電機(jī)速度及轉(zhuǎn)矩的電氣同步系統(tǒng)的應(yīng)用與研究

戴耀輝

（衡陽華菱鋼管有限公司，湖南 衡陽 421001）

在冶金企業(yè)中，冶金設(shè)備與工作負(fù)載的尺寸大而且質(zhì)量重，因此往往需要由多臺(tái)傳動(dòng)裝置來拖動(dòng)同一設(shè)備，這時(shí)就會(huì)面臨一個(gè)負(fù)荷平衡的問題，也就是轉(zhuǎn)矩同步控制的問題。如果轉(zhuǎn)矩同步控制方案不恰當(dāng)，那么將直接影響生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量，或者影響生產(chǎn)設(shè)備（齒輪）的工作，嚴(yán)重時(shí)甚至損傷設(shè)備。因此，轉(zhuǎn)矩同步控制是冶金企業(yè)中使用較多，而且是很重要的控制手段。

關(guān)于轉(zhuǎn)矩同步所采取的方案有很多種，但歸根到底是對(duì)機(jī)械、電機(jī)、傳動(dòng)裝置的負(fù)荷輸出的平衡，包括轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩或者轉(zhuǎn)角位移的平衡，負(fù)荷平衡最常見的是轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角同步或者轉(zhuǎn)矩（力）平衡［1-2］。

以上轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩平衡主要針對(duì)不同的負(fù)載結(jié)構(gòu)形式而言，而負(fù)載的剛度或者柔性怎樣是負(fù)載構(gòu)成最重要的情況。大致可分成剛性負(fù)載轉(zhuǎn)矩同步控制、不完全剛性負(fù)載轉(zhuǎn)矩同步控制和非剛性負(fù)載的速度、轉(zhuǎn)矩同步控制。

本文將結(jié)合Φ180 mm PQF 連軋管機(jī)組一些實(shí)例就這個(gè)問題作一些探討［3-8］。

1 剛性負(fù)載的負(fù)荷平衡控制

所謂剛性負(fù)載，由2 臺(tái)以上的電機(jī)通過機(jī)械連接拖動(dòng)同一個(gè)設(shè)備，即速度由機(jī)械控制同步。Φ180 mm PQF 連軋管機(jī)組中多臺(tái)電機(jī)拖動(dòng)同一剛性負(fù)載的情況非常多；因此，這種負(fù)荷平衡控制也是最常用的一種，Φ180 mm 機(jī)組的傳動(dòng)選用西門子公司的SNAMICS S120 變頻器來實(shí)現(xiàn)這種負(fù)荷平衡控制。實(shí)現(xiàn)這種負(fù)荷平衡控制主要有兩種方案，兩種方案都是主從控制，但具體實(shí)現(xiàn)起來又有所不同。

方案1：主機(jī)作速度給定控制，從機(jī)作轉(zhuǎn)矩控制，從機(jī)只輸出轉(zhuǎn)矩，而且從機(jī)的轉(zhuǎn)矩來自主機(jī)的給定，這樣就保證兩臺(tái)電機(jī)輸出相同轉(zhuǎn)矩。這種方案配置簡(jiǎn)單，能保證不同電機(jī)輸出到傳動(dòng)軸上的轉(zhuǎn)矩一致，但方案中的從機(jī)因?yàn)闆]有速度環(huán)，如果傳動(dòng)軸斷裂，則從機(jī)可能出現(xiàn)飛車的情況。

方案2：主機(jī)和從機(jī)都作速度給定控制，但從機(jī)速度外環(huán)輸出到轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的值被主機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出值限幅，這樣從機(jī)轉(zhuǎn)矩給定和輸出就由主機(jī)決定，為保證從機(jī)轉(zhuǎn)矩達(dá)到限幅值，在從機(jī)速度給定的基礎(chǔ)上外加5%的附加給定，使速度環(huán)迅速飽和，速度環(huán)輸出的轉(zhuǎn)矩給定達(dá)到最大。在方案2 中，主機(jī)和從機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩完全一致。如果出現(xiàn)傳動(dòng)軸斷裂的情況，從機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)閱为?dú)的速度控制模式，雖然速度給定多了5%，但不會(huì)出現(xiàn)飛車的情況。

如Φ180 mm PQF 連軋管機(jī)組冷床前鋼管輸送的惠斯頓設(shè)備，該裝置由1 根傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)，因傳動(dòng)軸近42 m，因此兩端都有1 臺(tái)電機(jī)通過減速齒輪嚙合到主傳動(dòng)軸，顯然，對(duì)兩端的傳動(dòng)電機(jī)，它們的負(fù)載是一個(gè)完全剛性的傳動(dòng)軸，因此，對(duì)于這種情況，最佳的負(fù)荷平衡解決方案就是兩臺(tái)電機(jī)采用轉(zhuǎn)矩同步控制，即轉(zhuǎn)矩主從控制，速度由主變頻器給定。

