CN103026305A

CN103026305A - 双小齿轮驱动系统

Info

Publication number: CN103026305A
Application number: CN2011800388223A
Authority: CN
Inventors: R.凯勒; M.默坎格茨; G.帕帕福蒂奥
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 2010-08-10
Filing date: 2011-08-09
Publication date: 2013-04-03
Also published as: EP2418548A1; US20130157805A1; RU2013110065A; WO2012020031A3; EP2418548B1; CA2807196A1; KR20130034663A; US8866418B2; JP5705982B2; KR101499370B1; RU2540828C2; WO2012020031A2; JP2013538545A; CA2807196C; PL2418548T3; BR112013003148A2

Abstract

用于控制电机的控制系统包括控制器组件，其接收提供该电机的测量的参数的第一信号和提供该电机的第一参考参数的第二信号，并且使用该第一信号和第二信号来产生第一控制信号；第一滤波器组件，其从该电机接收该第一信号并且使用该第一信号来产生第二控制信号；以及第二滤波器组件，其可操作以从第二电机接收涉及该第二电机的参考参数的第三信号并且使用该第三信号来产生第三控制信号。该系统还包括第一输出组件，其可操作以接收这样的第一控制信号和这样的第二控制信号，并且将所述第一和第二控制信号组合来产生第一输出控制信号用于提供给所述第一电机，以及第二输出组件，其可操作以接收这样的第一控制信号和这样的第三控制信号，并且将这样的第一和第三控制信号组合来产生第二输出控制信号用于提供给第二电机。

Description

双小齿轮驱动系统

技术领域

本发明涉及双小齿轮驱动系统和关联的控制方法，具体来说，本发明涉及在双小齿轮变速驱动系统中前馈振动阻尼。

背景技术

双小齿轮变速驱动系统通常在水泥磨机中使用，其中两个变速驱动器连接到相同的水泥磨机。这样的系统2的一示例在图1中示出，并且包括第一马达11a、第二马达11b、对应的驱动转换器15a和15b以及水泥磨机16。

这样的系统的组件特征在于例如惯性、刚度和阻尼的多个物理性质，并且在它的操作期间存在系统内的每个组件之间这些性质的相互作用。组件之间机械性质的相互作用的图示在图2中示出。马达组件11a、b经由联接入组件12a、b和联接出组件14a、b作用在负载组件（在该情况下是水泥磨机）16上。组件11ab、12ab、14a,b和16中的每个表示系统内的惯性。扭矩10a、b分别输入驱动器11a、b内，并且在马达11a和联接入组件12a、联接入组件12a和联接出组件14a、联接出组件14a和负载16中的每组之间机械刚度13a和机械阻尼13b起作用。来自负载的输出是负载扭矩18a以及机械阻尼13b。

由于系统内这些机械性质的相互作用的结果，具有变速驱动器的双小齿轮驱动系统倾向于发生由扭转振动引起的问题。如果系统被认为是三体系统，即马达11a、11b和负载16，双小齿轮驱动系统展现低频振动的两个固有模式。在第一模式中，马达11a和11b反相振动，其中马达11a加速而马达11b减速并且反之亦然。这意味马达11a和11b交替牵引负载，这维持恒定速度。在该模式中操作的系统（具有软联接）的固有频率已被常常观察到在1至5Hz附近。在第二模式中，马达11a和11b彼此同相振动但与负载18相反。在该模式中操作的系统的固有频率已被观察为在3至8Hz附近，如可以看到的其比第一模式的固有频率高。

鉴于在第一模式或第二模式中操作的系统的固有振动频率中的变化，它们的设计的频率响应方面必须考虑包括能够阻尼固有振动模式两者的控制。

这样的已知双小齿轮驱动系统的频率响应（当例如在半自动研磨机中使用时）在图3中示出。曲线图（曲线图中的线A）图示第一马达11a的扭矩参考与马达11a的转速的比较，并且这示出频率响应的反相和同相振动。为了比较同样提供的是由线B示出的在单个小齿轮配置中的频率响应。如可以从线A看见的，除对三体系统的振动的固有模式外，还可以在240Hz附近看见高频模式。该高频模式是传动系统模型中柔性联接的结果。曲线图中的图示主要示出传动系统中的扭矩参考中的振动源具有在三个不同频率被放大的潜在风险。因此适当地评估控制系统来建立阻尼这些振动中的有效性是重要的。

