孟彥京 張洪濤

(陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

多電機(jī)負(fù)荷分配的耦合特性與控制策略分析

孟彥京 張洪濤

(陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

針對(duì)多電機(jī)的耦合特性復(fù)雜、負(fù)荷易失衡的特點(diǎn)，采用總線(xiàn)通信實(shí)時(shí)控制的方式對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過(guò)分析多電機(jī)負(fù)荷分配中剛性耦合與柔性耦合的特點(diǎn)，提出了與其對(duì)應(yīng)的總線(xiàn)通信轉(zhuǎn)矩控制和總線(xiàn)通信轉(zhuǎn)速控制的負(fù)荷分配控制策略，并對(duì)這兩種控制策略的穩(wěn)定性做出了理論性分析。最后通過(guò)觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)證明了控制策略的可行性。

多電機(jī) 負(fù)荷分配 剛性耦合 柔性耦合 總線(xiàn)通信

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)中，多電機(jī)的同步運(yùn)行與負(fù)荷分配問(wèn)題非常關(guān)鍵，比如在轉(zhuǎn)爐和紙機(jī)的電氣控制上，要求各部分電機(jī)的轉(zhuǎn)速?lài)?yán)格同步，而且多臺(tái)電機(jī)要均衡分擔(dān)負(fù)載，否則電機(jī)會(huì)出現(xiàn)過(guò)壓、過(guò)流現(xiàn)象，產(chǎn)品質(zhì)量也難以保證［1］。為了解決這些問(wèn)題，研究多傳動(dòng)系統(tǒng)中電機(jī)軸之間的耦合特性，進(jìn)而提出相應(yīng)的控制策略就顯得尤為重要。據(jù)此，筆者根據(jù)自身相關(guān)經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀測(cè)，對(duì)多電機(jī)的耦合特性與負(fù)荷分配進(jìn)行了詳細(xì)分析。

1 多電機(jī)的負(fù)荷分配

在工業(yè)應(yīng)用中，同一臺(tái)設(shè)備或同一條生產(chǎn)線(xiàn)通常采用多臺(tái)電機(jī)分別拖動(dòng)的方式，而這些電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)要相互匹配。這種匹配表現(xiàn)為:在具有剛性耦合與柔性耦合的傳動(dòng)部分，不僅要維持轉(zhuǎn)速的同步，還要具有負(fù)荷動(dòng)態(tài)調(diào)整的功能。兩臺(tái)不同電機(jī)的機(jī)械特性如圖1所示。對(duì)于同步轉(zhuǎn)速n0相同的兩臺(tái)電機(jī)來(lái)說(shuō)，由于機(jī)械特性硬度的不同，當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)速都為n1時(shí)，電機(jī)1的轉(zhuǎn)矩T1要大于電機(jī)2的轉(zhuǎn)矩T2［2-3］，因此，在拖動(dòng)同一負(fù)載時(shí)會(huì)出現(xiàn)一臺(tái)電機(jī)負(fù)載過(guò)輕、另一臺(tái)電機(jī)負(fù)載過(guò)重，甚至超過(guò)額定負(fù)載的現(xiàn)象。對(duì)此必須進(jìn)行負(fù)荷分配設(shè)計(jì)。

圖1 不同機(jī)械特性的對(duì)比Fig.1 Comparison of different mechanical characteristics

負(fù)荷分配的任務(wù)是使拖動(dòng)同一負(fù)載的多臺(tái)電機(jī)的負(fù)載率相同［2-4］，即:

實(shí)際控制中，電機(jī)功率是一間接量，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩反映了電機(jī)負(fù)荷的變化情況，可通過(guò)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制實(shí)現(xiàn)負(fù)荷分配的調(diào)節(jié)［5］。

