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    李方園（1973-）

    男，浙江舟山人，畢業(yè)于浙江大學(xué)電氣自動(dòng)化專業(yè)，高級(jí)工程師，長期從事于變頻器等現(xiàn)代工控產(chǎn)品的應(yīng)用與研究工作。



      摘  要：現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，多臺(tái)電動(dòng)機(jī)的交流調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用日益廣泛，多臺(tái)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)性能的好壞直接影響生產(chǎn)能否正常進(jìn)行和產(chǎn)品質(zhì)量能否符合要求，為此對(duì)多臺(tái)電動(dòng)機(jī)的交流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行研究具有重要意義。本文將主要闡述了多傳動(dòng)系統(tǒng)中的速度同步、主從控制和負(fù)荷分配問題。

      關(guān)鍵詞：變頻器；多傳動(dòng)系統(tǒng)；速度同步；主從控制

     Abstract: In the modern industry, multi-motor-drive systems are widely used. The result of the control system performance will directly influence the normal operation of the production line. So it is important to make study on AC inverter multi-motor-drive system. This paper will describe the speed synchronization, the master-slave control and load sharing.

     Key words: AC inverter; multi-motor-drive system; speed synchronization; Master-slve control

     1 變頻多傳動(dòng)控制系統(tǒng)

    現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，多臺(tái)電動(dòng)機(jī)的交流調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用日益廣泛，例如冶金工業(yè)、機(jī)械制造工業(yè)、紡織工業(yè)、運(yùn)輸業(yè)等部門的許多生產(chǎn)設(shè)備、要求多臺(tái)電動(dòng)機(jī)之間按照一定的控制規(guī)律快速而協(xié)調(diào)地運(yùn)行，多臺(tái)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)性能的好壞直接影響生產(chǎn)能否正常進(jìn)行和產(chǎn)品質(zhì)量能否符合要求，為此，對(duì)多臺(tái)電動(dòng)機(jī)的交流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行研究具有重要意義。

    多電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)是相對(duì)于單電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)而言的，也就是說在一條生產(chǎn)線或者一套設(shè)備有兩個(gè)或兩個(gè)以上的變頻器并列運(yùn)行，且安裝位置相鄰，如造紙生產(chǎn)線、膠片生產(chǎn)線、紡絲機(jī)、軋機(jī)設(shè)備、起重機(jī)等。這些設(shè)備都要求精確速度控制、多單元同步傳動(dòng)或比例同步(牽伸)傳動(dòng)等，應(yīng)用變頻器可以提高工藝要求、提升產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)減輕了人工的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率，這種類型的多電機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)又被稱為變頻多傳動(dòng)控制系統(tǒng)。

    變頻多傳動(dòng)控制系統(tǒng)的安裝如下圖1所示。

              

                                  圖1   變頻多傳動(dòng)控制系統(tǒng)示意

    2 速度同步

    在變頻多傳動(dòng)控制系統(tǒng)中，速度同步運(yùn)行是最基本的控制方式，它可以采取以下三種方式（如圖2所示）。

          

                     圖2   變頻多傳動(dòng)控制系統(tǒng)的速度同步控制方案

    2.1 模擬量同步控制

    當(dāng)一臺(tái)整機(jī)或一條生產(chǎn)線中各個(gè)傳動(dòng)單元分別由獨(dú)立的變頻器驅(qū)動(dòng)時(shí)，為了保證整機(jī)在一個(gè)主令轉(zhuǎn)速的設(shè)置下，各單元同步協(xié)調(diào)工作（這里為固定的牽伸比），需要配置同步控制器。該同步控制器可對(duì)各單元傳動(dòng)速度分別整定，以實(shí)現(xiàn)各單元以一定的比例速度同步工作，總的主令設(shè)定電壓（由電位器決定）通過給定積分器輸出，可實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)和軟停車。

    該同步控制器能輸出多路模擬量信號(hào)給變頻器（這里為VF1-VF4）。模擬量輸入設(shè)定方法是一種控制精度較高的方法，一般情況下可達(dá)電壓“11bit+符號(hào)”或電流“10bit”級(jí)別的分辨率。

