摘 要：對(duì)于收卷而言，隨著卷徑的逐漸增大，限轉(zhuǎn)矩的值也隨之增大，變頻器輸出的速度將隨之減少，符合收卷的基本原理，同時(shí)張力也在控制之中;而對(duì)于主從控制中的從傳動(dòng)而言，只要將其轉(zhuǎn)矩限定值跟隨主傳動(dòng)，就能保證兩者之間的同步匹配。本文將主要討論矢量變頻器的限轉(zhuǎn)矩功能在收卷控制和主從控制中的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：變頻器 收卷 主從控制 限轉(zhuǎn)矩
1 前言
矢量控制的變頻器是通過對(duì)電機(jī)磁通電流和轉(zhuǎn)矩電流的解耦控制，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩的快速響應(yīng)和準(zhǔn)確控制，可以很高的控制精度進(jìn)行寬范圍的調(diào)速運(yùn)行。
如圖1所示為矢量控制變頻器的基本工作原理，頻率指令和實(shí)際速度的比較值通過一個(gè)速度調(diào)節(jié)器ASR后再進(jìn)行轉(zhuǎn)矩限定，最后來控制變頻器的輸出轉(zhuǎn)矩。該控制圖分為2個(gè)閉環(huán)（速度環(huán)和電流環(huán)），限轉(zhuǎn)矩的作用就是用來限定速度調(diào)節(jié)器輸出的轉(zhuǎn)矩電流，將直接限制變頻器的輸出頻率。設(shè)定轉(zhuǎn)矩的方式一般有2種：變頻器參數(shù)設(shè)定和模擬量輸入設(shè)定。
對(duì)于收卷而言，隨著卷徑的逐漸增大，限轉(zhuǎn)矩的值也隨之增大，變頻器輸出的速度將隨之減少，符合收卷的基本原理，同時(shí)張力也在控制之中;而對(duì)于主從控制中的從傳動(dòng)而言，只要將其轉(zhuǎn)矩限定值跟隨主傳動(dòng)，就能保證兩者之間的同步匹配。
本文將主要討論矢量變頻器的限轉(zhuǎn)矩功能在收卷控制和主從控制中的應(yīng)用。
圖1 限轉(zhuǎn)矩工作簡圖
2 限轉(zhuǎn)矩功能與中心收卷
在工業(yè)生產(chǎn)中，通常都需要進(jìn)行卷取控制，以生產(chǎn)符合要求的卷材，如造紙行業(yè)的卷筒紙、冶金行業(yè)的帶鋼材、印刷行業(yè)的包裝材料卷筒等。目前成熟的收卷只要是被動(dòng)收卷（以高速造紙和塑料收卷居多）或是以直流調(diào)速器控制的中心收卷（以冶金行業(yè)居多），而交流變頻器在中心收卷中的應(yīng)用并沒有象在其他行業(yè)（如風(fēng)機(jī)等）那么普及，究其原因在于收卷的控制難度和復(fù)雜性。
經(jīng)典的收卷都是采用張力閉環(huán)，它是通過張力檢測裝置反饋張力信號(hào)與張力的設(shè)定值構(gòu)成PID閉環(huán)，然后調(diào)整變頻器的輸出頻率命令（速度模式）或輸出轉(zhuǎn)矩指令（轉(zhuǎn)矩模式）。此方案可以適用于高精度的張力收卷場合，但對(duì)于要求并不要求嚴(yán)格、又要求性價(jià)比高的收卷來說，本文提出了比較實(shí)用的矢量變頻器限轉(zhuǎn)矩方法，可以省去張力傳感器、PID控制器，而只需要簡單的變頻器加PLC控制即可。
（1）轉(zhuǎn)矩計(jì)算
圖2為中心收卷基本示意圖，采用開環(huán)的張力控制來實(shí)現(xiàn)收卷。在這種控制方式下，實(shí)際張力還是必須要知道的，無非它是通過變頻器內(nèi)部的檢測和計(jì)算來獲取的，從而省去張力檢測裝置，降低了系統(tǒng)的成本和難度。