2 負(fù)荷分配的耦合特性

一個(gè)由多電機(jī)拖動(dòng)的系統(tǒng)必須要進(jìn)行負(fù)荷分配設(shè)計(jì)，而負(fù)荷分配的實(shí)現(xiàn)不僅需要傳動(dòng)單元對(duì)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的精確控制，而且還要有各電動(dòng)機(jī)軸之間耦合媒介的力的傳遞，而電動(dòng)機(jī)軸之間的耦合特性又決定了負(fù)荷分配控制策略的選擇。根據(jù)電動(dòng)機(jī)軸耦合方式的不同，可將其分為剛性耦合與柔性耦合。

2.1 剛性耦合

所謂剛性耦合，就是指若干電機(jī)軸之間通過(guò)齒輪、萬(wàn)向節(jié)、傳動(dòng)輥等硬連接方式進(jìn)行耦合。在這種情況下，只要其中一個(gè)傳動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，其余傳動(dòng)點(diǎn)也將立即被動(dòng)運(yùn)行，如紙機(jī)的施膠部、壓光部等。這些傳動(dòng)點(diǎn)正常運(yùn)行時(shí)都是通過(guò)加壓，使上下傳動(dòng)輥并行接觸并保持一定的壓力后才同步運(yùn)轉(zhuǎn)。

剛性耦合在機(jī)械結(jié)構(gòu)上的硬連接方式保證了速度的同步。其中任一電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的變化將會(huì)使其余電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩發(fā)生相反的變化，在變化過(guò)程中，速度仍然同步。剛性耦合的結(jié)構(gòu)如圖2所示，它是剛性耦合中的一種，為傳動(dòng)輥并行接觸并保持一定的壓力后同步運(yùn)行的示意圖。

圖2 剛性耦合示意圖Fig.2 Schematic diagram of rigid coupling

假設(shè)VL1和VL2分別為主傳動(dòng)輥和從傳動(dòng)輥的線(xiàn)速度(單位為m/min)，d1和d2分別為主從傳動(dòng)輥的輥徑(單位為m)，i1和i2分別為主從傳動(dòng)點(diǎn)減速裝置的減速比，n1和n2分別為主從電機(jī)的轉(zhuǎn)速(單位為r/min)，那么有:

由于機(jī)械結(jié)構(gòu)決定了線(xiàn)速度的一致性，則VL1=VL2。若令n1=n2，即電機(jī)的轉(zhuǎn)速也相同，聯(lián)立式(2)～(3)有:

也就是說(shuō)當(dāng)減速裝置的減速比滿(mǎn)足以上比例時(shí)，就能保證主從傳動(dòng)輥線(xiàn)速度一致的同時(shí)，主從點(diǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也基本同步。異步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為:

式中:Tem為電磁轉(zhuǎn)矩;T2為輸出轉(zhuǎn)矩;T0為空載轉(zhuǎn)矩。假若忽略空載轉(zhuǎn)矩T0，有:

式中:Pmec為總機(jī)械功率;Ω為機(jī)械角速度。當(dāng)兩電機(jī)轉(zhuǎn)速同步時(shí)(即Ω相同)，若電機(jī)轉(zhuǎn)矩的百分比相同，則近似反映出電機(jī)負(fù)載率相同。所以對(duì)于剛性耦合一般采用總線(xiàn)通信轉(zhuǎn)矩控制的負(fù)荷分配方式。即:主傳動(dòng)點(diǎn)為轉(zhuǎn)速控制，從傳動(dòng)點(diǎn)為轉(zhuǎn)矩控制，而且從傳動(dòng)點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩(百分比)給定取自主點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩(百分比)反饋。主傳動(dòng)點(diǎn)的轉(zhuǎn)速控制能保證主從傳動(dòng)點(diǎn)都精確地以設(shè)定的速度運(yùn)行。從點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩控制能保證從點(diǎn)立即響應(yīng)給定轉(zhuǎn)矩的變化，實(shí)現(xiàn)快速的動(dòng)態(tài)負(fù)荷分配的效果。

當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大時(shí)，主傳動(dòng)點(diǎn)的速度將略微下降，電磁轉(zhuǎn)矩增大，主點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩反饋也即從傳動(dòng)點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩給定增大，使得從點(diǎn)產(chǎn)生更大的電磁轉(zhuǎn)矩來(lái)和主點(diǎn)分擔(dān)增加的負(fù)載。