    2.2 脈沖信號(hào)同步控制

    在電子技術(shù)中，脈沖信號(hào)是一個(gè)按一定電壓幅度，一定時(shí)間間隔連續(xù)發(fā)出的脈沖信號(hào)。我們將第一個(gè)脈沖和第二個(gè)脈沖之間的時(shí)間間隔稱為周期；而將在單位時(shí)間（如1秒）內(nèi)所產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)稱為頻率。

    通常情況下，最大輸入脈沖頻率可以在0.1KHz到50KHz之間選擇。VF1變頻器在主令電位器的控制下輸出同步脈沖數(shù)給VF2，VF2接受脈沖數(shù)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)并同時(shí)輸出同步脈沖數(shù)給VF3，直到VF4。由于脈沖信號(hào)的數(shù)字處理技術(shù)和抗干擾能力強(qiáng)，因此在同步控制中也被廣泛使用。

    2.3 通訊總線同步控制

    目前商品化的通用變頻器都是全數(shù)字技術(shù)，內(nèi)部有微處理器進(jìn)行邏輯運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理，精度高，可靠性好，還具有異步串行通信口，為交流調(diào)速系統(tǒng)在RS485或者現(xiàn)場總線中運(yùn)用提供了有利條件。

    通過網(wǎng)絡(luò)或通訊設(shè)定頻率是一種高精度的頻率設(shè)定，其具有通訊速率高，穩(wěn)定可靠，接線簡單等優(yōu)點(diǎn)，而且在模擬量控制時(shí)，輸出端經(jīng)過一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過導(dǎo)線，進(jìn)入輸入端（變頻器）又需要經(jīng)過一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器才能參與控制。兩個(gè)轉(zhuǎn)換器位數(shù)不同和導(dǎo)線損耗都可能造成一定誤差，而通訊傳遞直接是數(shù)字量不需要轉(zhuǎn)換，沒有誤差，在傳輸過程中不會(huì)造成損耗，而且響應(yīng)速度率也會(huì)很高。

    通常情況下，同步控制可采用RS485總線的異步通訊控制方式，如圖2（3）所示。選用變頻器標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)置的RS485可以方便實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通訊；同時(shí)也可掛現(xiàn)場總線或局域網(wǎng)，通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交換，主要有PROFIBUS、Modbus、FF、DeviceNet、CC-Link等對(duì)應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)及總線形式，但必須配用專用接口卡。

    3 變頻多傳動(dòng)控制系統(tǒng)中的主從控制

    3.1 主從控制的基本原理

    在主從控制中，傳動(dòng)系統(tǒng)由幾個(gè)傳動(dòng)單元共同驅(qū)動(dòng)，其電動(dòng)機(jī)軸相互耦合。根據(jù)電動(dòng)機(jī)軸耦合方式的不同，主從方式分為兩種，一種為剛性耦合，另外一種為柔性耦合。

    所謂剛性耦合，即幾個(gè)不同的電動(dòng)機(jī)軸之間通過萬向節(jié)、傳動(dòng)輥、齒輪帶等硬連接方式進(jìn)行耦合。在這種情況下，只要其中一個(gè)傳動(dòng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，另外一個(gè)或幾個(gè)傳動(dòng)也將被動(dòng)運(yùn)行，如圖3所示。

             

                              圖3   主從傳動(dòng)控制中的剛性耦合

    如果屬于電動(dòng)機(jī)軸剛性耦合，其主從控制遵循下列控制方式：①主傳動(dòng)單元為速度控制；②從傳動(dòng)單元跟隨主傳動(dòng)單元的轉(zhuǎn)矩給定。

    所謂柔性耦合，即幾個(gè)不同的電動(dòng)機(jī)軸之間通過網(wǎng)毯、皮帶等軟連接方式進(jìn)行耦合。在這種情況下，只要其中一個(gè)傳動(dòng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，另外一個(gè)或幾個(gè)傳動(dòng)也將被拖動(dòng)，但也有可能打滑，如圖4所示。

