丁鵬飛

摘 要： 本文分析了多電機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)負(fù)荷控制的原理，說明了多電機(jī)驅(qū)動(dòng)主、從輥的選擇原則及負(fù)荷控制的幾種具體控制方式，并結(jié)合紙機(jī)分部的工藝特性、耦合特性選用相應(yīng)的控制方式，滿足紙機(jī)控制精度和穩(wěn)定性的要求。

關(guān)鍵詞： 電機(jī)；轉(zhuǎn)矩；速度；耦合

1.引言

在紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)中經(jīng)常會(huì)遇到由兩臺(tái)及以上電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)紙機(jī)同一分部的情況，這些電機(jī)之間存在或強(qiáng)或弱的耦合關(guān)系，即一個(gè)電機(jī)運(yùn)行速度、運(yùn)行負(fù)荷會(huì)影響到同一分部其他電機(jī)的運(yùn)行狀況。如紙機(jī)網(wǎng)部真空伏輥、驅(qū)網(wǎng)輥等；壓榨部的真空吸移輥、真空壓榨輥；施膠機(jī)的上輥、下輥等。這就要求分部傳動(dòng)組內(nèi)各電機(jī)之間在實(shí)現(xiàn)速度同步的同時(shí)進(jìn)行負(fù)荷的均衡控制，如果負(fù)荷不能均勻分配甚至出現(xiàn)負(fù)荷對(duì)拉現(xiàn)象，就會(huì)造成一個(gè)或多個(gè)電機(jī)工作在過流、過壓狀態(tài)，不僅影響正常的抄紙作業(yè)，降低電機(jī)使用壽命，嚴(yán)重時(shí)甚至可能損壞電機(jī)及機(jī)械設(shè)備。這就要求我們對(duì)各分部進(jìn)行相應(yīng)的負(fù)荷控制，使分部總負(fù)荷能均衡的分配到傳動(dòng)組內(nèi)各電機(jī)上。

2.負(fù)荷控制機(jī)理

負(fù)荷控制的機(jī)理為在多電機(jī)傳動(dòng)控制過程中使各分部電機(jī)的負(fù)載率相同，即 L=P/Pa相同（P為電機(jī)所承擔(dān)的負(fù)載功率，Pa為電機(jī)額定功率），并且在負(fù)荷控制調(diào)節(jié)過程中不影響本傳動(dòng)組以外其他各分部的速度。實(shí)際控制中，電機(jī)功率是一個(gè)間接量，通常用電機(jī)轉(zhuǎn)矩替代電機(jī)功率。負(fù)荷控制時(shí)先讀取各分部電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，計(jì)算出系統(tǒng)總負(fù)荷轉(zhuǎn)矩；然后根據(jù)系統(tǒng)總負(fù)荷轉(zhuǎn)矩，計(jì)算出負(fù)載平衡時(shí)的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩。平均轉(zhuǎn)矩M的計(jì)算方法如下所示：

式中： mi為第i 臺(tái)電機(jī)的實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩； Pi為第i 臺(tái)電機(jī)的額定功率； M 為負(fù)荷平衡目標(biāo)轉(zhuǎn)矩。負(fù)荷控制程序通過比較目標(biāo)轉(zhuǎn)矩M 和實(shí)際轉(zhuǎn)矩mi進(jìn)行調(diào)節(jié)，使實(shí)際轉(zhuǎn)矩與目標(biāo)轉(zhuǎn)矩趨于一致[1]。紙機(jī)負(fù)載波動(dòng)時(shí)，計(jì)算得到的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩M也跟隨實(shí)際負(fù)載的變化而變化，所以這是一種動(dòng)態(tài)的調(diào)節(jié)過程。

考慮到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的工藝特性、機(jī)械特性及實(shí)際控制要求，我們通常也可以將上述控制過程演繹為以下控制過程

式中：mi為第i 臺(tái)從輥電機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩，m0為系統(tǒng)設(shè)定主輥電機(jī)的實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩，Si Oi分別為第i個(gè)從輥相對(duì)于主輥轉(zhuǎn)矩的比率值及偏置值，即從輥的轉(zhuǎn)矩都動(dòng)態(tài)的跟隨主輥，這樣負(fù)荷控制的穩(wěn)定性和靈活性都得到了提高。