當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩減小時(shí)，主傳動(dòng)點(diǎn)的速度將略微上升，電磁轉(zhuǎn)矩減小，主點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩反饋也即從傳動(dòng)點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩給定減小，使得從點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩降低，達(dá)到新的平衡。

假若某一時(shí)刻負(fù)荷分配出現(xiàn)失衡，會(huì)出現(xiàn)以下兩種狀況。

①當(dāng)主點(diǎn)轉(zhuǎn)矩(百分比)增大時(shí)，其轉(zhuǎn)矩反饋便增大，從點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩給定便增大，從而使從點(diǎn)的輸出轉(zhuǎn)矩增大，則在總負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變的情況下，主點(diǎn)轉(zhuǎn)矩將下降。

②當(dāng)從點(diǎn)轉(zhuǎn)矩增大時(shí)，由于剛性耦合機(jī)械結(jié)構(gòu)傳遞力矩的快速性，主點(diǎn)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩將立即減小，從而使主點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩反饋減小，從點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩給定減小，從點(diǎn)的輸出轉(zhuǎn)矩減小。

綜合上述分析可知，對(duì)于剛性耦合采用總線(xiàn)通信轉(zhuǎn)矩控制的負(fù)荷分配方式不僅是穩(wěn)定的，而且在出現(xiàn)負(fù)荷分配失衡的情況下還具有自動(dòng)調(diào)節(jié)的功能。

2.2 柔性耦合

所謂柔性耦合，就是指若干電機(jī)軸之間通過(guò)皮帶、網(wǎng)布、毛毯等軟連接的方式進(jìn)行耦合。在這種情況下，只要其中一個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)，其余傳動(dòng)點(diǎn)也將被拖動(dòng)運(yùn)行，但有可能出現(xiàn)延遲或者打滑的現(xiàn)象。如長(zhǎng)網(wǎng)紙機(jī)的網(wǎng)部，一般由驅(qū)網(wǎng)輥和真空伏輥共同驅(qū)動(dòng)(有的還有導(dǎo)網(wǎng)輥)，它們通過(guò)網(wǎng)布或者毛毯以軟連接的方式耦合在一起。

柔性耦合在機(jī)械結(jié)構(gòu)上不能保證速度的同步。這是因?yàn)檫B接主從傳動(dòng)點(diǎn)的毛毯不僅是有彈性的而且與傳動(dòng)輥間還可能出現(xiàn)打滑［6］。主傳動(dòng)點(diǎn)轉(zhuǎn)速的變化首先會(huì)引起毛毯的收縮或伸長(zhǎng)，進(jìn)而通過(guò)毛毯張力的變化，影響其余傳動(dòng)點(diǎn)的轉(zhuǎn)速，這期間主點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩變化經(jīng)毛毯傳遞到從點(diǎn)時(shí)須有一定的時(shí)間延遲Δt。柔性耦合的結(jié)構(gòu)如圖3所示，主傳動(dòng)與從傳動(dòng)以毛毯等軟連接方式耦合在一起。

圖3 柔性耦合示意圖Fig.3 Schematic diagram of flexible coupling

設(shè)主從傳動(dòng)點(diǎn)之間的距離為L(zhǎng)(單位為m)，毛毯伸縮率為δ%，毛毯運(yùn)行的線(xiàn)速度為VL(單位為m/min)，當(dāng)主傳動(dòng)點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化時(shí)，會(huì)經(jīng)Δt的時(shí)間傳遞給從傳動(dòng)點(diǎn)，那么有:

若傳動(dòng)單元使用具有直接轉(zhuǎn)矩控制(direct torque control，DTC)技術(shù)的變頻器，如ACS850，主從點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時(shí)間都只有1～2 ms。假如對(duì)柔性耦合采用總線(xiàn)通信轉(zhuǎn)矩控制的負(fù)荷分配方式，從點(diǎn)為轉(zhuǎn)矩控制，那么從點(diǎn)轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)時(shí)間t0遠(yuǎn)小于轉(zhuǎn)矩經(jīng)毛毯傳遞的延遲時(shí)間Δt，因此從點(diǎn)的動(dòng)作要快于毛毯張力的變化，這將導(dǎo)致毛毯張力出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，表現(xiàn)為毛毯間歇式的張緊與松弛。由于從點(diǎn)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)與負(fù)載變化的不同步，當(dāng)負(fù)荷波動(dòng)時(shí)，從點(diǎn)會(huì)時(shí)而加速時(shí)而減速，轉(zhuǎn)速無(wú)法穩(wěn)定。

對(duì)于柔性耦合，將采用總線(xiàn)通信轉(zhuǎn)速控制的負(fù)荷分配方式，即:主從傳動(dòng)點(diǎn)都為轉(zhuǎn)速控制，通過(guò)采集主點(diǎn)與從點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩，計(jì)算其差值，據(jù)此來(lái)修正從點(diǎn)的速度給定，同時(shí)還有速差限幅控制，使主從點(diǎn)基本保持同步運(yùn)行［7］。

3 軟件實(shí)現(xiàn)

對(duì)于剛性耦合采用總線(xiàn)通信轉(zhuǎn)矩控制的負(fù)荷分配方式，正常運(yùn)行時(shí)從點(diǎn)采用轉(zhuǎn)矩控制，那么此時(shí)從點(diǎn)的轉(zhuǎn)速由主點(diǎn)的轉(zhuǎn)速和機(jī)械耦合度共同決定。當(dāng)機(jī)械耦合緊密時(shí)，從點(diǎn)的速度與主點(diǎn)保持同步或二者速差很小;當(dāng)機(jī)械耦合變差時(shí)，從機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩變小，而來(lái)自主點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩給定大于從點(diǎn)的實(shí)際負(fù)載轉(zhuǎn)矩，此時(shí)從點(diǎn)轉(zhuǎn)速會(huì)迅速升高，當(dāng)速差超限時(shí)，從機(jī)由轉(zhuǎn)矩控制方式變?yōu)檗D(zhuǎn)速控制方式，同時(shí)將主點(diǎn)的實(shí)際轉(zhuǎn)速作為從點(diǎn)的轉(zhuǎn)速限幅值。其程序流程圖如圖4所示。

圖4 剛性耦合中的控制策略Fig.4 Control strategy in rigid coupling

對(duì)于柔性耦合采用總線(xiàn)通信轉(zhuǎn)速控制的負(fù)荷分配方式，主點(diǎn)采用速度控制，從點(diǎn)跟隨主點(diǎn)的轉(zhuǎn)速給定。周期性地采集主從點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩，當(dāng)主點(diǎn)轉(zhuǎn)矩小于從點(diǎn)轉(zhuǎn)矩時(shí)，將主點(diǎn)轉(zhuǎn)矩作為從點(diǎn)轉(zhuǎn)矩限幅值，否則從點(diǎn)轉(zhuǎn)矩大于主點(diǎn)轉(zhuǎn)矩，毛毯會(huì)松弛;當(dāng)主點(diǎn)轉(zhuǎn)矩大于從點(diǎn)轉(zhuǎn)矩時(shí)，計(jì)算轉(zhuǎn)矩差ΔT，當(dāng)大于閾值δ(T)(一般取3.5%)時(shí)，將從點(diǎn)的轉(zhuǎn)速附加一個(gè)轉(zhuǎn)速微調(diào)量δ(n)，從而間接地增加了從點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩［8］。其程序流程圖如圖5所示。

圖5 柔性耦合中的控制策略Fig.5 Control strategy in flexible coupling

另外，對(duì)于聯(lián)動(dòng)運(yùn)行的主從點(diǎn)，系統(tǒng)還提供運(yùn)行聯(lián)鎖控制［1］。當(dāng)其中一個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，本組其余傳動(dòng)點(diǎn)也會(huì)同時(shí)停機(jī)，從而避免了對(duì)設(shè)備的損壞。

