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(zhuān)業(yè)，高級工程師，長(cháng)期從事于變頻器等現代工控產(chǎn)品的應用與研究工作。



      摘  要：現代工業(yè)生產(chǎn)中，多臺電動(dòng)機的交流調速系統應用日益廣泛，多臺電動(dòng)機控制系統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，為此對多臺電動(dòng)機的交流調速系統進(jìn)行研究具有重要意義。本文將主要闡述了多傳動(dòng)系統中的速度同步、主從控制和負荷分配問(wèn)題。

      關(guān)鍵詞：變頻器；多傳動(dòng)系統；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

    現代工業(yè)生產(chǎn)中，多臺電動(dòng)機的交流調速系統應用日益廣泛，例如冶金工業(yè)、機械制造工業(yè)、紡織工業(yè)、運輸業(yè)等部門(mén)的許多生產(chǎn)設備、要求多臺電動(dòng)機之間按照一定的控制規律快速而協(xié)調地運行，多臺電動(dòng)機控制系統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，對多臺電動(dòng)機的交流調速系統進(jìn)行研究具有重要意義。

    多電動(dòng)機傳動(dòng)是相對于單電動(dòng)機傳動(dòng)而言的，也就是說(shuō)在一條生產(chǎn)線(xiàn)或者一套設備有兩個(gè)或兩個(gè)以上的變頻器并列運行，且安裝位置相鄰，如造紙生產(chǎn)線(xiàn)、膠片生產(chǎn)線(xiàn)、紡絲機、軋機設備、起重機等。這些設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)強度，提高了生產(chǎn)效率，這種類(lèi)型的多電機傳動(dòng)控制系統又被稱(chēng)為變頻多傳動(dòng)控制系統。

    變頻多傳動(dòng)控制系統的安裝如下圖1所示。

              

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

    2 速度同步

    在變頻多傳動(dòng)控制系統中，速度同步運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)控制系統的速度同步控制方案

    2.1 模擬量同步控制

    當一臺整機或一條生產(chǎn)線(xiàn)中各個(gè)傳動(dòng)單元分別由獨立的變頻器驅動(dòng)時(shí)，為了保證整機在一個(gè)主令轉速的設置下，各單元同步協(xié)調工作（這里為固定的牽伸比），需要配置同步控制器。該同步控制器可對各單元傳動(dòng)速度分別整定，以實(shí)現各單元以一定的比例速度同步工作，總的主令設定電壓（由電位器決定）通過(guò)給定積分器輸出，可實(shí)現軟起動(dòng)和軟停車(chē)。

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

    2.2 脈沖信號同步控制

    在電子技術(shù)中，脈沖信號是一個(gè)按一定電壓幅度，一定時(shí)間間隔連續發(fā)出的脈沖信號。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(chēng)為周期；而將在單位時(shí)間（如1秒）內所產(chǎn)生的脈沖個(gè)數稱(chēng)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給VF2，VF2接受脈沖數進(jìn)行運轉并同時(shí)輸出同步脈沖數給VF3，直到VF4。由于脈沖信號的數字處理技術(shù)和抗干擾能力強，因此在同步控制中也被廣泛使用。

    2.3 通訊總線(xiàn)同步控制

    目前商品化的通用變頻器都是全數字技術(shù)，內部有微處理器進(jìn)行邏輯運算和數據處理，精度高，可靠性好，還具有異步串行通信口，為交流調速系統在RS485或者現場(chǎng)總線(xiàn)中運用提供了有利條件。

    通過(guò)網(wǎng)絡(luò )或通訊設定頻率是一種高精度的頻率設定，其具有通訊速率高，穩定可靠，接線(xiàn)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，而且在模擬量控制時(shí)，輸出端經(jīng)過(guò)一個(gè)數模轉換器，經(jīng)過(guò)導線(xiàn)，進(jìn)入輸入端（變頻器）又需要經(jīng)過(guò)一個(gè)模數轉換器才能參與控制。兩個(gè)轉換器位數不同和導線(xiàn)損耗都可能造成一定誤差，而通訊傳遞直接是數字量不需要轉換，沒(méi)有誤差，在傳輸過(guò)程中不會(huì )造成損耗，而且響應速度率也會(huì )很高。

    通常情況下，同步控制可采用RS485總線(xiàn)的異步通訊控制方式，如圖2（3）所示。選用變頻器標準內置的RS485可以方便實(shí)現與上位機的通訊；同時(shí)也可掛現場(chǎng)總線(xiàn)或局域網(wǎng)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行信息交換，主要有PROFIBUS、Modbus、FF、DeviceNet、CC-Link等對應不同的網(wǎng)絡(luò )及總線(xiàn)形式，但必須配用專(zhuān)用接口卡。

    3 變頻多傳動(dòng)控制系統中的主從控制

    3.1 主從控制的基本原理

    在主從控制中，傳動(dòng)系統由幾個(gè)傳動(dòng)單元共同驅動(dòng)，其電動(dòng)機軸相互耦合。根據電動(dòng)機軸耦合方式的不同，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)機軸之間通過(guò)萬(wàn)向節、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)行運動(dòng)，另外一個(gè)或幾個(gè)傳動(dòng)也將被動(dòng)運行，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)單元的轉矩給定。

    所謂柔性耦合，即幾個(gè)不同的電動(dòng)機軸之間通過(guò)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。

    下例屬于三臺變頻器之間的速度主從控制示例如圖5所示。

              

                            圖5   三臺變頻器之間的速度主從控制

    3.2 ABB變頻器的主從應用宏

    （1）主從宏介紹

    ABB變頻器的主從應用宏是為變頻多傳動(dòng)控制系統應用而設計的，其系統由若干個(gè)ACS600或ACS800變頻器共同驅動(dòng)，同時(shí)電動(dòng)機軸經(jīng)齒輪、鏈條、皮帶等相互連接。由于有了主從宏，使負載能在變頻器之間均勻分配。