                              圖4   主從傳動(dòng)控制中的柔性耦合

    如果屬于電動(dòng)機(jī)軸剛性耦合，其主從控制遵循下列控制方式：①主傳動(dòng)單元為速度控制；②從傳動(dòng)單元跟隨主傳動(dòng)單元的速度給定。

    下例屬于三臺(tái)變頻器之間的速度主從控制示例如圖5所示。

              

                            圖5   三臺(tái)變頻器之間的速度主從控制

    3.2 ABB變頻器的主從應(yīng)用宏

    （1）主從宏介紹

    ABB變頻器的主從應(yīng)用宏是為變頻多傳動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，其系統(tǒng)由若干個(gè)ACS600或ACS800變頻器共同驅(qū)動(dòng)，同時(shí)電動(dòng)機(jī)軸經(jīng)齒輪、鏈條、皮帶等相互連接。由于有了主從宏，使負(fù)載能在變頻器之間均勻分配。

    在ABB變頻器組成的變頻多傳動(dòng)控制系統(tǒng)中，外部控制信號(hào)只與主機(jī)變頻器連接，主機(jī)經(jīng)由光纖通信控制從機(jī)（如圖6所示）。主傳動(dòng)是典型的速度控制，其它變頻器跟隨主傳動(dòng)的轉(zhuǎn)矩或者速度給定。在剛性耦合的轉(zhuǎn)矩控制方式下，變頻器之間不能有速度誤差；而在柔性耦合的速度控制方式下，變頻器之間允許存在細(xì)微的速度誤差，且可以使用降落斜率（參數(shù)60.07 DROOP RATE）。在一些應(yīng)用中，既需要速度控制，也需要轉(zhuǎn)矩控制的情況下，可以通過叢集的一個(gè)數(shù)字輸入口完成速度控制何轉(zhuǎn)矩控制之間的自由切換。

    ABB變頻器組建立主從控制時(shí)，多采用環(huán)形結(jié)構(gòu)的光纖連接，這種連接方式可以滿足大多數(shù)應(yīng)用要求，如圖6所示。當(dāng)然，使用光纖分配器也可以按并行結(jié)構(gòu)連接。注意小心處理光纜，由于光纖對(duì)塵土極端敏感，不能用手觸摸光纖的末端。

              

                         T=發(fā)送器     R=接收器     NAMC＝應(yīng)用電動(dòng)機(jī)控制板

                        圖6   ABB變頻器組的主從控制光纖連接

    （2）主機(jī)和從機(jī)的通訊數(shù)據(jù)

    要激活主機(jī)與從機(jī)的通訊，應(yīng)將參數(shù)60.01 MASTER LINK MODE正確設(shè)置，主機(jī)設(shè)置為MASTER，而從機(jī)設(shè)置為FOLLOWER。主機(jī)向從機(jī)廣播控制字和兩個(gè)給定值（給定1和給定2），所有從機(jī)接收相同的消息。

    從機(jī)控制字是一個(gè)壓縮的16位字，要使控制字中的控制命令有效，需要將從機(jī)參數(shù)10.01 EXT1 START/STOP/DIR 或10.02 EXT2 START/STOP/DIR設(shè)置為COMM. MODULE。從機(jī)控制字具體如下表1所示。

                                表1  從機(jī)控制字格式

                 

    從機(jī)給定1是包括符號(hào)位和15位整數(shù)的16位字，它由主機(jī)的轉(zhuǎn)速給定和參數(shù)20.01 MINIMUM SPEED以及20.02 MAXIMUM SPEED經(jīng)運(yùn)算得出：無論是參數(shù)20.01還是參數(shù)20.02，絕對(duì)值大的決定速度給定的正/負(fù)限幅值，對(duì)應(yīng)于＋20000和－20000。
在從機(jī)中，給定1被解釋為“20000對(duì)應(yīng)于從機(jī)參數(shù)11.05 EXT REF1 MAXIMUM”，同時(shí)應(yīng)該將參數(shù)11.03 EXT REF1 SELECT設(shè)置為COMM. REF。下面列舉了兩種不同的設(shè)定值對(duì)應(yīng)曲線。