由設(shè)定的張力和卷筒的卷徑可以計(jì)算出變頻器的轉(zhuǎn)矩指令，其公式如下：
T=（F X D） / （2 X i ）
其中：T 為變頻器的輸出轉(zhuǎn)矩指令;F為張力設(shè)定指令;D為卷筒的卷徑;i為機(jī)械傳動(dòng)比。
在實(shí)際的使用中，卷取控制通常都需要材料張力隨著卷徑增大而相應(yīng)降低，以防止損傷卷軸和提高產(chǎn)品的卷取質(zhì)量，這樣的控制就叫“錐度控制”。
張力錐度為：
F=F 0 X [ 1 - K （1 - D0 / D） ]
其中：F 為實(shí)際輸出張力;F0為張力設(shè)定指令;K為張力錐度系數(shù);D為卷筒實(shí)時(shí)卷徑;D0為空心卷筒卷徑。
綜合以上二公式可以得出T是D的一次函數(shù) T = f （ D ）
圖2 中心收卷簡圖
（2）卷徑測量
在轉(zhuǎn)矩控制中已經(jīng)看出，轉(zhuǎn)矩是直接跟卷徑有關(guān)，并且是卷徑的一次函數(shù)，因此卷徑的計(jì)算是比較重要的。最簡單的當(dāng)然是直接測量，但實(shí)際中我們都會(huì)考慮采用間接計(jì)算法，以減少成本。
通常計(jì)算卷徑有2種方法：線速度計(jì)算和厚度積分。前者是利用線速度除以電機(jī)角速度就是卷徑的相對(duì)比例，方法比較簡單，但必須注意當(dāng)線速度運(yùn)行在低速時(shí)由于卷材的線速度和電機(jī)的運(yùn)行頻率都比較低，所以導(dǎo)致誤差比較大，因此通常要采用彌補(bǔ)的方法（比方設(shè)定一個(gè)最低線速度下限值）。后者按卷筒的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)進(jìn)行卷徑累積，必須注意的是一定要準(zhǔn)確知道厚度，在換品種時(shí)必須輸入厚度系數(shù)。
（3）限轉(zhuǎn)矩控制在電池配件鋅板收卷中的應(yīng)用
在電池配件鋅板中的生產(chǎn)中，從鑄造機(jī)中出來的熱鋅板，經(jīng)過軋機(jī)軋制后，最后進(jìn)行收卷。設(shè)計(jì)軋機(jī)為交流異步電動(dòng)機(jī)55KW，收卷為7.5KW。由于目前矢量變頻器已經(jīng)具有低頻（甚至零頻）滿載啟動(dòng)功能，如安川VS-616G5帶PG矢量運(yùn)行時(shí)150%啟動(dòng)力矩/0RPM、愛默生TD3000帶PG矢量運(yùn)行時(shí)200%啟動(dòng)力矩/0RPM，因此可以替代直流傳動(dòng)應(yīng)用在需要卡死再啟動(dòng)的軋機(jī)上、或者是卷徑變化大導(dǎo)致轉(zhuǎn)速變化也大的中心收卷上。
具體的示意如圖3所示，包括軋機(jī)變頻器VF1、中心收卷變頻器VF2、可編程控制器S7 200以及相應(yīng)的人機(jī)界面組成。
圖3 鋅板收卷原理
本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)以下的幾個(gè)功能：（1）通過人機(jī)界面設(shè)置軋機(jī)的主速度，同時(shí)可以讀取軋機(jī)的線速度;（2）通過人機(jī)界面可以設(shè)定中心收卷的速度給定和轉(zhuǎn)矩限定值;（3）根據(jù)軋機(jī)的線速度來計(jì)算收卷的卷徑值并顯示在HMI上;（4）其他必要啟動(dòng)連鎖條件等。PLC的作用除了數(shù)據(jù)的傳遞（HMI和變頻器人機(jī)界面）之外，最重要的是計(jì)算出卷徑，然后再根據(jù)轉(zhuǎn)矩和卷徑的函數(shù)關(guān)系，計(jì)算出轉(zhuǎn)矩限值，其中卷徑計(jì)算由線速度計(jì)算法。
