多電機同步傳動系統(tǒng)的控制策略及實現(xiàn)

馮建修，馮婧怡

（1.陜西華特新材料股份有限公司 技術(shù)中心，陜西 興平 713100；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 信息學(xué)院，安徽 合肥 230026）

多電機同步傳動系統(tǒng)的控制策略及實現(xiàn)

馮建修1，馮婧怡2

（1.陜西華特新材料股份有限公司 技術(shù)中心，陜西 興平 713100；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 信息學(xué)院，安徽 合肥 230026）

針對玻璃纖維濕法氈生產(chǎn)線同步傳動的要求，簡要介紹了交流同步傳動系統(tǒng)組成及控制策略。詳盡地分析了烘干網(wǎng)驅(qū)動、浸膠網(wǎng)驅(qū)動、成型網(wǎng)驅(qū)動及加筋驅(qū)動等單元Lenze93xx系列伺服變頻器集成CAN總線網(wǎng)絡(luò)同步控制系統(tǒng)的實現(xiàn)，同時分析了變頻器間數(shù)據(jù)傳輸、參數(shù)設(shè)置和調(diào)整，給出了激光測距閉環(huán)控制。最后論述了卷取系統(tǒng)同步控制原理，介紹了伺服變頻器數(shù)頻輸入、輸出數(shù)據(jù)傳輸方法，分析了牽引輥速度閉環(huán)調(diào)節(jié)與實現(xiàn)。實踐表明：系統(tǒng)具有調(diào)節(jié)時間短，控制精度高，同步效果好等特點。

多電機同步傳動；伺服變頻器；CAN總線；激光測距儀；旋轉(zhuǎn)變壓器；基本配置

1 引言

多電機同步傳動在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用非常普遍，隨著自動化技術(shù)的提高，伺服控制技術(shù)的成熟和適用范圍的擴大，利用PLC對伺服控制器進行控制，可以滿足傳動系統(tǒng)的不同要求。Lenze93xx系列伺服控制器具有豐富的接口，使用不同的現(xiàn)場總線模塊可實現(xiàn)不同的控制模式。控制器連接旋轉(zhuǎn)變壓器（resolver）或編碼器（encode）構(gòu)成閉環(huán)誤差控制隨動系統(tǒng)，作高精度的速度控制或位置控制，其結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)響應(yīng)速度快、控制精度高、工作可靠，可實現(xiàn)角度和速度同步（隨動跟蹤）、收放卷控制等復(fù)雜的伺服控制任務(wù)，廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床、紡織印染、造紙、玻璃纖維濕法氈等行業(yè)。

2 機組同步傳動系統(tǒng)組成

濕法氈機組用于玻璃纖維非織造物（fiberglass nonwovens）系列產(chǎn)品生產(chǎn)，其生產(chǎn)工藝過程類似于傳統(tǒng)的造紙工藝，分為濕部和干部，濕部包括上漿、濕氈成型、濕氈浸膠和濕氈預(yù)烘干（烘干區(qū)前半部）；干部包括烘干固化（烘干區(qū)的后半部）和卷取。由于生產(chǎn)過程的連續(xù)性，要求各傳動單元氈材輸送線速度同步，濕部氈材必須是零張力，否則濕氈會因受力產(chǎn)生裂痕或被拉斷；干部的卷取傳動單元不但要參與機組的同步運行，同時還需滿足卷取張力控制，這樣才能保證卷筒密實平齊，達到滿意的卷繞效果。氈機組有5個單元共7臺電機參與同步傳動運行，圖1為機組同步傳動系統(tǒng)示意圖，圖1中烘干網(wǎng)電機M0、浸膠網(wǎng)電機M0-1、成型網(wǎng)電機 M0-2和加筋機電機M0-3為主機傳動部分，其中烘干網(wǎng)為主令單元。為保障設(shè)備安全運行，滿足生產(chǎn)工藝要求，在烘干網(wǎng)帶、浸膠網(wǎng)帶和成型網(wǎng)帶處分別安裝有電動或氣動糾偏裝置。卷取部分包括牽引輥驅(qū)動電機M1和卷繞軸Ⅰ，Ⅱ驅(qū)動電機 M2和M3。所有同步電機均采用帶有旋轉(zhuǎn)變壓器SC的Lenze專用變頻電動機。為保證分部傳動單元速度同步的一致性，在浸膠網(wǎng)與烘干網(wǎng)間，成型網(wǎng)與浸膠網(wǎng)間分別安裝有激光測距儀（sag），實測氈環(huán)數(shù)值變化。卷取部分的速度來自機組主令單元速度且跟隨變化，卷取和烘干爐兩工序間裝一浮動輥裝置用于調(diào)節(jié)氈材同步運行。

