變頻控制技術(shù)在雙電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)同一負(fù)載中的應(yīng)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(shè)備中，通常橫向拉伸機(jī)（11）O）左右鏈鋏的傳動(dòng)是由一臺(tái)電機(jī)通過(guò)左右傳動(dòng)軸和齒輪箱及鏈輪驅(qū)動(dòng)的；當(dāng)薄膜幅寬超過(guò)5．2 In后，橫向拉伸機(jī)（rIDO）設(shè)備寬度相應(yīng)要增加，而薄膜產(chǎn)量的提高，除了有寬幅的拉膜設(shè)備外，還需要大幅提升拉膜設(shè)備的生產(chǎn)速度。但生產(chǎn)速度的提高，使得齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和連接軸的體積和質(zhì)量都相應(yīng)增加，若繼續(xù)沿用單電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式，使得橫向拉伸機(jī)（TD0）的動(dòng)態(tài)機(jī)械負(fù)載平衡性及可靠性和機(jī)加工精度都很難滿足生產(chǎn)工藝要求。為此，采用兩臺(tái)電機(jī)分別直接驅(qū)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(jī)械的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和振動(dòng)幅度，提高了動(dòng)態(tài)機(jī)械負(fù)載平衡性及可靠性，降低了機(jī)加工難度。但由此引出的新問(wèn)題是：如何使控制系統(tǒng)滿足驅(qū)動(dòng)左右齒輪箱兩臺(tái)同功率電機(jī)的負(fù)載平衡和同步驅(qū)動(dòng)的要求。對(duì)于橫向拉伸機(jī)（TDO）這樣的控制對(duì)象，對(duì)速度精度、轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)、負(fù)荷自動(dòng)分配等都有著比較嚴(yán)格的要求，而一般的V 控制的變頻器又難以滿足此要求。本文著重介紹了采用矢量控制變頻技術(shù)，實(shí)現(xiàn)2臺(tái)變頻器分別拖動(dòng)2臺(tái)電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)同一負(fù)載，實(shí)現(xiàn)高精度、大轉(zhuǎn)矩調(diào)速的問(wèn)題。

1 橫向拉伸機(jī)（TDO）對(duì)控制系統(tǒng)的要求

影響薄膜質(zhì)量的因素有很多，如生產(chǎn)工藝參數(shù)、設(shè)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(duì)薄膜質(zhì)量產(chǎn)生影響。但從薄膜成套設(shè)備的角度來(lái)看，橫向拉伸機(jī)（ I1DO）對(duì)薄膜的質(zhì)量特別是成膜率，有著直接的影響。由于橫向拉伸機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是用兩臺(tái)相同功率的交流電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)左右齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，而左右齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)之間有-N性相連的連接軸，這樣就使得橫向拉伸機(jī)在傳動(dòng)結(jié)構(gòu)上和負(fù)載的性質(zhì)上變成了兩臺(tái)電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)一個(gè)負(fù)載的形式（如圖1）。

如圖1所示，這種傳動(dòng)結(jié)構(gòu)形式的好處就是使得左右鏈條永遠(yuǎn)I司步運(yùn)行，而不會(huì)出現(xiàn)左右鏈條之間在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生速差使薄膜破裂的現(xiàn)象。根據(jù)薄膜生產(chǎn)工藝的特點(diǎn)，橫向拉伸機(jī)（TD0）除了與整條生產(chǎn)線要保持速度鏈關(guān)系外，其本身左右鏈條的兩臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)還要保持速度同步和機(jī)械動(dòng)態(tài)負(fù)載平衡的關(guān)系，否則將會(huì)出現(xiàn)因兩臺(tái)電機(jī)速度不同步，而造成兩臺(tái)電機(jī)承受的機(jī)械負(fù)載不平衡，出現(xiàn)一臺(tái)電機(jī)電流過(guò)大，而另一臺(tái)電機(jī)電流過(guò)小的情況。嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成變頻器因電流過(guò)大而頻繁出現(xiàn)過(guò)載保護(hù)現(xiàn)象，使得控制系統(tǒng)無(wú)法正常工作，這對(duì)控制系統(tǒng)和電機(jī)以及機(jī)械設(shè)備都是極為有害的。因此要求橫向拉伸機(jī)（TDO）的速度控制系統(tǒng)要有極高的穩(wěn)速精度和動(dòng)態(tài)相應(yīng)品質(zhì)，確保機(jī)械負(fù)載的動(dòng)態(tài)平衡。