其中對(duì)收卷變頻器而言，有兩個(gè)模擬量：
速度指令——對(duì)卷取機(jī)給以比電動(dòng)機(jī)速度高的速度;
轉(zhuǎn)矩限制——由于按照上述那樣速度命令，變頻器將輸出上限值以下的轉(zhuǎn)矩，PLC將給出相當(dāng)張力命令轉(zhuǎn)矩值作為轉(zhuǎn)矩限制值。
通過HMI觀察卷徑計(jì)算的值，再次帶載測試，修正各系數(shù)，直至收卷過程張力平穩(wěn)、達(dá)到要求為止。
3 限轉(zhuǎn)矩功能與主從控制
（1）主從控制
在很多機(jī)械設(shè)備中，都會(huì)涉及到主從控制，如造紙機(jī)械的網(wǎng)部真空伏輥、驅(qū)網(wǎng)輥同時(shí)帶一條網(wǎng);壓榨部真空吸移、真空壓榨等復(fù)合壓榨;壓光上、下輥;施膠機(jī)上、下輥等都屬于多電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)中的主從控制。主從控制與速度控制不同，其特點(diǎn)為：傳動(dòng)系統(tǒng)由幾個(gè)傳動(dòng)單元共同驅(qū)動(dòng)，其電動(dòng)機(jī)軸相互耦合。根據(jù)電動(dòng)機(jī)軸耦合方式的不同，主從方式分為兩種，一種為剛性耦合，另外一種為柔性耦合。
所謂剛性耦合，即幾個(gè)不同的電動(dòng)機(jī)軸之間通過萬向節(jié)、傳動(dòng)輥、齒輪帶等硬連接方式進(jìn)行耦合。在這種情況下，只要其中一個(gè)傳動(dòng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，另外一個(gè)或幾個(gè)傳動(dòng)也將被動(dòng)運(yùn)行。而柔性耦合，即幾個(gè)不同的電動(dòng)機(jī)軸之間通過網(wǎng)毯、皮帶等軟連接方式進(jìn)行耦合。在這種情況下，只要其中一個(gè)傳動(dòng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，另外一個(gè)或幾個(gè)傳動(dòng)也將被拖動(dòng)，但也有可能打滑。
主從控制的傳動(dòng)只有電動(dòng)機(jī)速度同步并不能滿足實(shí)際系統(tǒng)的工作要求，實(shí)際系統(tǒng)還要求各傳動(dòng)點(diǎn)電動(dòng)機(jī)負(fù)載率相同，否則會(huì)出現(xiàn)某臺(tái)電動(dòng)機(jī)出力大，某臺(tái)電動(dòng)機(jī)出力小的情況，即要求有負(fù)荷分配控制。
在變頻多電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)控制過程中各分部電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率相同，即δ=P/Pa相同（P為電動(dòng)機(jī)所承擔(dān)的負(fù)載功率，Pa為電動(dòng)機(jī)額定功率）。
（2）限轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)主從傳動(dòng)的負(fù)荷分配功能