圖1 機組同步傳動系統(tǒng)示意圖Fig.1 Sketch map of synchronous transmission system

機組中各傳動單元的負載和驅(qū)動輥直徑不同，其電機功率及減速機的傳動比也各異。主機部分設(shè)計最高車速200m／min，卷取機最高車速120m／min，機器運行速度范圍12～120m／min；其中車速12～30m／min的范圍主要用于每次開機時，將氈從成型網(wǎng)帶逐級引導(dǎo)到卷取單元，并使各單元運行協(xié)調(diào)，屬于爬行階段為速度控制，爬行結(jié)束后，車速漸升至產(chǎn)品工藝要求的參數(shù)運行即進入運行階段，這時主機部分仍為速度控制、動態(tài)跟隨，而卷取部分自動切換為速度＋張力控制，進行漸減張力卷繞。

3 主機同步控制策略及實現(xiàn)

主機同步控制系統(tǒng)由監(jiān)控計算機、PLC、伺服變頻器和傳感器等組成。監(jiān)控計算機是1臺工業(yè)控制PC機，主要功能是對現(xiàn)場參數(shù)進行設(shè)置，通過Profibus現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)實時獲取現(xiàn)場數(shù)據(jù)。PLC采用S7-315 2DP，作用是面向生產(chǎn)過程，進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和控制，其數(shù)據(jù)交換通過Profibus總線送到監(jiān)控計算機。主機中的烘干網(wǎng)、浸膠網(wǎng)和成型網(wǎng)控制器 FM0，F(xiàn)M0-1，F(xiàn)M0-2選用Lenze9326高性能伺服變頻器，加筋控制器為Le-nze9323伺服變頻器?？刂破髋浜辖涣魉欧姍C、減速器構(gòu)成的交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)，反應(yīng)速度快、精度高、動態(tài)響應(yīng)好，可實現(xiàn)分部傳動單元的速度同步隨動跟蹤。

3.1 CAN總線同步控制的實現(xiàn)

分部傳動的控制原理是保持速度級聯(lián)、高速傳輸和動態(tài)跟蹤。主機4臺控制器通過集成的CAN總線串聯(lián)組成一個小型現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 CAN總線同步控制系統(tǒng)接線圖Fig.2 Connection diagram for CAN bus synchronous control system

總線傳輸介質(zhì)為雙絞線，負載連接在CANHI和CAN-LO之間，在串聯(lián)CAN網(wǎng)絡(luò)的第一個和最后一個控制器上分別接120Ω終端電阻，該阻值等于信號線的特性阻抗值，如果阻抗不匹配，有可能降低數(shù)據(jù)的有效傳輸。

CAN總線控制系統(tǒng)中烘干網(wǎng)控制器FM0為主令單元（Master），機組的運行速度由主令單元決定和調(diào)整，其余單元為從動單元（Slave），主令單元的速度通過集成的CAN總線網(wǎng)絡(luò)依次傳送給從動單元控制器 FM0-1，F(xiàn)M0-2和 FM0-3。為實現(xiàn)4個分部傳動單元的速度傳遞，通過操作模塊9371BB或運行GDC軟件對CAN總線網(wǎng)絡(luò)中的每個控制器需進行必要設(shè)置。包括設(shè)置控制器的CAN地址：C350／000；控制器網(wǎng)絡(luò)的“主（Master）”“從 （Slave）”運 行 方 式 C0352／000，當(dāng)C0352／000＝1 為 Master，C0352／000＝0 為Slave；事件觸發(fā)的循環(huán)過程數(shù)據(jù)信道CAN-IN2的地 址：C0354／003 及 CAN-OUT2 的 地 址：C0354／004。主機傳動控制器網(wǎng)絡(luò)配置見表1。

