在多機(jī)共同驅(qū)動(dòng)同一個(gè)負(fù)載的系統(tǒng)中，由于機(jī)械連接的材料及方式，實(shí)際負(fù)載的不均勻分布等原因，將會(huì)造成各電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)際轉(zhuǎn)速出現(xiàn)瞬時(shí)偏差的情況。
1. 1常見的場景
- 齒輪箱嚙合連接
圖1 齒嚙合連接
由于加工、安裝、老化磨損等導(dǎo)致齒隙，進(jìn)而從動(dòng)齒與主動(dòng)齒的速度不一致，即：
Vdriven≠Vdriving
其中，
Vdriven：從動(dòng)齒輪線速度；
Vdriving：主動(dòng)齒輪線速度；
- 長軸機(jī)械耦合連接
圖2 長軸機(jī)械耦合連接
由剛體及阻尼體構(gòu)成，在電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩的作用下，整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)出現(xiàn)了“扭轉(zhuǎn)”的過渡過程，將造成兩套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出的轉(zhuǎn)速出現(xiàn)瞬時(shí)偏差，即：
- 彈性耦合連接
圖3 彈性耦合連接
負(fù)載(包括摩擦，機(jī)械負(fù)載等)與電磁轉(zhuǎn)矩的偏差造成多機(jī)傳動(dòng)之間的耦合連接出現(xiàn)相對位移，進(jìn)而造成各個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)之間的瞬時(shí)速度不一致，即：
ω1≠ω2
其中，
ω1：驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)1的角速度；
ω2：驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)2的角速度；
1.2 負(fù)荷分配控制方案
負(fù)荷分配要求變頻器運(yùn)行于矢量控制模式，帶電機(jī)編碼器或不帶編碼器均可。負(fù)荷分配的控制方案主要包括：
- 主從控制
- Droop控制
不同的控制方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，適用場景也不盡相同。下面就為大家?guī)碓敿?xì)的介紹。
2 主從控制
主從控制包括下述多種方案：
- 速度控制加轉(zhuǎn)矩控制
- 速度環(huán)飽和加轉(zhuǎn)矩限幅
從機(jī)直接采用轉(zhuǎn)矩控制可能出現(xiàn)動(dòng)態(tài)過程振蕩、連接斷開時(shí)飛車等情況，下面主要介紹一種改進(jìn)的轉(zhuǎn)矩控制方案。
2.1 過程分析
首先，從電機(jī)運(yùn)動(dòng)方程來分析：
Te=TL+GD^2 dn/dt （2-1）
其中：
Te：電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩；
TL：電機(jī)軸端負(fù)載轉(zhuǎn)矩，包括機(jī)械負(fù)載、摩擦、風(fēng)阻等；
GD^2：機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，包括電機(jī)及機(jī)械設(shè)備；
n：電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速；
dn/dt：電機(jī)轉(zhuǎn)速變化率；
從這個(gè)方程來看，在機(jī)械系統(tǒng)一定的情況下，電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化決定于電機(jī)輸出的電磁轉(zhuǎn)矩及其軸端的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。
接下來，分析上述應(yīng)用場景下的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)過程：
- 動(dòng)態(tài)過程
- 上述動(dòng)態(tài)過程由于多種因素首先造成電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速不一致，而這將進(jìn)一步造成電機(jī)軸端負(fù)載分配不均勻。若采用的主從控制方式：主機(jī)速度控制+從機(jī)力矩控制方式，即從機(jī)力矩取自主機(jī)，而主機(jī)軸端與從機(jī)軸端負(fù)載不一致，根據(jù)公式（2-1）在從機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生偏差，直接影響到從機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，而主從實(shí)際轉(zhuǎn)速的不同，由于機(jī)械之間的耦合，將會(huì)影響到主機(jī)軸端的負(fù)載情況，由于主機(jī)采用速度閉環(huán)控制，其輸出轉(zhuǎn)矩將發(fā)生變化，傳遞到從機(jī)，循環(huán)往復(fù)，此時(shí)將很容易導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩，無法進(jìn)入到穩(wěn)態(tài)過程，嚴(yán)重的情況甚至?xí)p壞設(shè)備，無法正常工作。
- 穩(wěn)態(tài)過程
- 進(jìn)入到穩(wěn)態(tài)，此時(shí)主從設(shè)備之間的相對運(yùn)動(dòng)趨于0，轉(zhuǎn)速基本一致，進(jìn)而負(fù)荷分配也趨于一致。
通過上述分析，即使給定值系統(tǒng)已固定的情況下系統(tǒng)依然無法快速進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，而出現(xiàn)系統(tǒng)振蕩的情況。
