變頻控制技術(shù)在雙電機同步驅動(dòng)同一負載中的應用

以往薄膜幅寬在5．2 m 以下的雙向拉伸（B0PP或B0PET）薄膜成套設備中，通常橫向拉伸機（11）O）左右鏈鋏的傳動(dòng)是由一臺電機通過(guò)左右傳動(dòng)軸和齒輪箱及鏈輪驅動(dòng)的；當薄膜幅寬超過(guò)5．2 In后，橫向拉伸機（rIDO）設備寬度相應要增加，而薄膜產(chǎn)量的提高，除了有寬幅的拉膜設備外，還需要大幅提升拉膜設備的生產(chǎn)速度。但生產(chǎn)速度的提高，使得齒輪傳動(dòng)機構和連接軸的體積和質(zhì)量都相應增加，若繼續沿用單電機的驅動(dòng)方式，使得橫向拉伸機（TD0）的動(dòng)態(tài)機械負載平衡性及可靠性和機加工精度都很難滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝要求。為此，采用兩臺電機分別直接驅動(dòng)左右齒輪箱和鏈輪，左右齒輪箱之間用一根傳動(dòng)軸剛性連接，從而降低了傳動(dòng)機械的轉動(dòng)慣量和振動(dòng)幅度，提高了動(dòng)態(tài)機械負載平衡性及可靠性，降低了機加工難度。但由此引出的新問(wèn)題是：如何使控制系統滿(mǎn)足驅動(dòng)左右齒輪箱兩臺同功率電機的負載平衡和同步驅動(dòng)的要求。對于橫向拉伸機（TDO）這樣的控制對象，對速度精度、轉矩動(dòng)態(tài)響應、負荷自動(dòng)分配等都有著(zhù)比較嚴格的要求，而一般的V 控制的變頻器又難以滿(mǎn)足此要求。本文著(zhù)重介紹了采用矢量控制變頻技術(shù)，實(shí)現2臺變頻器分別拖動(dòng)2臺電機同步驅動(dòng)同一負載，實(shí)現高精度、大轉矩調速的問(wèn)題。

1 橫向拉伸機（TDO）對控制系統的要求

影響薄膜質(zhì)量的因素有很多，如生產(chǎn)工藝參數、設備加工和安裝精度、生產(chǎn)溫度及速度的控制精度、生產(chǎn)操作人員的技能等，都會(huì )對薄膜質(zhì)量產(chǎn)生影響。但從薄膜成套設備的角度來(lái)看，橫向拉伸機（ I1DO）對薄膜的質(zhì)量特別是成膜率，有著(zhù)直接的影響。由于橫向拉伸機的結構特點(diǎn)是用兩臺相同功率的交流電機分別驅動(dòng)左右齒輪傳動(dòng)機構，而左右齒輪傳動(dòng)機構之間有-N性相連的連接軸，這樣就使得橫向拉伸機在傳動(dòng)結構上和負載的性質(zhì)上變成了兩臺電機同時(shí)驅動(dòng)一個(gè)負載的形式（如圖1）。

如圖1所示，這種傳動(dòng)結構形式的好處就是使得左右鏈條永遠I司步運行，而不會(huì )出現左右鏈條之間在運行過(guò)程中產(chǎn)生速差使薄膜破裂的現象。根據薄膜生產(chǎn)工藝的特點(diǎn)，橫向拉伸機（TD0）除了與整條生產(chǎn)線(xiàn)要保持速度鏈關(guān)系外，其本身左右鏈條的兩臺驅動(dòng)電機還要保持速度同步和機械動(dòng)態(tài)負載平衡的關(guān)系，否則將會(huì )出現因兩臺電機速度不同步，而造成兩臺電機承受的機械負載不平衡，出現一臺電機電流過(guò)大，而另一臺電機電流過(guò)小的情況。嚴重時(shí)還會(huì )造成變頻器因電流過(guò)大而頻繁出現過(guò)載保護現象，使得控制系統無(wú)法正常工作，這對控制系統和電機以及機械設備都是極為有害的。因此要求橫向拉伸機（TDO）的速度控制系統要有極高的穩速精度和動(dòng)態(tài)相應品質(zhì)，確保機械負載的動(dòng)態(tài)平衡。

2 橫向拉伸機（TDO）控制系統組成和工作原理

2．1 變頻器的選擇

采用一般的通用變頻器給異步電動(dòng)機供電時(shí)，可以實(shí)現電機無(wú)級平滑調速。但是，調速時(shí)有靜差，精度不高，調速范圍在hl0左右，而且不能像直流調速系統那樣提供很高的動(dòng)態(tài)性能。所以，一般v／F控制模式的變頻器不論是靜態(tài)的穩速精度還是動(dòng)態(tài)響應速度，都無(wú)法滿(mǎn)足薄膜生產(chǎn)工藝的要求。而矢量控制變頻器的特點(diǎn)是：采用由轉子磁鏈決定d一軸方向的dq同步旋轉坐標系，把異步電機的定子電流分解為其勵磁分量和轉矩分量，得到類(lèi)似于直流電機的轉矩模型，再采取措施把非線(xiàn)性系統變換成兩個(gè)獨立的轉速和轉子磁鏈的子系統，從而模仿直流電機分別用PI調節器進(jìn)行控制。所以，矢量控制變頻器有像直流調速系統那樣優(yōu)異的調速精度和動(dòng)態(tài)響應速度以及很寬的調速范圍（hl00）和完備的轉矩控制功能，完全能滿(mǎn)足薄膜生產(chǎn)工藝要求。所以在該控制系統中選擇西門(mén)子6SE70系列矢量控制變頻器作為電機的速度控制調節器和轉矩控制調節器。