表1 主機傳動控制器網(wǎng)絡(luò)配置Tab.1 Network configure for servo inverter of main product line

從表1中可知，控制器分配網(wǎng)絡(luò)地址為連續(xù)上升的地址號，一旦數(shù)據(jù)對象觸發(fā)，控制器就可以通信并且能夠通過GDC軟件訪問所有Lenze控制器參數(shù)，控制器間的數(shù)據(jù)交換無需上位機參與。網(wǎng)絡(luò)事件觸發(fā)的循環(huán)過程數(shù)據(jù)通道CAN-IN2和CAN-OUT2是Lenze9326控制器的功能塊，用于控制器之間的數(shù)據(jù)交換，一個控制器的CAN-IN2在一定條件下可以接收來自另一控制器CANOUT2發(fā)出的數(shù)據(jù)，收發(fā)均可為8個字節(jié)數(shù)據(jù)，其中1，2，3，4字節(jié)可用于32位二進制信號或2個準模擬信號或1個32位雙字相位信號。該網(wǎng)絡(luò)使用CAN-IN2.W1和 CAN-OUT2.W1傳輸模擬信號。生產(chǎn)中操作員根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，通過PC機組態(tài)界面設(shè)定主令單元的速度（4～20mA），該信號由PLC的模擬輸出端送至烘干網(wǎng)控制器FM0的X6／1，2端子，烘干爐控制器的 CAN-IN2.W1接收速度指令。要實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的順序傳輸，必須滿足發(fā)送控制器的CAN-OUT2地址和標識（Id）與接收控制器的CAN-IN2地址和標識（Id）相同，同時滿足數(shù)據(jù)傳輸附加條件。4臺控制器數(shù)據(jù)傳輸方式如下：

控制網(wǎng)絡(luò)是基于CANopen總線協(xié)議，波特率為1Mbit／s時，最長達25m；波特率降低可長至1km，數(shù)據(jù)輸送可靠。值得注意的是：當(dāng)CAN總線網(wǎng)絡(luò)中的某一控制器斷電時，烘干網(wǎng)帶控制器必須斷電后再次送電，否則通信不能完成。

3.2 成型網(wǎng)、浸膠網(wǎng)同步分析及調(diào)整

Lenze伺服控制器集成CAN總線網(wǎng)絡(luò)控制模式，實現(xiàn)了分部傳動同步變頻調(diào)速，所有網(wǎng)帶幾乎同一速度運行。然而因事件觸發(fā)數(shù)據(jù)傳輸有20ms延遲，當(dāng)主令單元FM0加減速時，會引起網(wǎng)帶間的濕氈拉伸或松弛，出現(xiàn)氈面皺折、裂痕，甚至造成氈材斷裂或者松垮，無法滿足生產(chǎn)工藝的要求，保證產(chǎn)品質(zhì)量。為防止?jié)駳植灰蛑髁顔卧訙p速引起撕裂或堆積現(xiàn)象，在浸膠網(wǎng)帶與烘干網(wǎng)帶之間，成型網(wǎng)帶與浸膠網(wǎng)帶之間的氈材須留有一定的氈環(huán)，供速度同步跟蹤調(diào)節(jié)用。并在浸膠網(wǎng)帶和烘干爐網(wǎng)帶間裝有激光測距儀sag1，成型網(wǎng)帶與浸膠網(wǎng)帶間裝有激光距離測距儀sag2，對網(wǎng)帶間的氈環(huán)進行掃描，以實現(xiàn)從動單元的動態(tài)跟隨。激光測距儀sag選用OptoNCDT1400集成一體化產(chǎn)品，基本原理是通過測量激光往返目標所需時間來確定目標距離，測量范圍：200～2 000mm，輸出為4～20mA信號。激光測距儀sag1和sag2的掃描輸出信號分別送給浸膠控制器FM0-1和成型控制器FM0-2的模擬量輸入端X6／1，2，作為伺服控制器的速度輔助給定，輔助給定信號和CAN總線傳輸?shù)闹鹘o定信號疊加（見圖2），控制從動單元跟隨主令單元。當(dāng)氈環(huán)位置改變時，及時調(diào)節(jié)浸膠網(wǎng)和斜長網(wǎng)成型機的速度，確保浸膠網(wǎng)、成型網(wǎng)與烘干網(wǎng)速度的準確同步。圖3為激光測距閉環(huán)控制原理圖。