    例1. 參數(shù)20.01 MINIMUM SPEED（最小速度）＝0rpm  參數(shù)20.02 MAXIMUM SPEED（最大速度）＝1000rpm，則根據(jù)上述所述原理可以作出以下對(duì)應(yīng)示意圖7。

               

                         圖7   主機(jī)和從機(jī)轉(zhuǎn)速給定之間的關(guān)系一

    例2. 參數(shù)20.01 MINIMUM SPEED（最小速度）＝－5000rpm  參數(shù)20.02 MAXIMUM SPEED（最大速度）＝2500rpm，則根據(jù)上述所述原理可以作出以下對(duì)應(yīng)示意圖8。

                      圖8   主機(jī)和從機(jī)轉(zhuǎn)速給定之間的關(guān)系二

    給定2是包括符號(hào)位和15位整數(shù)的16位字。它由主機(jī)的相對(duì)轉(zhuǎn)矩給定導(dǎo)出：主機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)于給定值10000。在從機(jī)中，給定2解釋為“10000對(duì)應(yīng)于從機(jī)的最大給定值”。必須注意的是參數(shù)11.08 EXT REF2 MAXIMUM以從機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的百分?jǐn)?shù)給出。

    圖9所示為主機(jī)和從機(jī)的轉(zhuǎn)矩給定之間的關(guān)系示意。同樣在從機(jī)給定2中需要將定義給定2為外部給定2來源，即參數(shù)11.06 EXT REF2 SELECT應(yīng)該設(shè)置為COMM. REF。

                         圖9   主機(jī)和從機(jī)的轉(zhuǎn)矩給定之間的關(guān)系

     （3）ACS800主從應(yīng)用宏剛性耦合調(diào)試參數(shù)

    在剛性耦合方式下，主機(jī)采用速度控制，從機(jī)采用轉(zhuǎn)矩控制，因此ACS800變頻器中啟用主從功能，其中主機(jī)采用工廠宏，從機(jī)采用轉(zhuǎn)矩宏控制。