2。2 雙電機同步驅動(dòng)同一負載的基本要求

兩臺矢量控制變頻器驅動(dòng)2臺電機拖動(dòng)同一個(gè)機械負載的基本要求是：

（1）兩臺變頻器必須保持嚴格的同步運行關(guān)系；
（2）兩臺變頻器之間實(shí)現動(dòng)態(tài)和穩態(tài)負載的自動(dòng)平衡分配。

2．3 三種基本的控制方案

下面介紹的三種基本控制方案可以滿(mǎn)足上述的基本要求。

（1）轉矩跟蹤控制方案1將兩臺矢量控制變頻器的其中l臺作為主動(dòng)裝置，另1臺作為從動(dòng)裝置，主從兩裝置之間用串行方式連接成主從控制方式；在主動(dòng)裝置上加裝一塊SCB2接口板，在從動(dòng)裝置上加裝一塊13oo工藝板（如圖2）。

生產(chǎn)線(xiàn)速度鏈的調速信號送至主動(dòng)裝置，再經(jīng)SCB2接口板分配到從動(dòng)裝置的T300工藝板上，應用T30o工藝板的多電機傳動(dòng)控制功能通過(guò)轉矩限制的軟特性和補償進(jìn)行負載平衡調節，使兩臺變頻器之間實(shí)現動(dòng)態(tài)和穩態(tài)負載的自動(dòng)平衡分配。該方法的缺點(diǎn)是要增加一塊SCB2接口板和一塊．I．3oo工藝板。

（2）轉矩跟蹤控制方案2同樣將兩臺矢量控制變頻器連接成主從控制方式（如圖3）。

生產(chǎn)線(xiàn)速度鏈的調速信號送至主動(dòng)裝置，而主動(dòng)裝置的轉矩輸出信號經(jīng)主動(dòng)裝置的模擬量輸出口X102．21．22端子送至從動(dòng)裝置的模擬量輸入口X102．17．18端子，作為從動(dòng)裝置的轉矩給定信號，并將主動(dòng)裝置設置成編碼器反饋的速度閉環(huán)控制模式，而從動(dòng)裝置設置成帶編碼器反饋的直接轉矩控制模式，這樣從動(dòng)裝置輸出的轉矩值就緊緊跟隨主動(dòng)裝置的轉矩值，確保主從裝置的同步運行以及動(dòng)態(tài)和穩態(tài)負載的自動(dòng)平衡分配。

（3）轉矩跟蹤控制方案3同樣將兩臺矢量控制變頻器連接成主從控制方式（如圖4）。

生產(chǎn)線(xiàn)速度鏈的調速信號經(jīng)PROFIBUS總線(xiàn)送至主、從控制裝置，再將主動(dòng)裝置的轉矩輸出信號經(jīng)主動(dòng)裝置的模擬量輸出口X102．21．22送至從動(dòng)裝置的模擬量輸入口X102．17．18端子，作為從動(dòng)裝置的轉矩限幅信號；實(shí)際應用時(shí)，先人為將從動(dòng)裝置的速度給點(diǎn)值設成約大于主動(dòng)裝置的速度給點(diǎn)值，使從動(dòng)裝置實(shí)際運轉速度約大于主動(dòng)裝置的實(shí)際運轉速度；如果沒(méi)有將主動(dòng)裝置輸出的轉矩限幅信號送至從動(dòng)裝置的模擬量輸人口，作為從動(dòng)裝置的轉矩限幅給定信號，那么，從動(dòng)裝置的實(shí)際轉速則大于主動(dòng)裝置的實(shí)際轉速，所以從動(dòng)裝置的實(shí)際輸出轉矩也將大于主動(dòng)裝置的實(shí)際輸出轉矩；但從動(dòng)裝置因受主動(dòng)裝置轉矩限幅信號的制約，而始終與主動(dòng)裝置的負載轉矩保持動(dòng)靜態(tài)的自動(dòng)平衡分配。

3 結論

根據雙向拉伸薄膜橫向拉伸機（TI）o）設備中兩臺電機同步拖動(dòng)同一負載的實(shí)際情況及薄膜的生產(chǎn)工藝要求，提出了采用兩臺矢量控制變頻器分別驅動(dòng)兩臺電機的轉矩跟蹤控制方案，其中方案二已經(jīng)實(shí)驗證實(shí)可行，方案三已在一條5．2 m雙向拉伸薄膜生產(chǎn)線(xiàn)的橫向拉伸機（TD0）上得到了實(shí)際應用。經(jīng)過(guò)數年的運行，證實(shí)該控制方案完全滿(mǎn)足橫向拉伸機（ TDO）的生產(chǎn)工藝要求，控制效果良好。這些方案也可應用到冶金、起重、造紙、玻璃、裝卸等行業(yè)中，需用兩臺電機同步運行并自動(dòng)保持負載轉矩平衡分配拖動(dòng)同一負載的場(chǎng)合。同時(shí)，對其他有類(lèi)似的控制要求的行業(yè)，也有很好的借鑒意義和廣泛的應用前景。