在双小齿轮变速驱动系统（例如图1的双小齿轮变速驱动系统）中，马达11a、11b使用主控-随动配置控制，其中马达中的一个（11a）是主控驱动器并且通过提供输入到常见的比例积分（PI）速度控制器中而负责系统的速度控制，这意味马达11b是随动驱动器。主控驱动器的转速被输入到PI速度控制器中，其中它与预定设置点比较来计算扭矩参考信号。由此，扭矩命令由PI速度控制器生成并且发送到主控驱动转换器15a和第二驱动转换器15b两者。转换器15a和15b然后使用它们的现有内部控制系统（未示出）根据生成的扭矩命令来产生必要的电压波形以驱动它们的相应马达11a、11b。该过程的图示在图4中示出。

该控制拓扑的缺点是不管PI速度控制器调谐参数，没有阻尼反相振动并且从而对系统构成潜在风险。图5示出如受主控驱动器马达中的速度参考变化影响的随动驱动器的马达速度的频率响应。由此，可以看见控制系统要求的标称设置点跟踪性能引起随动驱动器的马达速度以及从而由互连系统的组件的轴保持的扭矩负载中的显著振动。

解谐PI速度控制器的控制设置减小振动的幅度，然而由于解谐的结果，控制性能降级超过对系统的可接受极限。

克服这些问题的另一个方式已牵涉执行反馈信号的大量低通滤波。该低通滤波可以阻尼系统内的振动，然而它具有减缓系统的总体闭环动态的撞击效应，这是不期望的。

发明内容

鉴于上文，本发明的目的是要避免或减轻前述问题中的至少一个。

根据本发明的第一方面，提供一种具有第一和第二电机的控制系统，该控制系统包括控制器组件，其可操作以接收与第一电机的测量的参数有关的第一信号和与这样的第一电机的参考参数有关的第二信号，该控制器组件可操作以使用该第一信号和第二信号来产生第一控制信号；第一滤波器组件，其可操作以从这样的第一电机接收这样的第一信号并且使用接收的第一信号来产生第二控制信号；第一输出组件，其可操作以接收这样的第一控制信号和这样的第二控制信号，并且将所述第一和第二控制信号组合来产生第一输出控制信号用于提供给所述第一电机，该控制系统还包括第二滤波器组件，其可操作以从第二电机接收与该第二电机的测量的参数有关的第三信号并且使用该第三信号来产生第三控制信号；以及第二输出组件，其可操作以接收这样的第一控制信号和这样的第三控制信号，并且将这样的第一和第三控制信号组合来产生第二输出控制信号用于提供给第二电机。

方便地，第一输出控制信号提供给可操作以驱动所述第一电机的第一转换器组件，并且第二输出控制信号提供给可操作以驱动所述第二电机的第二转换器组件。

控制组件和第一滤波器组件和第二滤波器组件在该控制系统中的布置起作用来当控制系统用可操作以驱动第一和第二电机的转换器组件实现时去除形成第一信号的第一测量的参数的方面中的峰值，并且当控制系统用可操作以驱动第二电机的转换器组件实现时去除形成第三信号的第二测量的参数的方面中的峰值。