圖3 激光測距閉環(huán)控制原理圖Fig.3 Schematic diagram of laser rangefinder closed loop control

氈環(huán)調(diào)整是生產(chǎn)過程中的一個重要環(huán)節(jié)，氈環(huán)不穩(wěn)會引起氈面皺折，需要對控制器參數(shù)進行必要的調(diào)整，sag 1不穩(wěn)時，調(diào)整浸膠網(wǎng)控制器FM0-1的參數(shù)；sag2不穩(wěn)時，調(diào)整成型網(wǎng)控制器FM0-2的參數(shù)。網(wǎng)帶間的速度修正通過調(diào)整控制器代碼FCODE 472／10的值來實現(xiàn)。網(wǎng)帶間氈環(huán)的垂直距離調(diào)整通過修改代碼FCODE 472／1的值來完成，調(diào)整時，在網(wǎng)帶間放置一片薄氈，通過PC機的GDC軟件查看功能塊AIN1-OUT（FCODE 0400）的值，并將該值寫入代碼FCODE 472／1中，當(dāng)薄氈氈環(huán)位置正確時，功能塊ADD1（ADD1-OUT）輸出值為零。功能塊 CONV2＝C0945／C0946可 以 調(diào) 節(jié) 氈 環(huán) （Δlevel）和 速 度（Δspeed）間的關(guān)系，改變level，則從動單元速度就會改變；當(dāng)C0945／C0946的值大時，控制速度也就高。例如：當(dāng)成型網(wǎng)帶與浸膠網(wǎng)帶間的level比標準高2%，那么，在同一時刻，成型網(wǎng)帶的速度要比正常高2%，因此成型網(wǎng)帶輸送的薄氈相對就快，氈環(huán)sag 2就下降。通過對控制器參數(shù)合理地調(diào)整可以實現(xiàn)分部傳動系統(tǒng)達到最佳的同步運行效果。浸膠和成型控制器功能塊信號流程圖中有1個軟件電位器功能塊（MPOT），它是一種模擬電動機電位器，引氈時氈環(huán)控制sag1和sag2不起作用，成型網(wǎng)與浸膠網(wǎng)處于速度開環(huán)控制，操作員手動調(diào)節(jié)OP面板氈環(huán)控制旋鈕，尋找滿足工藝要求的開環(huán)運行同步點，并將sag1和sag2的氈環(huán)值分別寫入浸膠網(wǎng)與成型網(wǎng)控制器代碼FCODE 472／1中，當(dāng)氈環(huán)位置適中后功能塊ADD1-OUT1輸出的信號近似為零。這時，按下面板OP上的“網(wǎng)帶閉環(huán)控制”按鈕，浸膠網(wǎng)帶和成型網(wǎng)帶驅(qū)動就進入速度閉環(huán)控制狀態(tài)。

3.3 加筋變頻器參數(shù)調(diào)整

加筋裝置只有在生產(chǎn)加筋產(chǎn)品時才投入同步運行。加筋紗經(jīng)張力器穿入導(dǎo)紗管，在網(wǎng)前箱漿料湍流的作用下與漿料在斜長網(wǎng)成型機成型為加筋氈并輸送至浸膠網(wǎng)。根據(jù)生產(chǎn)工藝要求為防止筋紗受力跳出氈面，加筋電機的速度應(yīng)略高于成型網(wǎng)帶的速度。圖4為加筋變頻器信號流程圖。圖4中速度設(shè)定調(diào)節(jié)功能塊NSET用于電機的速度控制，其中 NSET-N為主速度設(shè)定值，NSET-NADD為附加速度設(shè)定值，NSET-NOUT為速度輸出。

