主從控制原理

　　ABB變頻器ACS800系列變頻器主從控制采用直接轉(zhuǎn)矩（dtc）作為其核心控制原理。而直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是在變頻器內(nèi)部建立了一個交流異步電動機(jī)的軟件數(shù)學(xué)模型，根據(jù)實(shí)測的直流母線電壓、開關(guān)狀態(tài)和電流計(jì)算出一組精確的電機(jī)轉(zhuǎn)矩和定子磁通實(shí)際值，并將這些參數(shù)值直接應(yīng)用于控制輸出單元的開關(guān)狀態(tài)，變頻器的每一次開關(guān)狀態(tài)都是單獨(dú)確定的，這意味著可以產(chǎn)生實(shí)現(xiàn)*佳的開關(guān)組合并對負(fù)載變化作出快速地轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，并將轉(zhuǎn)矩相應(yīng)限制在一拍以內(nèi)，且無超調(diào)，真正實(shí)現(xiàn)了對電動機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的實(shí)時控制�？刂圃�理如圖3所示。

　　在主從控制應(yīng)用中，外部信號（包括起動、停止、給定信號等）只與主機(jī)變頻器相連，主機(jī)通過光纖將從機(jī)控制字和轉(zhuǎn)速給定值、轉(zhuǎn)矩給定值廣播給所有的從機(jī)，實(shí)現(xiàn)對從機(jī)的控制。從機(jī)一般不通過主從通訊鏈路向主機(jī)發(fā)送任何反饋數(shù)據(jù)，從機(jī)的故障信號單獨(dú)連至主機(jī)的運(yùn)行使能信號端，形成聯(lián)鎖。一旦發(fā)生故障，聯(lián)鎖將停止主機(jī)和從機(jī)的運(yùn)行。
    　主機(jī)發(fā)送給從機(jī)的的控制字是一個16位字，其中僅b3（run）、b7（reset）、b10（remote－cmd）使用，當(dāng)從機(jī)參數(shù)10.01（ext1start/stop／dir）或10.02（ext2start/stop/dir）設(shè)置為comm.cw時，控制字命令有效。給定值是包括1個符號位和15個整數(shù)位的16位字，給定1為速度給定，給定2為轉(zhuǎn)矩給定。在從機(jī)中，要將給定1定義為從機(jī)的外部速度給定，需將參數(shù)11.03（extref1）設(shè)置為comm.ref；要將給定2定義為從機(jī)的外部轉(zhuǎn)矩給定，需將參數(shù)11.06（ext ref2select）設(shè)置為comm.ref。