    在A(yíng)BB變頻器組成的變頻多傳動(dòng)控制系統中，外部控制信號只與主機變頻器連接，主機經(jīng)由光纖通信控制從機（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)的轉矩或者速度給定。在剛性耦合的轉矩控制方式下，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微的速度誤差，且可以使用降落斜率（參數60.07 DROOP RATE）。在一些應用中，既需要速度控制，也需要轉矩控制的情況下，可以通過(guò)叢集的一個(gè)數字輸入口完成速度控制何轉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)形結構的光纖連接，這種連接方式可以滿(mǎn)足大多數應用要求，如圖6所示。當然，使用光纖分配器也可以按并行結構連接。注意小心處理光纜，由于光纖對塵土極端敏感，不能用手觸摸光纖的末端。

              

                         T=發(fā)送器     R=接收器     NAMC＝應用電動(dòng)機控制板

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

    （2）主機和從機的通訊數據

    要激活主機與從機的通訊，應將參數60.01 MASTER LINK MODE正確設置，主機設置為MASTER，而從機設置為FOLLOWER。主機向從機廣播控制字和兩個(gè)給定值（給定1和給定2），所有從機接收相同的消息。

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

                                表1  從機控制字格式

                 

    從機給定1是包括符號位和15位整數的16位字，它由主機的轉速給定和參數20.01 MINIMUM SPEED以及20.02 MAXIMUM SPEED經(jīng)運算得出：無(wú)論是參數20.01還是參數20.02，絕對值大的決定速度給定的正/負限幅值，對應于＋20000和－20000。
在從機中，給定1被解釋為“20000對應于從機參數11.05 EXT REF1 MAXIMUM”，同時(shí)應該將參數11.03 EXT REF1 SELECT設置為COMM. REF。下面列舉了兩種不同的設定值對應曲線(xiàn)。

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

               

                         圖7   主機和從機轉速給定之間的關(guān)系一

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

                      圖8   主機和從機轉速給定之間的關(guān)系二

    給定2是包括符號位和15位整數的16位字。它由主機的相對轉矩給定導出：主機的額定轉矩對應于給定值10000。在從機中，給定2解釋為“10000對應于從機的最大給定值”。必須注意的是參數11.08 EXT REF2 MAXIMUM以從機額定轉矩的百分數給出。

    圖9所示為主機和從機的轉矩給定之間的關(guān)系示意。同樣在從機給定2中需要將定義給定2為外部給定2來(lái)源，即參數11.06 EXT REF2 SELECT應該設置為COMM. REF。

                         圖9   主機和從機的轉矩給定之間的關(guān)系

     （3）ACS800主從應用宏剛性耦合調試參數

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

    主機調試參數及說(shuō)明：

    60.01 MASTER LINK MODE MASTER 主站模式

    60.07  MASTER SIGNAL2 主機送往從機的速度信號給定

    60.08  MASTER SIGNAL3 主機送往從機的轉矩信號給定

    從機調試參數及說(shuō)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 正偏移轉速

    60.04 WINDOW WINTHPOS 正偏移轉速

    60.05  WINDOW WINTHPOS 負偏移轉速

    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 轉矩控制模式下給定選擇

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

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

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

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

    調試過(guò)后使從機的轉速給定和實(shí)際輸出轉速基本一致后，窗口功能（參數60.02）發(fā)揮效用，可以有效的控制飛車(chē)和啟動(dòng)不平穩問(wèn)題，如下圖10所示。恒轉矩控制的情況下，時(shí)刻監視變頻器轉速的輸出，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)主從故障復鎖回路。

    4 變頻多傳動(dòng)控制系統中的負荷分配控制

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

    以紙機傳動(dòng)為例，經(jīng)常遇到由幾臺電動(dòng)機同時(shí)拖動(dòng)同一負載的情況，如網(wǎng)部真空伏輥、驅網(wǎng)輥同時(shí)帶一條網(wǎng)等。類(lèi)似這樣的傳動(dòng)只有電動(dòng)機速度同步并不能滿(mǎn)足實(shí)際系統的工作要求，實(shí)際系統還要求各傳動(dòng)點(diǎn)電動(dòng)機負載率相同，否則會(huì )出現某臺電動(dòng)機出力大，某臺電動(dòng)機出力小的情況，結果就會(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荷分配控制。

    4.2 負荷分配控制原理

    在變頻多電動(dòng)機傳動(dòng)控制過(guò)程中各分部電動(dòng)機的負載率相同，即δ＝P/Pa相同（P為電動(dòng)機所承擔的負載功率，Pa為電動(dòng)機額定功率）。在負荷分配調節過(guò)程中不能影響本傳動(dòng)組以外各分部的速度。

    負荷分配控制：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)組的前一級和后一級，負荷分配以分部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為三臺電動(dòng)機額定功率，Pa為額定總負載功率，Pa＝P2a＋P3a＋P4a。P為實(shí)際總負載功率，P2、P3、P4為電動(dòng)機實(shí)際負載功率，則P=P2+P3+P4。系統工作要求P2=P* P2a/ Pa，P3=P* P3a/ Pa，P4=P* P4a/ Pa。負荷分配的目的就是使P2、P3、P4滿(mǎn)足上述要求。   
 

                                      圖11   負荷分配原理

    在實(shí)際控制過(guò)程中，電動(dòng)機功率是間接量，實(shí)際控制的是電動(dòng)機的轉矩（或轉據電流）百分量。

    參考文獻：

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    [5] 吳忠智，黃立培，吳加林. 調速用變頻器及配套設備選用指南[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社，2002.


                                                      ——轉自《自動(dòng)化博覽》