圖4 加筋變頻器信號流程圖Fig.4 Signal flow chart for yarn inverter

加筋紗變頻器FM0-3的速度信號CANIN2.W1 來自成型變頻器 FM0-2 的 CANOUT2.W1的輸出，此信號中包含有成型網(wǎng)變頻器的速度主給定信號 ＋附加給定信號（氈環(huán)控制sag2信號）。為保證筋紗平直的鑲嵌于濕氈之中，需要調(diào)整變頻器FM0-3的速度偏移量FCODE 472／1、速度系數(shù) FCODE 472／2或附加速度FCODE 472／10的值以獲得良好的加筋效果。

4 卷取同步控制的實現(xiàn)

卷取是濕法氈機組的最后一道工序，卷取單元中的牽引輥變頻器FM1，卷取輥Ⅰ，Ⅱ變頻器FM2，F(xiàn)M3均為Lenze9326伺服控制器。3臺控制器的代碼C0005＝Common為修改的基本配置模式，使用旋轉(zhuǎn)變壓器反饋，旋轉(zhuǎn)變壓器信號可由數(shù)字頻率輸出端X10向從機輸出。圖5為卷取同步傳動控制原理圖，圖5中卷取傳動的速度信號來自于主機PLC的模擬輸出端口，信號大小與機組主令單元烘干網(wǎng)控制器FM0的速度相同，為4～20mA的電流模擬量。為了提高主令單元速度信號的抗干擾能力，該信號經(jīng)過I／U變換，將4～20mA電流信號變換為0～10V的標準電壓信號，然后送到牽引輥控制器FM1的模擬量輸入端子X6／1，2，作為牽引輥電機的速度主給定。為保證氈材在卷取和烘干爐兩道工序之間速度同步協(xié)調(diào)、及時跟隨，兩道工序之間裝有一個浮動輥松緊架機構(gòu)，自動保持相鄰單元的速度一致。浮動輥的位置決定牽引輥的速度，如圖1所示v1＞v2，浮動輥下降，表明牽引輥速度慢，控制系統(tǒng)就會增大牽引輥速度使浮動輥位于中位；如v1＜v2，浮動輥上升表明牽引輥速度快，控制系統(tǒng)就會降低牽引輥速度使浮動輥位于中位；v1＝v2，浮動輥位置不變。正常生產(chǎn)中浮動輥只在中位附近一個很微小的范圍內(nèi)上下浮動（浮動量為25%）。當(dāng)浮動輥上下移動時，將通過連桿使電位器旋轉(zhuǎn)，改變電位器RP的滑動位置，在RP的滑動點上可獲得與前后兩單元的氈速差成正比的同步調(diào)節(jié)電信號，這里電位器RP選用無觸點式電位器。電位器RP檢測到的位置信號送至控制器FM1的模擬量輸入端X6／3，4，作為速度輔助給定，并與主給定信號一同送入過程控制器（PCTRL1）進行PID運算，輸出信號控制牽引輥電機運行。

圖5 卷取同步傳動控制原理圖Fig.5 Schematic diagram for winder synchronous transmission

牽引輥速度信號由牽引輥控制器FM1數(shù)字頻率輸出端口X10，經(jīng)數(shù)頻耦合不加修改地送入卷取輥Ⅰ控制器的數(shù)字頻率輸入端口X9，作為該控制器Ⅰ的速度主給定，同樣卷取輥Ⅰ控制器的數(shù)頻輸出端口X10將同步速度信號，經(jīng)數(shù)頻耦合不加修改地送入卷取輥Ⅱ控制器的數(shù)字頻率輸入端口X9，作為該控制器Ⅱ的速度主給定。牽引輥控制器為轉(zhuǎn)矩限幅的速度控制模式，牽引輥采用S型砂紙輥其作用是對烘干爐中的氈材施加牽引力，同時阻斷卷取和烘干爐前后工序間氈材的牽拉作用，確保氈材從烘干網(wǎng)安全平穩(wěn)源源不斷地輸送至卷取單元。卷取輥Ⅰ，Ⅱ伺服控制器FM2，F(xiàn)M3為速度限幅的轉(zhuǎn)矩控制模式，運轉(zhuǎn)速度來自牽引輥控制器FM1的X9端，張力輥檢測到的實際張力經(jīng)過F／U變換和放大器CV2003放大后，分別送至卷取輥伺服控制器FM2，F(xiàn)M3的模擬量輔助輸入端口X6／3，4，實現(xiàn)張力閉環(huán)控制，通常卷繞部分的速度要稍高于機組速度，以滿足卷繞張力控制要求。