　　圖4為主機(jī)和從機(jī)為剛性連接時，從機(jī)跟隨主機(jī)轉(zhuǎn)矩給定的控制原理圖。主機(jī)采用速度控制方式，即速度給定speedref3與實(shí)際速度actual speed相比較，通過pi調(diào)節(jié)器得到轉(zhuǎn)矩給定值torqref3，該值經(jīng)過頻率限幅、直流電壓限幅、功率限幅和轉(zhuǎn)矩限幅后，得到*終的轉(zhuǎn)矩給定值torq refused。該值和定子磁通給定值分別同相應(yīng)的實(shí)際值在滯環(huán)比較器內(nèi)進(jìn)行比較，得到*優(yōu)的pwm信號，*終通過驅(qū)動逆變器的開關(guān)器件達(dá)到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的。主機(jī)速度環(huán)輸出的*終轉(zhuǎn)矩給定值torqref used同時作為從機(jī)的轉(zhuǎn)矩給定值，實(shí)現(xiàn)主機(jī)和從機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡分配。
    　　由于從機(jī)采用轉(zhuǎn)矩控制，其轉(zhuǎn)速由主機(jī)速度和機(jī)械耦合度共同決定。當(dāng)機(jī)械耦合緊密時，從機(jī)速度保持與主機(jī)同步；當(dāng)由于機(jī)械原因?qū)е埋詈隙茸儾顣r，從機(jī)實(shí)際負(fù)載轉(zhuǎn)矩減少，來自主機(jī)的給定轉(zhuǎn)矩torqrefused大于從機(jī)的實(shí)際負(fù)載轉(zhuǎn)矩，從而引起從機(jī)轉(zhuǎn)速的迅速升高，直到達(dá)到其轉(zhuǎn)速的限幅值，如圖5（a）所示。此時，從機(jī)由轉(zhuǎn)矩控制方式轉(zhuǎn)變?yōu)樗俣瓤刂品绞�，速度給定值為轉(zhuǎn)速限幅值。在工程中，為防止主從機(jī)速度相差過大，在從機(jī)的速度環(huán)節(jié)中增加了窗口控制功能。窗口控制原理如圖5（b）所示。當(dāng)從機(jī)轉(zhuǎn)速超過窗口控制所設(shè)定的轉(zhuǎn)速范圍后，窗口控制功能激活從機(jī)轉(zhuǎn)速pi調(diào)節(jié)器輸出torqref2，該輸出值與主機(jī)轉(zhuǎn)矩給定值的和作為*終的從機(jī)轉(zhuǎn)矩給定值torq ref used，保證從機(jī)轉(zhuǎn)速限制在窗口限定的范圍之內(nèi)。
       　　圖6為主機(jī)與從機(jī)為柔性連接時，從機(jī)跟隨主機(jī)速度給定的控制原理圖。主機(jī)為速度控制方式，轉(zhuǎn)速給定為speedref3。從機(jī)跟隨主機(jī)的轉(zhuǎn)速給定，給定值為speedref3，主機(jī)轉(zhuǎn)矩給定值無效。在此控制方式中，主機(jī)和從機(jī)轉(zhuǎn)矩下垂功能的使用保證了負(fù)載功率在主從機(jī)上的平均分配。當(dāng)從機(jī)因摩擦力下滑等原因出現(xiàn)部分卸載情況時，從機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩降低，在轉(zhuǎn)矩下垂功能的作用下，實(shí)際給定轉(zhuǎn)速略有升高，實(shí)際輸出功率變化不大。此時，主機(jī)承受的負(fù)載增加，其內(nèi)部輸出轉(zhuǎn)矩相應(yīng)提高，而轉(zhuǎn)矩下垂功能使給定轉(zhuǎn)速下降，從而保證主機(jī)輸出功率的平衡。當(dāng)從機(jī)摩擦力恢復(fù)后，從機(jī)承受的負(fù)載增加，內(nèi)部輸出轉(zhuǎn)矩相應(yīng)增加，實(shí)際給定轉(zhuǎn)速減少；主機(jī)承受負(fù)載減少，內(nèi)部輸出轉(zhuǎn)矩相應(yīng)減少，實(shí)際給定轉(zhuǎn)速相應(yīng)提高。由于轉(zhuǎn)矩下垂功能的存在，主從機(jī)在一定程度上可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載功率的平均分配。
     　需要注意的是，當(dāng)從機(jī)采用跟隨主機(jī)轉(zhuǎn)矩控制時，如采用窗口控制功能，參數(shù)組60.02應(yīng)選擇參數(shù)add，表示窗口控制對轉(zhuǎn)矩控制模式下的從機(jī)進(jìn)行速度監(jiān)視。

　　在轉(zhuǎn)速偏差在參數(shù)定義的范圍內(nèi)，從機(jī)遵循主機(jī)的轉(zhuǎn)矩給定信號，窗口控制將會保持從機(jī)速度調(diào)節(jié)器的輸入和輸出為零。

　　若轉(zhuǎn)速偏差超出窗口范圍，窗口控制將誤差傳至速度調(diào)節(jié)器。速度調(diào)節(jié)器輸出將會增加或減少內(nèi)部轉(zhuǎn)矩給定值，將轉(zhuǎn)速限制在窗口定義的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。