优选地，控制组件是比例积分控制器，每个滤波器组件可以是带通滤波器并且每个转换器组件可以是功率电子设备转换器组件。

第一信号可包括第一电机的测量的转速，第二信号可包括第一电机的参考转速，并且第三信号可包括第二电机的测量的转速。

优选地，每个输出控制信号是扭矩命令。

第一和第二电机可机械联接到负载并且通过此第一和第二电机可以被认为互相机械联接。每个机械联接可以是柔性联接。

将理解术语柔性联接（通常也称为弹性联接）指机械联接布置，例如将扭矩从马达传送给它驱动的负载同时允许负载和马达的轴之间不对齐以及去除共振并且使震动衰减的机械联接布置。典型地这样的柔性联接引起它联接的机器的长操作寿命并且常常还提供最小化维护需求的益处。

控制系统可包括多于两个电机并且例如可包括n个电机，其中n是2或更大的整数。在这样的控制系统中，第（n+1）滤波器组件可操作以从第n电机接收与该第n电机的测量的参数有关的第（n+1）信号并且使用该第（n+1）信号来产生第（n+1）控制信号；并且第n输出组件可操作以接收这样的第一控制信号和这样的第（n+1）控制信号，并且将这样的第一和第（n+1）控制信号组合来产生第n输出控制信号用于提供给第n电机。

根据本发明的第二方面，提供一种用于控制机械系统的方法，所述机械系统具有第一和第二电机，该方法包括：

接收与第一电机的第一测量的参数有关的第一信号；

接收与第一电机的第一参考参数有关的第二信号；

使用控制器组件从该第一和第二信号产生第一控制信号；

使用滤波器组件从该第一信号产生第二控制信号；

使用第一输出组件从该第一和第二控制信号产生第一输出控制信号；

将该第一输出控制信号供应给该第一电机；以及

接收与第二电机的第二测量的参数有关的第三信号；使用滤波器组件从该第三信号产生第三控制信号；使用第二输出组件从该第一和第三控制信号产生第二输出控制信号，并且将该第二输出控制信号供应给该第二电机。

通过从第一控制信号和第二控制信号产生第一输出控制信号，和从第一控制信号和第三控制信号产生第二输出控制信号，当控制系统用可操作驱动电机的转换器组件实现时去除第一测量的参数的方面中的峰值并且去除第二测量的参数的方面中的峰值。

在该方法中，第一和第二电机可各自机械联接到负载并且由此可各自经由该负载互相机械联接。每个机械联接可以是柔性联接。

根据本发明的第三方面，提供一种控制器，其用于控制包括互相机械联接的第一和第二电动机的机械系统，该控制器可操作以使用速度反馈和自调谐的自适应前馈滤波器将控制信号供应给第一和第二电动机。每个机械联接可以是柔性联接。

根据本发明的第四方面，提供一种控制机械系统的方法，所述机械系统包括互相机械联接的第一和第二电动机，该方法包括使用速度反馈和自调谐的自适应前馈滤波器技术将控制信号供应给第一和第二电动机。每个机械联接可以是柔性联接。

附图说明

本发明的这些和其他方面当与附图结合来看时将从下列描述变得明显，其中：

图1示出已知的水泥磨机双小齿轮驱动系统；

图2示出如在图1中示出的系统的组件的机械性质的相互作用的示意图；

图3示出与单个小齿轮驱动系统的频率响应比较的已知双小齿轮驱动系统的频率响应的图形表示；

图4示出对主控-随动类型双小齿轮驱动系统的已知控制过程的示意图；

图5示出图4的系统的随动马达的转速的频率响应的图形表示；

图6示出根据本发明的第二实施例的电机的控制系统；

图7A示出由图6的控制系统控制的电机的主控马达的频率响应的图形表示；以及

图7B示出由图6的控制系统控制的电机的随动马达的频率响应的图形表示。

具体实施方式

在图6中，示出与例如双小齿轮驱动水泥磨机的双小齿轮驱动系统一起使用的控制系统40。为了描述的目的，将参考例如图1的水泥磨机的主控-随动类型双小齿轮驱动系统。该控制系统40作用在双小齿轮驱动系统2的主控马达11a和随动马达11b上。

为了采用另一改进的方式抵消双小齿轮驱动系统2中的振动，控制系统40被提供有与主控带通滤波器44和随动带通滤波器45平行布置的PI控制器42。控制系统40还被提供有主控输出计算器48和随动输出计算器49。

