与V/f控制相比，它需要检测电机的转速，构成速度闭环，速度调节器的输出为转差频率，然后以电机的速度与转差频率之和作为变频器的给定频率。所以这种控制方式的加减速特性和限制过电流的能力比V/f控制要好，速度静态误也差小。
(3) 矢量控制
矢量控制，也称磁场定向控制。通过控制各矢量的作用顺序和时间以及零矢量的作用时间，又可以形成各种PWM波，达到各种不同的控制目的。目前在变频器中实际应用的矢量控制方式主要有基于转差频率控制的矢量控制方式和无速度传感器的矢量控制方式两种。
(4) 直接转矩控制
直接转矩控制是利用空间矢量坐标的概念，在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩，转矩控制的优越性在于，转矩控制是控制定子磁链，在本质上不需要转速的信息，即使在开环的状态下，也能输出100%的额定转矩，对于多拖动具有负荷平衡功能。【2】
2.3 控制系统组成
整个刀盘变频主驱动由西门子s7400 plc 通过Profibus现场总线连接到变频器s120的控制单元CU320-2 DP上，每个CU320-2 DP 可以最多可以控制6个变频电机。4台30KW的水冷主驱动电机，分别由4台55KW的逆变器供电。逆变器所需的直流电压由一台整流单元供给。逆变器和CU320-2 DP之间通过DRIVE-CLiQ电缆连接，可以保证控制单元和逆变器之间进行快速的数据交换。S7400 plc发出刀盘的启停命令和速度给定通过profibus-dp 传送到控制单元CU320-2 DP 上，控制单元根据不同的算法，控制逆变器的输出频率来控制电机的转速【3】。详细的结构图如下：
图1 系统结构
数据的采集及分析
3.1 V-F频率控制方式：
V-F频率控制方式是一种最简单的变频器控制方法，是一种开环控制策略。采用这种控制方式下，主驱动的4台变频电机在控制上是完全独立的，只是在机械安装上是要求机械同步的。变频器接收到plc信号后，根据给定值给出一个固定的输出频率，电机在这个转速下运行。这4台电机的负荷平衡就得靠电机本身的滑差特性来进行补偿。
图2电机运行曲线图和电流波形放大图
通过上面图形可以看出，电机的电流波动范围在21.5A~23A的范围之内，波动比较大。总体来看各个电机的电流相当。
3.2 转矩主从的同步控制：
转矩主从控制是一种典型的同步控制方式，4台电机中有一台电机为主电机，其余3台电机为从电机。主电机的控制方式速度控制，从电机为转矩控制，主电机的电流环输出作为从电机的转矩给定值。
图3电机波形和给定速度反馈速度图：
图4电机电流波形和单台电机的电流波形图
图5电机转速波形图
从上面的波形图可以看出：在转矩主从控制的方式下，电机的电流波动在14.4~15A的范围之内，速度的160rpm~170rpm之间，4台电机的电流波形重合的非常好。
3.3 速度主从的控制方式：
速度主從的控制方式是指：4台电机都采用速度控制，主电机的速度控制器的积分输出作为从电机的转矩附加给定值。
图6电机波形图和给定和反馈速度波形图
图7电流波形图和电流波形放大图
图8单台电机电流波形:
速度主从的控制方式下，各个电机的电流在15A~15.5A的区间内波动，波动幅度较小，各个电流曲线也完美的重合在一块。电机的波动范围在87rpm~95rpm之间波动。
4 结论
通过对三种不同控制方式进行试验，通过采集的数据进行绘图、对比和分析以后可以发现速度主从的控制效果要好于转矩主从控制。VF控制效果最差。
采用速度矢量控制方式的主从控制，当速度发生变化时，各个驱动器的速度环节起主要的调节作用；当速度没有发生变化时，主驱动的转矩积分量起主要的调节作用，起到和转矩控制一样的作用。采用速度矢量控制方式的主从控制，较其他常规的主从控制的突出优点是：当负载转矩发生异常突变时，还有速度环起调节作用，不会产生所谓的“飞车”危险。按此控制方式运行后，通过对盾构机的参数测量和对驱动过程的数据观察，控制效果良好，能够很好的满足盾构机的实际运用要求。
参考文献
陈伯时.电力拖动自动控制系统-运动控制系统【M】.第3版.北京:机械工业出版社，2003.
