永磁电机驱动的高可靠性采煤机截割传动系统动态特性与控制策略研究

High-power permanent magnet motor and its transmission agent, which has a unique advantage in the transmission efficiency and operational reliability, are the development direction of machine driving and transmission. And in the field of wind turbines, elevators and belt conveyors, the permanent magnet motors have already been applied. Combining with our country requirements for energy conservation and highly-effective mining equipments, this project focuses on the drum shearer driven by high-power permanent magnet motor. Firstly, based on the reliability robust optimization for the structural parameters of the transmission system of coal mining machine cutting department, the multidisciplinary crossover mechanism among the drum cutting load, the electrical characteristics and the dynamic characteristics of the main transmission shaft are revealed; Secondly, through constructing the global multi-domain coupling dynamic models of the whole system, the influence mechanisms of structural parameters, electrical parameters and load factors on the system global dynamic coupling characteristics are proved; Thirdly, according the special conditions of coal mine, the discrete current regulator with low switching frequency is designed. Then, the ADRC speed control strategy and sensor's faults tolerate control strategy of the transmission system of coal mining machine cutting department are investigated. The research results can provide theoretical basis and technical support for the comprehensive performance improvement, development and wide application of the high-reliability shearer cutting transmission system driven by the permanent magnet motor.

大功率永磁电机及其调速系统是机械驱动与传动的发展方向，在传动效率和运行可靠性方面具有独特优势，以其为驱动源的智能驱动与传动系统已在风力发电机、电梯及皮带输送机等领域得到了应用。本项目结合国家在矿产资源节能高效开采装备上的重大需求，对大功率永磁电机驱动形式的滚筒采煤机进行研究，以解决采煤机故障率最高的截割部可靠传动问题。开展永磁电机驱动的采煤机截割传动系统结构参数可靠性稳健优化设计研究，揭示滚筒截割负载、永磁电机电气特性与系统主传动轴系动态特性之间的多领域交叉机理；构建系统全局多域耦合动态模型，探明系统结构参数、电气参数及具体工况负载因素对系统全局动态耦合特性的影响机理；并针对煤矿井下特殊工况，设计低开关频率离散电流调节器，进行采煤机截割传动系统自抗扰速度控制策略及传感器容错决策控制策略研究。研究成果可为永磁电机驱动的采煤机截割传动系统综合性能提升、开发和广泛应用提供理论依据和技术支持。

滚筒式采煤机是综采工作面的主要设备之一，由于恶劣的工作环境，传动系统很容易出现诸多故障。通过去除行星齿轮减速器并采用大功率永磁电机降低摇臂传动系统减速比，构成半直驱系统，能够显著提高传动系统的效率以及降低故障率。因此，研究低速大扭矩永磁电机驱动的高可靠性采煤机截割传动系统具有现实的实际工程应用需求和重要的学术研究价值。本项目严格按照时间表围绕项目预定的研究内容和目标进行研究，并在相关方面进行了扩展，实现了以下目标：永磁电机驱动的高可靠性采煤机截割传动系统动态特性与控制策略研究。首先，根据采煤机截割部工作原理，完成了“永磁同步电机+三级直齿轮+截割滚筒”的采煤机永磁半直驱截割传动系统设计。随后根据电机双反应理论推导考虑扭转角变化的电磁转矩稳态模型。其次，建立采煤机半直驱齿轮传动系统的多自由度非线性动力学模型，分析不同因素对齿轮副扭转和径向振动的影响，并提出一种适用于工程的混沌控制方法。针对电磁耦合效应构建机电磁多域耦合动态模型，探明了系统机电参数及负载因素对系统扭转振动的影响机理。最后，考虑系统模型参数的不确定性及输入饱和的影响，基于非线性反馈控制和积分滑模控制技术，提出一种考虑输入饱和的控制方法，其中采用非线性反馈参数来实现系统阻尼比的动态改变。为进一步提高滚筒式采煤机的抗扰效果，降低惯量扰动对负载观测器的影响，结合积分滑模控制器和负载扰动观测器提出了永磁半直驱系统抗扰动复合速度控制方法。依据相似原理与量纲分析方法，搭建小比例永磁半直驱传动系统模拟实验台验证采煤机永磁半直驱系统自抗扰控制实验的有效性。本项目成果将有助于永磁电机驱动的高可靠性采掘装备的发展。本项目研究过程中共发表论文16篇（全部标注本项目批准号51775543），其中SCI收录论文16篇；申请发明专利10项，其中国内专利8项，国际专利2项，已获国内专利授权5项。培养博士研究生3名，硕士研究生3名。