4 應(yīng)用案例分析

湖北炬塏紙業(yè)的4 000/400紙機(jī)(紙幅寬度4 000 mm、紙機(jī)車(chē)速400 m/min)中，對(duì)有負(fù)荷分配的傳動(dòng)點(diǎn)采用總線(xiàn)通信控制的負(fù)荷分配方式，保證了負(fù)載的均衡分配。傳動(dòng)系統(tǒng)中主站采用西門(mén)子公司的PLC(CPU313-2DP)，傳動(dòng)單元作為從站采用ABB公司的ACS850變頻器，主從站之間利用Profibus-DP 進(jìn)行通信［9］。

4.1 總線(xiàn)通信轉(zhuǎn)矩控制

施膠部和壓榨部都是上下傳動(dòng)輥加壓并行運(yùn)轉(zhuǎn)，屬于剛性耦合，所以采用總線(xiàn)通信轉(zhuǎn)矩控制的負(fù)荷分配方式［10］?，F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)主點(diǎn)給定轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時(shí)，由于主從點(diǎn)為剛性耦合，因此主從點(diǎn)轉(zhuǎn)速由機(jī)械結(jié)構(gòu)保持同步;從點(diǎn)跟隨主點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩輸出，主從點(diǎn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩都為額定轉(zhuǎn)矩的42.5%左右，負(fù)荷分配基本平衡。

4.2 總線(xiàn)通信轉(zhuǎn)速控制

網(wǎng)部?jī)膳_(tái)電機(jī)通過(guò)造紙毛毯同軸連接，主從點(diǎn)之間的距離為19.5 m，屬于柔性耦合，所以采用總線(xiàn)通信轉(zhuǎn)速控制的負(fù)荷分配方式?，F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)主點(diǎn)給定轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時(shí)，由于從點(diǎn)采用轉(zhuǎn)速控制，因此從機(jī)轉(zhuǎn)速基本與主機(jī)轉(zhuǎn)速一致，維持在1 000 r/min左右。由于本分部為柔性耦合，主從點(diǎn)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，但基本都維持在電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的40%左右，負(fù)載分配基本平衡;而且主從點(diǎn)之間的毛毯張力基本恒定，未出現(xiàn)時(shí)緊時(shí)松的現(xiàn)象。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜合上述分析可知，在工業(yè)應(yīng)用中，針對(duì)電機(jī)軸存在剛性耦合與柔性耦合的系統(tǒng)，分別采用總線(xiàn)通信轉(zhuǎn)矩控制和總線(xiàn)通信轉(zhuǎn)速控制的負(fù)荷分配方式是一種較好的選擇方案。該方案不僅能夠保證多電機(jī)的同步運(yùn)行，而且可較好地實(shí)現(xiàn)負(fù)載的均衡分配，減少了因設(shè)備不同步、負(fù)荷分配不平衡而導(dǎo)致的系統(tǒng)故障的發(fā)生，保證了生產(chǎn)的正常高效運(yùn)行。

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Analysis of the Coupling Characteristics and Control Strategies for Multi-motor Load Dispatch

In accordance with the complication of coupling characteristics of multi-motor，and the feature of load imbalance，the torque and rotating speed of motor are regulated by adopting bus communication real time control.Through analyzing the features of rigid coupling and flexible coupling in load dispatching of multi-motor，corresponding load dispatch control strategies of bus communication torque control and bus communication rotating speed control are proposed，and the stability of these two control strategies are analyzed theoretically.The feasibility of the control strategies is verified through observing real time on-site data.

Multi-motor Load dispatch Rigid coupling Flexible coupling Bus communication

TP202

A

修改稿收到日期:2012-07-10。

孟彥京(1956-)，男，2012年畢業(yè)于陜西科技大學(xué)制漿造紙工程專(zhuān)業(yè)，獲博士學(xué)位，教授;主要從事電力電子與電力傳動(dòng)、風(fēng)力發(fā)電、電機(jī)軟啟動(dòng)器等方面的研究。