西門子MASTERDRIVE變頻器輸出多段扭矩技巧

【摘要】很多工業(yè)領域如輸送、開放卷等都要求驅(qū)動單元實現(xiàn)柔性傳動和精確張力控制。本文介紹了基于西門子MASTERDRIVES VC系列變頻器，對于需要多段式扭矩輸出的應用，并結(jié)合功能塊圖詳細介紹了參數(shù)的設置和選定扭矩曲線的輸出方法。這種設置方法簡便易行，利用現(xiàn)有的設備且不增加成本，實現(xiàn)了經(jīng)濟性和可靠性的統(tǒng)一。最后，對這種方案的特點進行了總結(jié)。

【關鍵詞】西門子變頻器；MASTERDRIVE；線性力矩；多段力矩控制；張力控制

1.西門子MASTERDIRVES系列變頻器概述

西門子MASTERDIRVES系列變頻器在工控領域應用非常廣泛，這個系列的變頻器具有運行可靠，功能強大，可擴展性強，體積小等優(yōu)點，比如MASTERDRIVES系列中的增強書本型，在不影響可擴展性的前提下做到體積和性能的統(tǒng)一，除了可以通過增加額外的I/O擴展板或者通訊板，增強變頻器功能，另外其內(nèi)部自帶的自由功能塊可以實現(xiàn)常用的數(shù)字和邏輯運算，在對運算速度和響應時間要求不非常高的情況下可以省掉PLC模塊，具有良好的經(jīng)濟意義。本文介紹的實現(xiàn)多段式力矩輸出就是通過其內(nèi)部的自由功能塊實現(xiàn)，設置過程簡單，應用穩(wěn)定可靠。

2.工作原理

MASTERDRIVES系列變頻器常用的扭矩控制模式一般是工作在從站模式。MASTERDRIVES系列提供主從站配合模式，主站以速度模式運行，從站（Slave Drive）以速度或扭矩控制方式運行，主從站間通訊使用模擬量、總線、或者I/O實現(xiàn)。這種辦法是在皮帶機、行走機構(gòu)等等經(jīng)常采用的，其基本原理是主站提供精確速度控制，從站根據(jù)主站提供的信號承擔功率輸出，從而實現(xiàn)分布式電機或者柔性連接和柔性啟停，比如煤礦大功率皮帶輸送機的變頻驅(qū)動。

在實際應用中，很多情況下可能需要對從站的力矩輸出有更精細的要求，比如扭矩按照各種不同的設定曲線輸出，即能夠根據(jù)負載的不同或要求的不同輸出各種級別的扭矩曲線，如多段式或者線性變化扭矩，應用于加速過程的帶載啟動如開卷收卷或者減速過程的帶載減速停車（MASTERDRIVES支持四象限控制）和正常運轉(zhuǎn)時的不同負載要求。

3.功能塊實現(xiàn)多段式力矩輸出的基本實現(xiàn)方法

在西門子提供的程序框圖可知，不同力矩輸出就意味著不同的給定值，由于MASTERDRIVES系列的給定值可以由連接器（“好比是存儲單元” 1）給定，這就為我們實現(xiàn)多段給定值提供了可能，只要能夠通過選擇器選擇不同的連接器值輸出到給定值，通過控制選擇器就能夠?qū)崿F(xiàn)不同的輸出。MASTERDRIVES系列提供的自由塊功能提供了多個選擇器，本文所述的多段可控力矩輸出也正是基于這個思路實現(xiàn)的。

本文為了簡單說明使用功能塊實現(xiàn)多段式力矩輸出的基本實現(xiàn)方法，以簡易斜坡發(fā)生器作為例子，設置快速簡單，足夠滿足一般的使用要求。當然，在必要時可以用復雜斜坡發(fā)生器和通訊作為給定，原理是一樣的，只需連接相應的連接器。

3.1 簡易斜坡發(fā)生器的功能

如圖1所示，將自由功能塊簡易斜坡發(fā)生器（以下簡稱為發(fā)生器）的取樣時間U951.87設置為2，即1.2ms（默認設置為20，不使用）。

由功能圖可知，發(fā)生器的給定通過使用參數(shù)U380給定，輸出到連接器K0577。

3.2 設置一個選擇器，用于選擇輸入到U380的連接字

MASTERDRIVES變頻器的自由功能塊提供了兩種模擬量選擇器，一種是雙路選擇器，一種是多路選擇器。雙路選擇器只能在兩路輸入中選擇一個輸出，這里我們?yōu)榱四軌驅(qū)崿F(xiàn)更多輸入，選擇多路選擇器。當然如果只需要兩種給定中選擇，可以選擇雙路選擇器，加快變頻器的運算速度。

多路選擇器具有8通道，也就是我們可以設置8組不同的力矩特性曲線。力矩給定值給入U187，通過U186.01～03的不同組合決定U187中的哪一路輸入可以輸出到連接字KK0539中。

U186的參數(shù)可以設置為I/O或者總線給定，比較靈活。

3.3 設置幾種不同的力矩曲線

MASTERDRIVES系列變頻器提供了三組單字特性曲線功能塊?？梢酝ㄟ^各自的取樣時間參數(shù)打開。

我們將三條曲線作為基礎曲線，通過一些乘法計算功能塊，衍生出多種曲線，比如需要大力矩的帶載加速啟動，可以在正常運轉(zhuǎn)的力矩曲線上乘以倍數(shù)?；蛘呤褂眉臃ㄆ?，將兩條力矩曲線相加。MASTERDRIVES的自由功能塊可以實現(xiàn)多種不同的衍生扭矩曲線供選用。

做好扭矩曲線的定義后，將各條曲線的輸出連接字輸入到選擇器中備選。

整個順序為：曲線1～曲線8輸入到選擇器1中，由用戶選擇輸出哪一條曲線，選擇器輸出到發(fā)生器，由發(fā)生器處理后輸出到連接字，然后輸入到從站的力矩給定進而驅(qū)動變頻器輸出需要的力矩。

這個系統(tǒng)有以下特點：

1）力矩曲線上X變量的輸入可以由模擬量輸入來給定。模擬量輸入模塊為MASTERDRIVES標配，可以在設備上安裝獨立的模擬量傳感器來測定負載或速度，控制從站的輸出跟隨。或者由Profibus通訊給定，由主站的參考值作為標定給定。因此，這個系統(tǒng)的靈活性很大。

2）可擴展性好。如果一個選擇器的8條曲線輸入不夠，可以增加一個8路選擇器，兩組8路選擇器再輸入到一個雙路選擇器中再次進行選擇，組合可以達到16組或更多（加入更多的選擇器實現(xiàn)，但是要注意取樣時間和掃描速度，開啟過多自由塊功能會影響控制精度和響應時間）。

3）設置簡單，應用范圍廣。變頻器做完初始化后僅需幾步設置即可實現(xiàn)，用于快速調(diào)試或者轉(zhuǎn)場簡便易行，用于開卷收卷或輸送要求不高的情況下非常方便和簡單。配合固定的傳動比，甚至可以實現(xiàn)加速減速過程和運轉(zhuǎn)過程的恒張力輸出，速度不突變，柔性運轉(zhuǎn)，協(xié)調(diào)性非常好。

4）扭矩控制閉環(huán)控制精度高，可靠性強。如果需要，可以跟主站組成更復雜的多重閉環(huán)控制系統(tǒng)。作為從站模式甚至可脫離主站獨立運轉(zhuǎn)，自己可以組成精確的力矩控制系統(tǒng)（獨立的AI輸入和I/O信號）。