2 不完全剛性負(fù)載的轉(zhuǎn)矩同步控制

所謂不完全剛性負(fù)載的轉(zhuǎn)矩同步控制，就是多臺(tái)電機(jī)通過機(jī)械連接拖動(dòng)同一個(gè)設(shè)備，但機(jī)械連接是不完全剛性的，即不能保證傳動(dòng)的速度完全同步，如嚙合部分有彈性，或者通過他們之間的軋件進(jìn)行嚙合（這時(shí)他們的嚙合是非剛性的），他們的負(fù)載剛度介于完全剛性和非完全剛性負(fù)載兩種情況之間，盡管要求多個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)輸出到負(fù)載的轉(zhuǎn)矩也要相同，同時(shí)傳動(dòng)系統(tǒng)的速度控制也是必須的，這時(shí)需要采用的方案應(yīng)該是通過轉(zhuǎn)矩偏差來補(bǔ)償轉(zhuǎn)速，而補(bǔ)償?shù)霓D(zhuǎn)速偏差調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩來使轉(zhuǎn)矩輸出一致。這種控制模式在Φ180 mm PQF 連軋管機(jī)組中分別用在多個(gè)關(guān)鍵的軋管機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)中，如鋼管旋轉(zhuǎn)移送裝置以及限動(dòng)齒條的轉(zhuǎn)矩同步控制中。下面分別以鋼管旋轉(zhuǎn)移送裝置和限動(dòng)齒條的控制為例加以說明。

（1） 管排鋸前惠斯頓設(shè)備是由兩根傳動(dòng)軸通過1 個(gè)離合器嚙合在一起，每根傳動(dòng)軸由1 臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，對(duì)兩端的傳動(dòng)電機(jī)，他們的負(fù)載就不是1 個(gè)完全剛性的傳動(dòng)軸，這時(shí)，如果兩臺(tái)電機(jī)還是做成主從控制，或者采用轉(zhuǎn)速補(bǔ)償產(chǎn)生相同轉(zhuǎn)矩，兩根傳動(dòng)軸就可能因各自實(shí)際負(fù)載不等而脫齒，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)燒毀離合器，這時(shí)，合理的平衡方案就是速度和位置同步相結(jié)合的方式，首先是速度同步，再檢測(cè)各自位置的同步，做到位置檢測(cè)為輔以起保護(hù)作用，速度同步保證橫移裝置的正常工作。

（2） 軋管機(jī)限動(dòng)齒條是通過與4 個(gè)小齒輪箱嚙合，每個(gè)小齒輪箱再由減速機(jī)通過電機(jī)拖動(dòng)，每臺(tái)電機(jī)由1 個(gè)傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)，限動(dòng)齒條在運(yùn)行過程中必須滿足4 個(gè)小齒輪箱的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩完全相同，轉(zhuǎn)換到電機(jī)上即4 臺(tái)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩須完全相同。

齒輪箱、減速機(jī)與電機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 齒輪箱、減速機(jī)與電機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)示意

根據(jù)以上設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式，4 臺(tái)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩必須一致，但電機(jī)到齒條經(jīng)過兩級(jí)齒輪箱嚙合，其剛度不如直接嚙合的情況，這時(shí)，限動(dòng)齒條的負(fù)荷平衡方案可以采用上面介紹的兩種方式，既可在傳動(dòng)裝置上，由主從控制實(shí)現(xiàn)相同轉(zhuǎn)矩輸出，也可由PLC 補(bǔ)償轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，下面分別介紹這兩種方案。

方案1：由變頻器做負(fù)荷平衡［9-11］。限動(dòng)齒條的4 臺(tái)傳動(dòng)裝置選用西門子SNAMICS S120 系列變頻器，4 臺(tái)變頻器采用主從結(jié)構(gòu)，相互間通過共用的CU320-2DP 控制模塊控制。作為主機(jī)的傳動(dòng)裝置完成速度給定與反饋，滿足限動(dòng)齒條運(yùn)行的速度曲線，其輸出轉(zhuǎn)矩作為其他3 臺(tái)從機(jī)的給定。從機(jī)只作轉(zhuǎn)矩控制，從主機(jī)收到轉(zhuǎn)矩給定值后輸出到電機(jī)，這樣4 臺(tái)傳動(dòng)裝置的輸出轉(zhuǎn)矩就完全一致。

方案2：PLC 做負(fù)荷平衡。限動(dòng)齒條的4 臺(tái)傳動(dòng)裝置都作為主機(jī)，4 臺(tái)傳動(dòng)裝置同時(shí)從PLC 接收一個(gè)速度給定，經(jīng)過各自內(nèi)部運(yùn)算后輸出轉(zhuǎn)矩到電機(jī)，PLC 從裝置讀回電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)矩值［12-14］，將該轉(zhuǎn)矩與3 臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的平均值加以比較，算出每臺(tái)裝置輸出轉(zhuǎn)矩與平均值的差值，再經(jīng)過比例環(huán)節(jié)將轉(zhuǎn)矩偏差換算成速度偏差，最后將速度偏差疊加到各傳動(dòng)裝置的速度給定值上。傳動(dòng)裝置得到經(jīng)過速度修正后的速度給定，在經(jīng)過速度修正后，輸出到電機(jī)的轉(zhuǎn)矩將保持平衡，電機(jī)輸出到負(fù)載的轉(zhuǎn)矩保持平衡。