在控制系统40的操作中的任何给定时刻，主控马达（图1的11a）的转速52的测量提供给PI控制器42和主控带通滤波器44两者。转速的参考值54也提供给PI控制器。随动马达（图1的11b）的转速53的测量提供给随动带通滤波器45。PI控制器使用参考值54和第一测量52来生成第一输出信号56。主控带通滤波器使用第一测量52来生成第二输出信号58。随动带通滤波器使用第二测量53来生成第三输出信号59。在该情况下，主控带通滤波器44的函数与随动带通滤波器45的函数相同，即：

Figure 2011800388223100002DEST_PATH_IMAGE001

其中K_d是滤波器增益并且f₀是要被阻尼的振动的频率。简单的调谐参数a和b可以用于进一步调谐滤波器性质。第一输出信号56和第二输出信号58然后提供给主控输出计算器48，其使用供应的信息来生成输出主控扭矩命令60，该输出主控扭矩命令60进而经由功率电子设备控制转换器12a供应给主控马达11a。第一输出信号56和第三输出信号59提供给随动输出计算器49，其使用供应的信息来生成输出随动扭矩命令61，该输出随动扭矩命令61然后经由功率电子设备控制转换器12b供应给随动马达11b。

由于控制系统40在离散时间中操作，这是用控制算法的采样时间重复的迭代过程，该采样时间在扭转振动的情况下将在1ms附近。功率电子设备转换器控制系统（未示出）负责实际驱动水泥磨机使得产生期望的扭矩，具有大概25μs的采样时间。

控制系统40的操作引起对主控马达速度的频率响应的摇摆阻尼效应（其实际上去除主控马达（11a）速度频率响应中的峰值）以及对随动马达速度的频率响应的摇摆阻尼效应，其相似地去除随动马达速度频率响应中的峰值。该效应的图形表示分别在图7A和7B中图示。

在控制系统40中，对系统的主扭矩命令仍然从主控输出计算器48输出。然而，用于随动马达的另外的反馈回路起作用以增强系统2内的振动抑制，这通过使控制系统能够衰减双小齿轮驱动系统中的主控和随动驱动器两者的转速中的振动的固有模式实现。

图6的控制系统提供前馈振动阻尼控制方法，其作用在提供给双小齿轮驱动系统中的马达中的每个的扭矩命令上，从而减少沿马达的轴的不需要的扭转振动，所述马达的轴将马达连接到被驱动的负载，例如图1的水泥磨机。此外，精细的控制系统将减少作用在负载上的扭转振动。

在图6中详述的布置中，控制系统可以在适合于与中压（MV）驱动系统一起使用的任何板上实现。备选地，可使用有关应用中的低压驱动控制平台。

将理解在图6中关于图1详述的布置中，该主控和随动马达11a和11b经由它们驱动的机械负载（在该情况下是水泥磨机16）互相机械联接。在这样的布置中，机械联接可能是柔性联接，通常也称为弹性联接。柔性联接将扭矩从马达11a或11b传送到它正驱动的负载16同时允许负载和马达的轴之间的不对齐，以及去除共振并且使震动衰减。典型地这样的柔性联接引起它联接的机器的长操作寿命并且常常还提供最小化维护需求的益处。

将进一步意识到控制系统可包括多于两个马达并且例如可包括n个马达，其中n是2或更大的整数。在这样的包括n个马达的控制系统中，第（n+1）滤波器组件可操作以从第n马达接收与该第n马达的测量的参数有关的第（n+1）信号并且使用该第（n+1）信号来产生第（n+1）控制信号；并且第n输出组件可操作以接收这样的第一控制信号和这样的第（n+1）控制信号，并且将这样的第一和第（n+1）控制信号组合来产生第n输出控制信号以用于提供给第n马达。

