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盾构机刀盘驱动最优控制分析 　　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。S7