　　3 應(yīng)用主從案例分析

　　山西朔州中煤集團(tuán)的皮帶運(yùn)輸機(jī)采用兩臺大功率電機(jī)主從連接的傳動方式，保證負(fù)載的分配平衡。由于應(yīng)用場合的差異，該廠采用了兩種不同的主從控制方式，即主機(jī)采用轉(zhuǎn)速控制方式，從機(jī)采用跟隨主機(jī)轉(zhuǎn)矩和跟隨主機(jī)轉(zhuǎn)速的控制方式。傳動系統(tǒng)參數(shù)如下：

　　電機(jī)參數(shù)：額定電壓為660v；額定電流為720.9a；額定功率為710kw；額定轉(zhuǎn)速為1448r/min；額定頻率為50hz。

　　變頻器：2 × acs800-07-1700-7

　　3.1 從機(jī)跟隨主機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制方式

　　圖7為兩臺電機(jī)通過同一個減速機(jī)同軸聯(lián)結(jié)（剛性連接）的主從波形圖。采用abb傳動調(diào)試軟件drivewindow監(jiān)測主機(jī)和從機(jī)在工作過程中的轉(zhuǎn)速（［1］代表主機(jī)，［4］代表從機(jī)）、電流（［2］代表主機(jī)，［5］代表從機(jī)）和輸出轉(zhuǎn)矩（［3］代表主機(jī)，［6］代表從機(jī)）的波形。圖7中的數(shù)值為相應(yīng)的實(shí)測值。主機(jī)給定轉(zhuǎn)速為1480r/min。由圖可見，從機(jī)跟隨主機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出，兩電機(jī)分別輸出額定轉(zhuǎn)矩的約37.4%左右，負(fù)載分配基本平衡，兩電機(jī)實(shí)際輸出電流約為320a左右。由于主從機(jī)為剛性連接，主從機(jī)轉(zhuǎn)速由機(jī)械結(jié)構(gòu)保持同步，實(shí)際轉(zhuǎn)速為1480r/min左右。
     　3.2 從機(jī)跟隨主機(jī)轉(zhuǎn)速的控制方式

　　圖8為兩臺電機(jī)通過皮帶機(jī)同軸聯(lián)結(jié)（柔性連接）的主從波形圖。采用abb傳動調(diào)試軟件drivewindow監(jiān)測主機(jī)和從機(jī)在工作過程中的轉(zhuǎn)速（［1］代表主機(jī)，［3］代表從機(jī)）和輸出轉(zhuǎn)矩（［2］代表主機(jī)，［4］代表從機(jī)）的波形。圖中的數(shù)值為相應(yīng)的實(shí)測值。主機(jī)給定轉(zhuǎn)速為200r/min。由圖8可見，由于從機(jī)采用轉(zhuǎn)速控制，從機(jī)轉(zhuǎn)速保持與主機(jī)一致，維持在200r/min左右。由于系統(tǒng)為柔性連接，主從機(jī)所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩略有不同，因此，其輸出轉(zhuǎn)矩也略有差別，但基本維持在電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的28%左右，兩電機(jī)輸出功率基本相同。
   　4 結(jié)束語

　　由以上分析可知，在工業(yè)應(yīng)用中，針對同軸連接需要同步運(yùn)行的場合，主從控制是一種*佳的選擇方案，不僅能夠保證多個同軸電機(jī)的同步運(yùn)行，而且可較好地實(shí)現(xiàn)負(fù)載的均勻分配，減少了設(shè)備因不同步、負(fù)載分配不平衡而導(dǎo)致的系統(tǒng)故障和產(chǎn)品質(zhì)量差等現(xiàn)象的發(fā)生，保證了生產(chǎn)的正常高效的進(jìn)行。

原創(chuàng)作者：深圳市賽德力檢測設(shè)備有限公司