2 橫向拉伸機(jī)（TDO）控制系統(tǒng)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(jī)供電時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速。但是，調(diào)速時(shí)有靜差，精度不高，調(diào)速范圍在hl0左右，而且不能像直流調(diào)速系統(tǒng)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(wěn)速精度還是動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，都無(wú)法滿足薄膜生產(chǎn)工藝的要求。而矢量控制變頻器的特點(diǎn)是：采用由轉(zhuǎn)子磁鏈決定d一軸方向的dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，把異步電機(jī)的定子電流分解為其勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量，得到類(lèi)似于直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩模型，再采取措施把非線性系統(tǒng)變換成兩個(gè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子磁鏈的子系統(tǒng)，從而模仿直流電機(jī)分別用PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制。所以，矢量控制變頻器有像直流調(diào)速系統(tǒng)那樣優(yōu)異的調(diào)速精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度以及很寬的調(diào)速范圍（hl00）和完備的轉(zhuǎn)矩控制功能，完全能滿足薄膜生產(chǎn)工藝要求。所以在該控制系統(tǒng)中選擇西門(mén)子6SE70系列矢量控制變頻器作為電機(jī)的速度控制調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)矩控制調(diào)節(jié)器。

2。2 雙電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)同一負(fù)載的基本要求

兩臺(tái)矢量控制變頻器驅(qū)動(dòng)2臺(tái)電機(jī)拖動(dòng)同一個(gè)機(jī)械負(fù)載的基本要求是：

（1）兩臺(tái)變頻器必須保持嚴(yán)格的同步運(yùn)行關(guān)系；
（2）兩臺(tái)變頻器之間實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)負(fù)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足上述的基本要求。

（1）轉(zhuǎn)矩跟蹤控制方案1將兩臺(tái)矢量控制變頻器的其中l(wèi)臺(tái)作為主動(dòng)裝置，另1臺(tái)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)線速度鏈的調(diào)速信號(hào)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(yīng)用T30o工藝板的多電機(jī)傳動(dòng)控制功能通過(guò)轉(zhuǎn)矩限制的軟特性和補(bǔ)償進(jìn)行負(fù)載平衡調(diào)節(jié)，使兩臺(tái)變頻器之間實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)負(fù)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(zhuǎn)矩跟蹤控制方案2同樣將兩臺(tái)矢量控制變頻器連接成主從控制方式（如圖3）。

生產(chǎn)線速度鏈的調(diào)速信號(hào)送至主動(dòng)裝置，而主動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)矩輸出信號(hào)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(zhuǎn)矩給定信號(hào)，并將主動(dòng)裝置設(shè)置成編碼器反饋的速度閉環(huán)控制模式，而從動(dòng)裝置設(shè)置成帶編碼器反饋的直接轉(zhuǎn)矩控制模式，這樣從動(dòng)裝置輸出的轉(zhuǎn)矩值就緊緊跟隨主動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)矩值，確保主從裝置的同步運(yùn)行以及動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)負(fù)載的自動(dòng)平衡分配。

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

生產(chǎn)線速度鏈的調(diào)速信號(hào)經(jīng)PROFIBUS總線送至主、從控制裝置，再將主動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)矩輸出信號(hào)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(zhuǎn)矩限幅信號(hào)；實(shí)際應(yīng)用時(shí)，先人為將從動(dòng)裝置的速度給點(diǎn)值設(shè)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(yùn)轉(zhuǎn)速度約大于主動(dòng)裝置的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)速度；如果沒(méi)有將主動(dòng)裝置輸出的轉(zhuǎn)矩限幅信號(hào)送至從動(dòng)裝置的模擬量輸人口，作為從動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)矩限幅給定信號(hào)，那么，從動(dòng)裝置的實(shí)際轉(zhuǎn)速則大于主動(dòng)裝置的實(shí)際轉(zhuǎn)速，所以從動(dòng)裝置的實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩也將大于主動(dòng)裝置的實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩；但從動(dòng)裝置因受主動(dòng)裝置轉(zhuǎn)矩限幅信號(hào)的制約，而始終與主動(dòng)裝置的負(fù)載轉(zhuǎn)矩保持動(dòng)靜態(tài)的自動(dòng)平衡分配。

3 結(jié)論

根據(jù)雙向拉伸薄膜橫向拉伸機(jī)（TI）o）設(shè)備中兩臺(tái)電機(jī)同步拖動(dòng)同一負(fù)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(tái)矢量控制變頻器分別驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩跟蹤控制方案，其中方案二已經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)可行，方案三已在一條5．2 m雙向拉伸薄膜生產(chǎn)線的橫向拉伸機(jī)（TD0）上得到了實(shí)際應(yīng)用。經(jīng)過(guò)數(shù)年的運(yùn)行，證實(shí)該控制方案完全滿足橫向拉伸機(jī)（ TDO）的生產(chǎn)工藝要求，控制效果良好。這些方案也可應(yīng)用到冶金、起重、造紙、玻璃、裝卸等行業(yè)中，需用兩臺(tái)電機(jī)同步運(yùn)行并自動(dòng)保持負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡分配拖動(dòng)同一負(fù)載的場(chǎng)合。同時(shí)，對(duì)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(yīng)用前景。