3.負(fù)荷控制主、從輥的確定

我們知道，多電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中根據(jù)電動(dòng)機(jī)耦合方式的不同，可分為剛性耦合和柔性耦合。所謂剛性耦合，是指若干電機(jī)軸之間通過齒輪、萬向節(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)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)都是通過加壓，使上下傳動(dòng)輥接觸并保持一定壓力后才同步運(yùn)轉(zhuǎn)；所謂柔性耦合，是指若干電機(jī)軸之間通過皮帶、網(wǎng)、毛毯等軟連接的方式進(jìn)行耦合。在這種情況下，其中一個(gè)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)也能拖動(dòng)其余傳動(dòng)點(diǎn)運(yùn)行，但有可能出現(xiàn)延遲或者打滑的現(xiàn)象。如長網(wǎng)紙機(jī)的網(wǎng)部等[2]。對(duì)于剛性耦合主輥的選擇一般從3個(gè)方面考慮：1）功率較大的輥；2）以固定輥?zhàn)鳛橹鬏?，擺動(dòng)輥?zhàn)鰪妮?，如壓區(qū)合上之前紙張附著的輥?zhàn)討?yīng)作為主輥。3）以硬輥，不易變形的輥?zhàn)鳛橹鬏?。?duì)于柔性耦合主輥的選擇可以從2個(gè)方面考慮：1）功率較大的輥；2）驅(qū)網(wǎng)能力膠大的輥：網(wǎng)包角比較大的輥或真空吸附的輥等。

4.負(fù)荷控制實(shí)施方式

負(fù)荷分配可分為多種控制方式，主要分為基于轉(zhuǎn)矩控制的負(fù)荷控制：直接轉(zhuǎn)矩控制+速度限制、速度控制+轉(zhuǎn)矩限制模式、轉(zhuǎn)矩控制取小模式；基于速度控制的負(fù)荷控制：Droop功能、速度控制+PI調(diào)節(jié)器模式。

4.1 速度控制+轉(zhuǎn)矩限制模式

該控制模式下主從輥?zhàn)冾l器都工作在速度控制模式，其中主輥的速度給定值來自控制系統(tǒng)速度鏈上一分部，從輥的速度給定值來自主輥速度，為了防止主從輥實(shí)際速度不一致導(dǎo)致負(fù)荷不均衡的情況，我們?cè)诎阎鬏佀俣冉o到從輥之前先疊加一個(gè)速度補(bǔ)償量，即從輥的給定速度比主輥的給定速度要高，然后根據(jù)通訊讀取的主從輥轉(zhuǎn)矩值計(jì)算出從輥的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩值，寫入從輥?zhàn)冾l器轉(zhuǎn)矩限制值。這樣由于從輥的速度給定值高于主輥，當(dāng)主從輥工作在耦合狀態(tài)時(shí)，從輥的轉(zhuǎn)矩環(huán)工作在飽和模式，此時(shí)從輥的實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩即為從輥轉(zhuǎn)矩限制值。

4.2 轉(zhuǎn)矩控制+速度限制模式

該控制模式下主輥?zhàn)冾l器工作在速度控制模式，從輥?zhàn)冾l器工作在轉(zhuǎn)矩模式；主輥的速度來自控制系統(tǒng)速度鏈上一分部，主輥的轉(zhuǎn)矩值經(jīng)過相應(yīng)的計(jì)算處理后通訊寫入從輥轉(zhuǎn)矩設(shè)定值參數(shù)，為了防止機(jī)械故障或打滑等原因造成主從輥耦合關(guān)系消失而導(dǎo)致從輥飛車的問題，我們還需要對(duì)從輥的速度進(jìn)行相應(yīng)的限制。

4.3 轉(zhuǎn)矩控制取小模式

轉(zhuǎn)矩控制取小模式在控制思路與上述兩種負(fù)荷分配方式相類似，都是對(duì)從輥?zhàn)冾l的轉(zhuǎn)矩環(huán)輸入進(jìn)行相應(yīng)的處理，以到達(dá)控制從輥出力的目的，與上述負(fù)荷控制限制輸出轉(zhuǎn)矩及直接給定轉(zhuǎn)矩不同的是，該種負(fù)荷控制方式利用了變頻內(nèi)部模式選擇的功能，如下圖所示