可对本文之前描述的实施例作出各种修改而不脱离本发明的范围。例如，尽管控制系统实施例参照双小齿轮驱动水泥磨机描述，具有双小齿轮驱动的任何设备将从控制系统的优点获益。另外，将意识到尽管上文的实施例已详述为具有马达和它们驱动的相应负载之间的柔性机械联接，可以使用其他机械联接布置。

Claims

1.一种控制系统，用于控制具有第一和第二电机的机械系统，所述控制系统包括：

控制器组件，其可操作以接收与第一电机的测量的参数有关的第一信号和与这样的第一电机的参考参数有关的第二信号，所述控制器组件可操作以使用所述第一信号和第二信号以产生第一控制信号；

第一滤波器组件，其可操作以从这样的第一电机接收这样的第一信号并且使用接收的第一信号以产生第二控制信号；

第二滤波器组件，其可操作以从第二电机接收与该第二电机的参考参数有关的第三信号并且使用所述第三信号以产生第三控制信号；

第一输出组件，其可操作以接收这样的第一控制信号和这样的第二控制信号，并且将所述第一和第二控制信号组合以产生第一输出控制信号用于提供给所述第一电机；以及

第二输出组件，其可操作以接收这样的第一控制信号和这样的第三控制信号，并且将这样的第一和第三控制信号组合以产生第二输出控制信号用于提供给第二电机。

2.如权利要求1所述的控制系统，其中所述第一输出控制信号提供给可操作以驱动所述第一电机的第一转换器组件。

3.如权利要求1或2所述的控制系统，其中所述第二输出控制信号提供给可操作以驱动所述第二电机的第二转换器组件。

4.如前述权利要求中任一项所述的控制系统，其中所述第一信号包括这样的第一电机的测量的转速。

5.如前述权利要求中任一项所述的控制系统，其中所述第二信号包括参考转速。

6.如前述权利要求中任一项所述的控制系统，其中所述第三信号包括这样的第二电机的测量的转速。

7.如前述权利要求中任一项所述的控制系统，其中所述第三信号包括参考转速。

8.如前述权利要求中任一项所述的控制系统，其中所述第一输出控制信号是扭矩命令。

9.如前述权利要求中任一项所述的控制系统，其中所述第二输出控制信号是扭矩命令。

10.如前述权利要求中任一项所述的控制系统，其中所述第一和第二电机各自机械联接到负载。

11.如前述权利要求中任一项所述的控制系统，其中所述第一和第二电机各自作用在负载上，其中所述第一和第二电机经由所述负载互相机械联接。

12.如权利要求10或11所述的控制系统，其中每个机械联接是柔性联接。

13.如前述权利要求中任一项所述的控制系统，包括n个电机，所述系统还包括第（n+1）滤波器组件，其可操作以从第n电机接收与该第n电机的参考参数有关的第（n+1）信号并且使用所述第（n+1）信号以产生第（n+1）控制信号；以及第n输出组件，其可操作以接收这样的第一控制信号和这样的第（n+1）控制信号，并且将这样的第一和第（n+1）控制信号组合以产生第n输出控制信号用于提供给第n电机。

14.一种用于控制机械系统的方法，所述机械系统具有第一和第二电机，所述方法包括：

接收与所述第一电机的测量的参数有关的第一信号；

接收与所述第一电机的第一参考参数有关的第二信号；

接收与第二电机的测量的参数有关的第三信号；

使用控制器组件从所述第一和第二信号产生第一控制信号；

使用第一滤波器组件从所述第一信号产生第二控制信号；

使用第二滤波器组件从所述第三信号产生第三控制信号；

使用第一输出组件从所述第一和第二控制信号产生第一输出控制信号；

使用第二输出组件从所述第一和第三控制信号产生第二输出控制信号；

将所述第一输出控制信号供应给所述第一电机以及

将所述第二输出控制信号供应给所述第二电机。

15.一种控制机械系统的方法，所述机械系统包括互相机械联接的第一和第二电动机，所述方法包括使用速度反馈和自调谐的自适应前馈滤波器技术将控制信号供应给第一和第二电动机。