天津电气传动设计研究所.电气传动自动化技术手册【M】.北京：中国电力出版社，2005.
西门子有限公司.SINAMICS S120调试手册【Z】.2007.
杨金虎（1986-），男，本科，助理工程师
关键词: 盾构机；变频驱动；最优控制
Abstract: Combined with the application on tunnel boring machine, analyse the advantages and disadvantages in three commonly used kinds of control mode on the cutter head drive, the optimal control mode was proposed. The control worked well, which improve the reliability of shield machine and production efficiency.
Key words: tunnel boring machine, optimal control, variable frequency drive
中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：
1 引言
盾构机，是一种新型的隧道掘进设备，具有安全性高、可靠性好、开挖速度快、人员劳动强度小等特点，集机械、液压、电气技术与一体，涉及地质、土木、测量、控制等多门学科技术。随着城市地下交通网络的建立，盾构法施工已经在地铁、铁路、公路、市政、水电等工程施工中广泛应用。早期的盾构机多为液压驱动，随着时代的发展和科技的进步，交流变频调速技术已经成为盾构机发展的主要趋势。变频器对电机进行控制，是根据电动机的特性参数及电动机的运转要求，对电动机的电压、电流、频率进行控制，达到负载要求。因此不同的控制方式，其控制效果也是不一样的【1】。在北方重工全断面掘进机国家重点实验室中，我们利用3米试验机这个平台，进行了一系列的刀盘变频驱动的实验，收集了一些实验数据。通过对比分析可以得出各种控制方法，最终确定最优控制系统。
2 变频驱动控制系统的构成
2.1盾构机刀盘驱动工艺性能
盾构机刀盘主驱动部分的圆周分布着刀盘驱动电机，电机的数量与盾构机的开挖直径、地质构造和盾构机相关类型有关。这些刀盘电机通过减速机以及安装在轴上的小齿轮与回转大齿轮咬合，刚性的连接成一个整体，驱动方式为多电机共同驱动同一个负载。设备的工艺性能要求多台电机同步运行，并且各个电机的负荷平衡分配，这就对控制系统的性能和结构提出较高的控制要求。
2.2 变频控制的几种常见方式
(1)V/f控制
V/f控制实在改变电机的电源频率的同时，改变电机电源的电压，使电机磁通保持一定，在较宽的调速范围内，使电机的频率、功率因数下降。V/f控制变频器结构简单，但采用的是开环控制方式，不能达到较高的控制要求，而且，在频率较低时，必须进行转矩补偿，以改变低频转矩特性。在任何情况下，输出电压不可能超过输入电压，随着转速的增加，获得转矩与速度成反比的减少，电机不在恒转矩运行，但是功率是恒定的。
(2) 转差频率控制
转差频率控制是是施加于电机的交流电源频率与电机速度的频率差。与V/f控制相比，它需要检测电机的转速，构成速度闭环，速度调节器的输出为转差频率，然后以电机的速度与转差频率之和作为变频器的给定频率。所以这种控制方式的加减速特性和限制过电流的能力比V/f控制要好，速度静态误也差小。
(3) 矢量控制
矢量控制，也称磁场定向控制。通过控制各矢量的作用顺序和时间以及零矢量的作用时间，又可以形成各种PWM波，达到各种不同的控制目的。目前在变频器中实际应用的矢量控制方式主要有基于转差频率控制的矢量控制方式和无速度传感器的矢量控制方式两种。