    主機(jī)調(diào)試參數(shù)及說明：

    60.01 MASTER LINK MODE MASTER 主站模式

    60.07  MASTER SIGNAL2 主機(jī)送往從機(jī)的速度信號(hào)給定

    60.08  MASTER SIGNAL3 主機(jī)送往從機(jī)的轉(zhuǎn)矩信號(hào)給定

    從機(jī)調(diào)試參數(shù)及說明：

    60.01  MASTER LINK MODE FOLLOWER 從站模式

    60.02  TORQUE SELECTOR ADD 采用帶速度限幅的恒轉(zhuǎn)矩控制模式

    60.02 WINDOW SEL ON YES 啟用視窗功能

    60.02 WINDOW WINTHPOS 正偏移轉(zhuǎn)速

    60.04 WINDOW WINTHPOS 正偏移轉(zhuǎn)速

    60.05  WINDOW WINTHPOS 負(fù)偏移轉(zhuǎn)速

    10.01 EXT1 STRT/STP/DIR COMM.CW 速度模式下從點(diǎn)跟隨主點(diǎn)起停

    10.02 EXT2 STRT/STP/DIR COMM.CW 轉(zhuǎn)矩模式下從點(diǎn)跟隨主點(diǎn)起停

    11.02 EXT1/EXT2 SELECT 控制模式選擇

    11.03 EXT REF1 SELECT COMM.REF 速度控制模式下給定選擇

    11.03  EXT REF2 SELECT COMM.REF 轉(zhuǎn)矩控制模式下給定選擇

    16.01  RUN ENABLE COMM.CW 從點(diǎn)運(yùn)行受主點(diǎn)控制

    16.04  FAULT RESET SEL COMM.CW 故障復(fù)位跟隨主點(diǎn)

    30.18  COMM FAULT FUNC FAULT 啟動(dòng)通訊故障報(bào)警功能

    30.19  MAIN REF DST-OUT 給定丟失時(shí)間選擇

    調(diào)試過后使從機(jī)的轉(zhuǎn)速給定和實(shí)際輸出轉(zhuǎn)速基本一致后，窗口功能（參數(shù)60.02）發(fā)揮效用，可以有效的控制飛車和啟動(dòng)不平穩(wěn)問題，如下圖10所示。恒轉(zhuǎn)矩控制的情況下，時(shí)刻監(jiān)視變頻器轉(zhuǎn)速的輸出，取得很好的控制效果。

             
                                  圖10   主從宏中窗口控制的效果

    此外，主變頻器還必須采用故障復(fù)鎖功能，可以將從變頻器的故障繼電器輸出點(diǎn)串聯(lián)至主點(diǎn)的運(yùn)行允許DI端子上，和從變頻器的RUN ENABLE 一起組成一個(gè)主從故障復(fù)鎖回路。

    4 變頻多傳動(dòng)控制系統(tǒng)中的負(fù)荷分配控制

    4.1 負(fù)荷分配問題的產(chǎn)生 
  
    負(fù)荷分配問題的產(chǎn)生主要集中于連續(xù)生產(chǎn)的工業(yè)傳動(dòng)，比如造紙、膠片、鋼材、塑料PVC等。

    以紙機(jī)傳動(dòng)為例，經(jīng)常遇到由幾臺(tái)電動(dòng)機(jī)同時(shí)拖動(dòng)同一負(fù)載的情況，如網(wǎng)部真空伏輥、驅(qū)網(wǎng)輥同時(shí)帶一條網(wǎng)等。類似這樣的傳動(dòng)只有電動(dòng)機(jī)速度同步并不能滿足實(shí)際系統(tǒng)的工作要求，實(shí)際系統(tǒng)還要求各傳動(dòng)點(diǎn)電動(dòng)機(jī)負(fù)載率相同，否則會(huì)出現(xiàn)某臺(tái)電動(dòng)機(jī)出力大，某臺(tái)電動(dòng)機(jī)出力小的情況，結(jié)果就會(huì)影響正常出紙，甚至有可能撕壞毛布或造成斷紙。因此，這些傳動(dòng)組中各分部要求有負(fù)荷分配控制。

    4.2 負(fù)荷分配控制原理

    在變頻多電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)控制過程中各分部電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率相同，即δ＝P/Pa相同（P為電動(dòng)機(jī)所承擔(dān)的負(fù)載功率，Pa為電動(dòng)機(jī)額定功率）。在負(fù)荷分配調(diào)節(jié)過程中不能影響本傳動(dòng)組以外各分部的速度。

    負(fù)荷分配控制：選取傳動(dòng)組中的一個(gè)分部作為主傳動(dòng)，連接在主速度鏈上，其余各分部作為輔傳動(dòng)。如圖11所示，分部1和分部5傳動(dòng)組的前一級(jí)和后一級(jí)，負(fù)荷分配以分部2為主傳動(dòng)，分部3和分部4，處于速度鏈的子鏈上。P2a、P3a、P4a為三臺(tái)電動(dòng)機(jī)額定功率，Pa為額定總負(fù)載功率，Pa＝P2a＋P3a＋P4a。P為實(shí)際總負(fù)載功率，P2、P3、P4為電動(dòng)機(jī)實(shí)際負(fù)載功率，則P=P2+P3+P4。系統(tǒng)工作要求P2=P* P2a/ Pa，P3=P* P3a/ Pa，P4=P* P4a/ Pa。負(fù)荷分配的目的就是使P2、P3、P4滿足上述要求。   
 

                                      圖11   負(fù)荷分配原理

    在實(shí)際控制過程中，電動(dòng)機(jī)功率是間接量，實(shí)際控制的是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩（或轉(zhuǎn)據(jù)電流）百分量。

    參考文獻(xiàn)：

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                                                      ——轉(zhuǎn)自《自動(dòng)化博覽》