通過西門子傳動(dòng)調(diào)試軟件STARTER V4.5 監(jiān)控的軋制某種鋼管規(guī)格時(shí)的4 臺(tái)限動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線如圖2 所示，其中縱坐標(biāo)單位為N·m，橫坐標(biāo)單位為s，采樣時(shí)間設(shè)為10 ms，監(jiān)控周期為限動(dòng)啟動(dòng)前進(jìn)到限動(dòng)軋制完成返回基位停止后的一個(gè)周期。

STARTER V4.5 軟件是用于西門子公司生產(chǎn)的部分傳動(dòng)裝置（如SNAMICS S120、G120、G110等）的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)在線狀態(tài)監(jiān)控、參數(shù)備份、參數(shù)下載與上傳、參數(shù)查詢與設(shè)置、故障檢測(cè)和復(fù)位以及具備參數(shù)曲線的實(shí)時(shí)跟蹤記錄等強(qiáng)大功能。

3 非剛性負(fù)載的負(fù)荷平衡控制

所謂非剛性負(fù)載的轉(zhuǎn)矩同步控制，就是多臺(tái)電機(jī)拖動(dòng)同一個(gè)設(shè)備，但傳動(dòng)之間沒有機(jī)械聯(lián)系，如PQF、SRM、EM 的轉(zhuǎn)矩同步控制中。以下就PQF三輥連軋管機(jī)組的軋輥主傳動(dòng)控制為例加以說明。

圖2 限動(dòng)齒條4 臺(tái)電機(jī)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩

Φ180 mm PQF 連軋管機(jī)組為6 機(jī)架限動(dòng)芯棒連軋管機(jī)組，每一個(gè)機(jī)架包括3 個(gè)軋輥，軋管機(jī)的軋輥沿軋制中心線圓周徑向布置，每個(gè)軋輥分別由1 臺(tái)交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)；每個(gè)機(jī)架的3 臺(tái)軋輥間沒有機(jī)械耦合，而僅通過在機(jī)架中軋制的鋼管聯(lián)系。在軋制過程中，因安裝誤差，還有軋輥磨損的不一致，造成同一個(gè)機(jī)架各軋輥的軋制速度和軋制負(fù)荷偏差很大，這樣影響了產(chǎn)品的質(zhì)量，為解決這個(gè)問題，在傳動(dòng)控制中，采用了軋制負(fù)荷平衡方案。

PLC 控制器從變頻器讀回電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)矩值，將該數(shù)值與3 臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的平均值加以比較，算出每臺(tái)裝置輸出轉(zhuǎn)矩與平均值的差值，再取比例系數(shù)將轉(zhuǎn)矩偏差換算成速度偏差，最后將速度偏差疊加到各傳動(dòng)裝置的速度給定值上。若1 臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩大于轉(zhuǎn)矩平均值，則該電機(jī)的速度參考值將被加上一個(gè)負(fù)修正值；若1 臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩小于轉(zhuǎn)矩平均值，則轉(zhuǎn)速參考修正值將被加上一個(gè)正修正值。傳動(dòng)裝置控制算法如圖3 所示。

圖3 傳動(dòng)裝置控制算法

在正常生產(chǎn)時(shí)，“負(fù)荷平衡”功能投入前后，通過STARTER V4.5 調(diào)試軟件對(duì)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)控與采集，采集間隔時(shí)間為10 ms，正常生產(chǎn)某鋼管規(guī)格時(shí)，PQF 連軋管機(jī)2 號(hào)機(jī)架3 臺(tái)主電機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線如圖4 所示。

圖4 PQF 連軋管機(jī)2 號(hào)機(jī)架3 臺(tái)主電機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線

投入“負(fù)荷平衡”功能在有負(fù)載的狀態(tài)，因?yàn)榭蛰d運(yùn)行時(shí)沒有負(fù)荷，如果這時(shí)投入負(fù)荷平衡，可能會(huì)因?yàn)檐埞軝C(jī)本身3 個(gè)軋輥負(fù)荷不等造成速度正反饋疊加而失速。

4 結(jié) 語

綜上所述，Φ180 mm PQF 機(jī)組的負(fù)荷平衡情況是復(fù)雜并且多種多樣的，每一種情況都可能需要有不同的解決方案；這里只簡(jiǎn)單舉了幾種常見情況，還有更多的情況需要分析，需要弄清其工作機(jī)制，并結(jié)合控制理論與經(jīng)驗(yàn)，最終找到合理有效的控制方案。