(4) 直接转矩控制
直接转矩控制是利用空间矢量坐标的概念，在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩，转矩控制的优越性在于，转矩控制是控制定子磁链，在本质上不需要转速的信息，即使在开环的状态下，也能输出100%的额定转矩，对于多拖动具有负荷平衡功能。【2】
2.3 控制系统组成
整个刀盘变频主驱动由西门子s7400 plc 通过Profibus现场总线连接到变频器s120的控制单元CU320-2 DP上，每个CU320-2 DP 可以最多可以控制6个变频电机。4台30KW的水冷主驱动电机，分别由4台55KW的逆变器供电。逆变器所需的直流电压由一台整流单元供给。逆变器和CU320-2 DP之间通过DRIVE-CLiQ电缆连接，可以保证控制单元和逆变器之间进行快速的数据交换。S7400 plc发出刀盘的启停命令和速度给定通过profibus-dp 传送到控制单元CU320-2 DP 上，控制单元根据不同的算法，控制逆变器的输出频率来控制电机的转速【3】。详细的结构图如下：
图1 系统结构
数据的采集及分析
3.1 V-F频率控制方式：
V-F频率控制方式是一种最简单的变频器控制方法，是一种开环控制策略。采用这种控制方式下，主驱动的4台变频电机在控制上是完全独立的，只是在机械安装上是要求机械同步的。变频器接收到plc信号后，根据给定值给出一个固定的输出频率，电机在这个转速下运行。这4台电机的负荷平衡就得靠电机本身的滑差特性来进行补偿。
图2电机运行曲线图和电流波形放大图
通过上面图形可以看出，电机的电流波动范围在21.5A~23A的范围之内，波动比较大。总体来看各个电机的电流相当。
3.2 转矩主从的同步控制：
转矩主从控制是一种典型的同步控制方式，4台电机中有一台电机为主电机，其余3台电机为从电机。主电机的控制方式速度控制，从电机为转矩控制，主电机的电流环输出作为从电机的转矩给定值。
图3电机波形和给定速度反馈速度图：
图4电机电流波形和单台电机的电流波形图
图5电机转速波形图
从上面的波形图可以看出：在转矩主从控制的方式下，电机的电流波动在14.4~15A的范围之内，速度的160rpm~170rpm之间，4台电机的电流波形重合的非常好。
3.3 速度主从的控制方式：
速度主從的控制方式是指：4台电机都采用速度控制，主电机的速度控制器的积分输出作为从电机的转矩附加给定值。
图6电机波形图和给定和反馈速度波形图
图7电流波形图和电流波形放大图
图8单台电机电流波形:
速度主从的控制方式下，各个电机的电流在15A~15.5A的区间内波动，波动幅度较小，各个电流曲线也完美的重合在一块。电机的波动范围在87rpm~95rpm之间波动。
4 结论
通过对三种不同控制方式进行试验，通过采集的数据进行绘图、对比和分析以后可以发现速度主从的控制效果要好于转矩主从控制。VF控制效果最差。
采用速度矢量控制方式的主从控制，当速度发生变化时，各个驱动器的速度环节起主要的调节作用；当速度没有发生变化时，主驱动的转矩积分量起主要的调节作用，起到和转矩控制一样的作用。采用速度矢量控制方式的主从控制，较其他常规的主从控制的突出优点是：当负载转矩发生异常突变时，还有速度环起调节作用，不会产生所谓的“飞车”危险。按此控制方式运行后，通过对盾构机的参数测量和对驱动过程的数据观察，控制效果良好，能够很好的满足盾构机的实际运用要求。
参考文献
陈伯时.电力拖动自动控制系统-运动控制系统【M】.第3版.北京:机械工业出版社，2003.
天津电气传动设计研究所.电气传动自动化技术手册【M】.北京：中国电力出版社，2005.
西门子有限公司.SINAMICS S120调试手册【Z】.2007.
杨金虎（1986-），男，本科，助理工程师