5 結(jié)論

系統(tǒng)采用Lenze93xx系列伺服控制器集成CAN總線網(wǎng)絡(luò)＋氈環(huán)激光測距儀同步控制模式，數(shù)據(jù)傳輸速度快，可靠性高，抗干擾能力強，保證了主機4個傳動單元同步恒速平穩(wěn)運行，通過對控制器的參數(shù)調(diào)整實現(xiàn)了良好的動態(tài)自動跟隨。卷取3個傳動單元控制器采用數(shù)字頻率輸入X9／數(shù)字頻率輸出X10的接線方式，配合松緊架調(diào)節(jié)和張力閉環(huán)控制，較好地協(xié)調(diào)了卷取單元與主機部分速度同步，滿足了卷取系統(tǒng)對張力的控制要求。生產(chǎn)實踐表明：系統(tǒng)運行可靠、同步跟蹤精度高、調(diào)速平穩(wěn)、調(diào)整方便，完全滿足濕法氈生產(chǎn)要求。

［1］ Profibus-DP總線在 Lenze變頻、伺服產(chǎn)品中的應(yīng)用［Z］.Version 1.01.2002.9.

［2］ Lenze Operating Instructions 9300Servo Inverters［Z］.Printed in Germmany by Lenze 04／1998.

［3］ Lenze Manual Part K Application Examples 9300Servo Inverters［Z］.Printed in Germmany by Lenze，11／1997.

［4］ Lenze Manual Part D1.1Configuration 9300Servo Inverters［Z］.Printed in Germmany by Lenze，11／1997.

［5］ Lenze Manual Part H Automation 9300Planning［Z］.Printed in Germmany by Lenze，12／1997.

［6］ 張燕賓.SPWM變頻調(diào)速應(yīng)用技術(shù)［M］.第3版.北京：機械工業(yè)出版社，2005.

［7］ 丁學(xué)文.印染設(shè)備無松緊架無張力傳感器多電機同步調(diào)速系統(tǒng)［J］.紡織機械，2002（4）：21-23.

［8］ 高曉丁，左賀，任高陽，等.基于智能PI控制的多電機同步傳動系統(tǒng)［J］.電氣傳動，2007，37（11）：39-41.

修改稿日期：2012-02-15

Control Strategy and Realization for Multi-motor Synchronous Transmission System

FENG Jian-xiu1，F(xiàn)ENG Jing-yi2

（1.TechniqueCenter，ShaanxiHuaTekNewMaterialCo.，Ltd.，Xingping713100，
Shaanxi，China；2.InformationCollege，UniversityofScienceandTechnology ofChina，Hefei230026，Anhui，China）

Aimed at the synchronous transmission demand of fiber glass wet-laid mat product line，the composition and control strategy of AC synchronous transmission system was introduced.Realization for oven belt drive and impregnation belt drive and forming belt drive and yarn pulling drive etc.unit Lenze 93xx servo converter of the integrated CAN bus network synchronous control system was analyzed in detail.At the same time，the data transfer and parameters setting and adjust between servo inverters was introduced.Closed-loop control of optical laser range finder was given.In the end，the control principle for winder synchronous transmission system was described.Transmission method of servo converters digital frequency input and output was introduced.The pull roll closed-loop adjust and realization of speed was analyzed.Experiment result proves that the system posses the merits of short regulating time，high control precision and good synchronization.

multi-motor synchronous transmission；servo converter；CAN-bus；optical laser range finder；resolver；base configuration

TP273

A

馮建修（1963-），男，本科，正高工，Email：fjxonline＠126.com

2011-06-21