2.2 方案配置
根據(jù)2.1節(jié)的動(dòng)態(tài)與穩(wěn)態(tài)的過程分析，主從控制的目標(biāo)依然是速度及轉(zhuǎn)矩的一致性，但是需要保證動(dòng)態(tài)的過渡過程是收斂的，快速進(jìn)入到穩(wěn)定狀態(tài)。
據(jù)此提出如下的主從控制方案：主機(jī)速度調(diào)節(jié)器為PI控制+從機(jī)速度調(diào)節(jié)器為P控制，且將主機(jī)速度調(diào)節(jié)器的積分控制分量傳遞給從機(jī)做轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償。
圖4 主從方案配置
速度調(diào)節(jié)器PI的控制特點(diǎn)：
- 比例控制P輸出控制量的大小決定于偏差量，即Kp??n(TN)，或者說P控制是一類有差控制；
- 積分控制I輸出控制量是偏差量的累積，KI?∑(i=1,N)?n(Ti)，對于一階激勵(lì)來講是可實(shí)現(xiàn)無差控制。
對于主機(jī)來講采用速度調(diào)節(jié)器為PI控制，實(shí)現(xiàn)工藝（一般都是一階激勵(lì)）轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速無差控制，在動(dòng)態(tài)過程中由于從機(jī)的速度調(diào)節(jié)器采用P控制，從而使從機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與通過機(jī)械耦合的主機(jī)轉(zhuǎn)速形成速度偏差，這樣與由上述描述的應(yīng)用場景所造成的偏差趨勢是一致的，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了從機(jī)與主機(jī)的“解耦合”，減小主從之間動(dòng)態(tài)過程所產(chǎn)生偏差的強(qiáng)耦合影響，減小系統(tǒng)振蕩的程度。
穩(wěn)態(tài)時(shí)，由于?n→0，那么完全決定于積分控制量。由于主從采用一致的積分控制，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速一致性與負(fù)荷均勻分配的實(shí)現(xiàn)。
優(yōu)點(diǎn)：
- 有效解決主從驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的強(qiáng)耦合所帶來的動(dòng)態(tài)過程的系統(tǒng)振蕩；
- 實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速一致與負(fù)荷均勻分配的控制目標(biāo)；
- 由于都采用速度閉環(huán)控制，原則上不會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制模式的飛車情況；
缺點(diǎn)：
- 主從控制結(jié)構(gòu)的不同，需要額外控制邏輯管理主從關(guān)系等。
2.3 使用條件
對于低速大轉(zhuǎn)矩應(yīng)用，控制精度要求較高的情況，推薦采用帶編碼器的矢量控制。原因在于矢量控制的模型切換，較低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，若無編碼器運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)相當(dāng)于開環(huán)控制，速度調(diào)節(jié)器輸出為0，顯然是無法實(shí)現(xiàn)圖4的主從控制方案。
圖5 低速下無編碼器矢量控制的輸出特性
2.4 參數(shù)設(shè)置
實(shí)現(xiàn)從機(jī)速度調(diào)節(jié)器P控制，引入主機(jī)的積分控制量作為附件轉(zhuǎn)矩給定的參數(shù)設(shè)置方案。
1）設(shè)置速度調(diào)節(jié)器P模式+附加轉(zhuǎn)矩給定，參數(shù)設(shè)置如下：
2）設(shè)置速度調(diào)節(jié)器P模式+積分控制器強(qiáng)置模式，參數(shù)設(shè)置如下：
2.5 案例分析
轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)系統(tǒng)是典型大比例減速比齒輪嚙合的多機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)。如圖6所示是一類典型傾動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6 轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)示意圖
圖中展示了4套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過齒輪嚙合，共同驅(qū)動(dòng)傾動(dòng)機(jī)械及負(fù)載（爐內(nèi)鋼水）。其控制目標(biāo)是4臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)速一致，負(fù)荷均勻分布。但是，由于齒輪嚙合方式帶來的問題是齒隙，如圖7所示。
圖7 齒輪嚙合帶來的齒隙
這將導(dǎo)致4臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速在瞬態(tài)會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)速不一致的情況。進(jìn)而負(fù)荷分配不均容易出現(xiàn)打齒，一方面造成系統(tǒng)振蕩，另一方面損耗齒輪箱。