這種方法是通過讓從傳動(dòng)的速度不比主傳動(dòng)的慢，可以稍微快一點(diǎn)點(diǎn)，然后給輔傳動(dòng)加上轉(zhuǎn)矩限幅使得主輔傳動(dòng)的轉(zhuǎn)矩基本保持平衡，以達(dá)到負(fù)荷分配的目的。變頻多傳動(dòng)控制系統(tǒng)的負(fù)荷分配要求速度穩(wěn)定，分配平衡。很多連續(xù)生產(chǎn)線負(fù)載多變，傳動(dòng)情況復(fù)雜，所以要求負(fù)荷分配快速穩(wěn)定無振蕩，能夠隨時(shí)適應(yīng)負(fù)載變化。 圖4所示為轉(zhuǎn)矩限幅控制的負(fù)荷分配原理。
圖4 限轉(zhuǎn)矩控制的負(fù)荷分配
（3）限轉(zhuǎn)矩在造紙壓光機(jī)主從控制中的應(yīng)用
造紙壓光機(jī)分軟壓光機(jī)和硬壓光機(jī)，它具有加熱功能的彈性壓區(qū)的壓光機(jī)，是由硬輥及有彈性輥面材料的軟輥來形成的。造紙壓光機(jī)的作用在輥間的線壓大，能提高紙的緊度，能進(jìn)行其他設(shè)備所達(dá)不到的整飾作用，如圖5所示。當(dāng)紙幅通過壓光機(jī)的時(shí)候，上輥和下輥將處于嚙合狀態(tài)，也就是處于同步狀態(tài)。如果兩者不同步，將會(huì)造成紙幅斷裂或者壓潰。
圖5 造紙壓光機(jī)
負(fù)荷分配是造紙壓光機(jī)傳動(dòng)電機(jī)的核心控制原理，其示意圖見圖6。M1為主傳動(dòng)，采用雙閉環(huán)速度/轉(zhuǎn)矩矢量控制方式。速度環(huán)為V速度給定和PG編碼器返回的實(shí)際速度的控制回路。M2的轉(zhuǎn)矩限定值可在PLC系統(tǒng)設(shè)置。在負(fù)荷分配中，M2從傳動(dòng)能始終跟隨M1主傳動(dòng)而保持同步。
圖6 造紙壓光機(jī)的限轉(zhuǎn)矩控制
4 結(jié)束語
限轉(zhuǎn)矩的作用發(fā)揮好壞，很大一部分取決于變頻器的調(diào)試，尤其是電機(jī)參數(shù)自辨識(shí)。由于矢量控制是著眼于轉(zhuǎn)子磁通來控制電機(jī)的定子電流，因此在其內(nèi)部的算法中大量涉及到電機(jī)參數(shù)。從圖7的異步電動(dòng)機(jī)的T型等效電路表示中可以看出，電機(jī)除了常規(guī)的參數(shù)如電機(jī)極數(shù)、額定功率、額定電流外，還有R1（定子電阻）、X11（定子漏感抗）、R2（轉(zhuǎn)子電阻）、X21（轉(zhuǎn)子漏感抗）、Xm（互感抗）和I0（空載電流）。
圖7 異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路
參數(shù)辨識(shí)中分電機(jī)靜止辨識(shí)和旋轉(zhuǎn)辨識(shí)2種，其中在靜止辨識(shí)中，變頻器能自動(dòng)測量并計(jì)算頂子和轉(zhuǎn)子電阻以及相對(duì)于基本頻率的漏感抗，并同時(shí)將測量的參數(shù)寫入;在旋轉(zhuǎn)辨識(shí)中，變頻器自動(dòng)測量電機(jī)的互感抗和空載電流。
在參數(shù)辨識(shí)中，必須注意：（1）若旋轉(zhuǎn)辨識(shí)中出現(xiàn)過流或過壓故障，可適當(dāng)增減加減速時(shí)間;（2）旋轉(zhuǎn)辨識(shí)只能在空載中進(jìn)行;（3）如辨識(shí)前必須首先正確輸入電機(jī)銘牌的參數(shù)。
通過限轉(zhuǎn)矩的使用，在變頻收卷和壓光機(jī)的主從控制中都相當(dāng)成功地得到應(yīng)用。限轉(zhuǎn)矩的作用是基于矢量變頻器優(yōu)秀的控制功能上，能夠滿足相當(dāng)工業(yè)領(lǐng)域的收卷要求和主從控制，為降低系統(tǒng)成本、減少維護(hù)費(fèi)用提供了一個(gè)很好的控制平臺(tái)。