通過改變變頻內(nèi)相應(yīng)參數(shù)，變頻器內(nèi)部會(huì)對(duì)速度環(huán)的輸出值和通訊寫入的轉(zhuǎn)矩給定值進(jìn)行取大，取小等邏輯操作，從而自動(dòng)實(shí)現(xiàn)速度/轉(zhuǎn)矩控制模式切換。在實(shí)際負(fù)荷分配過程中，我們選擇取小操作，即當(dāng)速度環(huán)的輸出小于轉(zhuǎn)矩給定值時(shí)采用速度環(huán)輸出值。這種方式要比前述兩種方式更加簡(jiǎn)單實(shí)用，并且無論是帶紙升降速、急停還是快停都能達(dá)到較好的控制效果。

4.4 Droop功能

Droop即速降，Droop的設(shè)定值表示當(dāng)變頻器達(dá)到額定負(fù)荷時(shí)的速降值。該種負(fù)荷分配方式中，所涉及的分部變頻器都定義為主模式，速度控制，接收相同的控制給定信號(hào)和速度源信號(hào)，變頻器同時(shí)工作帶動(dòng)負(fù)載運(yùn)行，變頻器控制模式可以選擇帶編碼器矢量控制，也可以選擇其它控制方式。啟用變頻器Droop功能，由于該功能能根據(jù)所帶負(fù)載情況，自動(dòng)調(diào)整實(shí)際給定速度，使其機(jī)械特性得以軟化，避免系統(tǒng)受到過硬的沖擊。這種負(fù)載分配主要應(yīng)用精度要求不高的柔性負(fù)載中，該負(fù)載分配控制簡(jiǎn)單，不需要附加的控制線，建議盡量用在兩個(gè)變頻系統(tǒng)中[3]。

4.5 速度控制+PI調(diào)節(jié)器模式

該模式下，主從輥?zhàn)冾l器都采用速度控制模式，主輥的給定值源于系統(tǒng)速度鏈上一分部，在實(shí)際控制過程中PLC控制器通訊讀取主、從輥的實(shí)際轉(zhuǎn)矩值，計(jì)算出兩者的偏差，并以此值為PID調(diào)節(jié)器的過程值進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，以主輥速度值疊加PID輸出作為從輥的速度給定值，通過動(dòng)態(tài)的調(diào)整從輥的給定速度到達(dá)調(diào)整主、從輥負(fù)荷的目的。設(shè)置PID參數(shù)時(shí)，應(yīng)注意不要把響應(yīng)調(diào)的太快，使得發(fā)生類似打滑等異常狀況時(shí)，速度偏差不會(huì)有劇烈的變化。

采用基于轉(zhuǎn)矩控制的負(fù)荷控制方式精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、控制品質(zhì)好適用紙機(jī)施膠機(jī)、壓光機(jī)、壓榨輥、烘缸與托輥等場(chǎng)合的應(yīng)用，Droop功能適用于速度可能發(fā)生變化的分部的控制，如施膠后鍍鉻缸分部的控制，對(duì)于施膠前后出現(xiàn)的紙張繃緊、松垂現(xiàn)象有較好的控制效果，速度PI調(diào)節(jié)模式適用于毛毯分部等轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)輸出反應(yīng)到實(shí)際從輥設(shè)備上需要一定時(shí)間延時(shí)和有可能出現(xiàn)打滑的場(chǎng)合，能避免轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)太快引起的毛毯張力振蕩等現(xiàn)象。

5.結(jié)束語

本文介紹了多電機(jī)傳動(dòng)負(fù)荷控制的原理和幾種具體控制方式，將文中所述控制方式正確的應(yīng)用于實(shí)際設(shè)備的負(fù)荷控制，能在保證實(shí)現(xiàn)設(shè)備工藝特性的前提下，減少設(shè)備故障，提高生產(chǎn)效率同時(shí)降低電機(jī)的消耗?！?/p>

參考文獻(xiàn)

[1]孟憲坤 李明輝 李虎. 紙機(jī)負(fù)荷分配控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 自動(dòng)化儀表 2012.

[2]孟彥京 張洪濤.多電機(jī)負(fù)荷分配的耦合特性與控制策略分析 自動(dòng)化儀表 2013.

[3]馬俊 西門子變頻器負(fù)載分配控制技術(shù)在濟(jì)鋼KR的應(yīng)用 變頻器世界 2008.