按圖4給出的主從配置方案能夠有效解決上述問題，實(shí)現(xiàn)傾動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。設(shè)備運(yùn)行過程中4臺(tái)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩曲線如圖8所示。
圖8 4臺(tái)傾動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩曲線
3 Droop控制
3.1 方案配置
Droop控制方案即利用變頻器的Droop（軟化/下垂）功能實(shí)現(xiàn)負(fù)荷分配的方案。Droop方案包括不分主從的各自Droop方案和Droop加補(bǔ)償?shù)闹鲝目刂品桨傅?。下面詳?xì)介紹不分主從的各自Droop方案。
該方案不分主設(shè)備和從設(shè)備，每臺(tái)變頻器各自激活Droop功能。Droop輸入信號(hào)源采用自身的轉(zhuǎn)矩設(shè)定值。按照預(yù)先設(shè)置好的Droop系數(shù)得到一條Droop曲線，當(dāng)輸出轉(zhuǎn)矩增大時(shí)，輸出轉(zhuǎn)速隨之減小。Droop曲線如下圖所示：
圖9 Droop特性曲線
實(shí)際運(yùn)行時(shí)，如果某臺(tái)變頻器運(yùn)行速度比另一臺(tái)變頻器高，那么它會(huì)拖動(dòng)另一臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)的電機(jī)，此時(shí)其輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)增大，受到Droop功能的作用，轉(zhuǎn)矩增大會(huì)導(dǎo)致其轉(zhuǎn)速減小，與另一臺(tái)變頻器趨于同步。而轉(zhuǎn)速低的變頻器其輸出轉(zhuǎn)矩小甚至輸出符號(hào)為負(fù)的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，那么受到Droop功能的作用，轉(zhuǎn)矩減小會(huì)導(dǎo)致其轉(zhuǎn)速增大，與另一臺(tái)變頻器趨于同步。多臺(tái)變頻器各自激活Droop功能時(shí)就能時(shí)刻通過調(diào)整自己的輸出轉(zhuǎn)速而達(dá)到動(dòng)態(tài)的平衡。
優(yōu)點(diǎn)：
- 該方案不區(qū)分主設(shè)備和從設(shè)備，故障時(shí)無需切換主從設(shè)備，參數(shù)設(shè)置較簡單。
- 對于柔性連接效果較好。
缺點(diǎn)：
- 實(shí)際運(yùn)行速度無法精確控制，根據(jù)負(fù)載工況的變化速度會(huì)在一定范圍內(nèi)變化。
3.2 參數(shù)設(shè)置
西門子變頻器Droop功能原理圖如下：
圖10 西門子變頻器Droop功能原理圖
各臺(tái)變頻器各自采用Droop的方式，各自轉(zhuǎn)矩設(shè)定值作為Droop輸入信號(hào)源，相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：
3.3 案例分析
常見的軟連接負(fù)荷分配應(yīng)用案例包括帶式輸送機(jī)。如下圖所示的帶式輸送機(jī)，采用3個(gè)驅(qū)動(dòng)輪和一個(gè)張緊輪，其中頭部有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，尾部有一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪。每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪各有一臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，分別通過一臺(tái)變頻器實(shí)現(xiàn)輸送機(jī)的啟停和調(diào)速。
圖11 帶式輸送機(jī)案例
該輸送機(jī)的輸送距離長達(dá)數(shù)千米。每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的電機(jī)均為280kW/75rpm的永磁同步電機(jī)。變頻器均采用400V/400kW的G130模塊：6SL3310-1GE37-5AA3。
3個(gè)驅(qū)動(dòng)輪由于在輸送機(jī)中所處的位置不同，同時(shí)由于皮帶柔性材料具備一定的延展性，在設(shè)備運(yùn)行的不同階段3個(gè)驅(qū)動(dòng)輪承擔(dān)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩并非完全一致，所以不適合用其中一臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩設(shè)定值作為其他兩臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)矩設(shè)定值的主從控制方式。
在這個(gè)案例中，我們采用每臺(tái)變頻器各自激活Droop的方式實(shí)現(xiàn)符合分配，采用相同的Droop系數(shù)，當(dāng)自身輸出轉(zhuǎn)矩較大時(shí)，自動(dòng)降低輸出轉(zhuǎn)速，從而減小輸出轉(zhuǎn)矩，由此達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。
實(shí)際測試效果能夠很好的滿足工藝要求，啟動(dòng)過程中皮帶平穩(wěn)建立張力，然后進(jìn)入穩(wěn)定的勻速運(yùn)行。設(shè)備運(yùn)行過程中3臺(tái)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩曲線如下圖所示：
圖12 3個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)矩曲線
4 負(fù)荷分配方案比較
最后是方案的簡單對比。
