广东省江门市SIEMENS西门子《授权》中国一级代理商

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产品详细介绍

在多机共同驱动同一个负载的系统中,由于机械连接的材料及方式,实际负载的不均匀分布等原因,将会造成各电机驱动系统的实际转速出现瞬时偏差的情况。



1.1 常见的场景



  • 齿轮箱啮合连接


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图1 齿啮合连接


由于加工、安装、老化磨损等导致齿隙,进而从动齿与主动齿的速度不一致,即:

Vdriven≠Vdriving

其中,

Vdriven:从动齿轮线速度;

Vdriving:主动齿轮线速度;



  • 长轴机械耦合连接


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图2 长轴机械耦合连接




由刚体及阻尼体构成,在电磁转矩与负载转矩的作用下,整个机械系统出现了“扭转”的过渡过程,将造成两套驱动系统输出的转速出现瞬时偏差,即:      

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  • 弹性耦合连接


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图3 弹性耦合连接



负载(包括摩擦,机械负载等)与电磁转矩的偏差造成多机传动之间的耦合连接出现相对位移,进而造成各个驱动系统之间的瞬时速度不一致,即:

                ω1≠ω2      

其中,

ω1:驱动系统1的角速度;

ω2:驱动系统2的角速度;




1.2 负荷分配控制方案




负荷分配要求变频器运行于矢量控制模式,带电机编码器或不带编码器均可。负荷分配的控制方案主要包括:

  • 主从控制

  • Droop控制

不同的控制方案各有优缺点,适用场景也不尽相同。下面就为大家带来详细的介绍。




2 主从控制

主从控制包括下述多种方案:

  • 速度控制加转矩控制

  • 速度环饱和加转矩限幅

从机直接采用转矩控制可能出现动态过程振荡、连接断开时飞车等情况,下面主要介绍一种改进的转矩控制方案。




2.1  过程分析




从电机运动方程来分析:

    Te=TL+GD^2 dn/dt   (2-1)

其中:

Te:电机电磁转矩;

TL:电机轴端负载转矩,包括机械负载、摩擦、风阻等;

GD^2:机械转动惯量,包括电机及机械设备

n:电机实际转速,dn/dt:电机转速变化率;


从这个方程来看,在机械系统一定的情况下,电机转速的变化决定于电机输出的电磁转矩及其轴端的负载转矩。


分析上述应用场景下的动态和稳态过程:

  • 动态过程
    上述动态过程由于多种因素造成电机实际转速不一致,而这将造成电机轴端负载分配不均匀。若采用的主从控制方式:主机速度控制+从机力矩控制方式,即从机力矩取自主机,而主机轴端与从机轴端负载不一致,根据公式(2-1)在从机的电磁转矩与负载转矩产生偏差,直接影响到从机的实际转速,而主从实际转速的不同,由于机械之间的耦合,将会影响到主机轴端的负载情况,由于主机采用速度闭环控制,其输出转矩将发生变化,传递到从机,循环往复,此时将很容易导致系统振荡,无法进入到稳态过程,严重的情况甚至会损坏设备,无法正常工作。


  • 稳态过程
    进入到稳态,此时主从设备之间的相对运动趋于0,转速基本一致,进而负荷分配也趋于一致。

通过上述分析,给定值系统已固定的情况下系统依然无法快速进入稳定状态,而出现系统振荡的情况。




2.2 方案配置




根据2.1节的动态与稳态的过程分析,主从控制的目标依然是速度及转矩的一致性,需要保证动态的过渡过程是收敛的,快速进入到稳定状态。


据此提出如下的主从控制方案:主机速度调节器为PI控制+从机速度调节器为P控制,且将主机速度调节器的积分控制分量传递给从机做转矩补偿。

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图4 主从方案配置



速度调节器PI的控制特点:

  • 比例控制P输出控制量的大小决定于偏差量,即Kp∙∆n(TN),或者说P控制是一类有差控制;

  • 积分控制I输出控制量是偏差量的累积,KI∙∑(i=1,N)∆n(Ti),对于一阶激励来讲是可实现无差控制。


对于主机来讲采用速度调节器为PI控制,实现工艺(一般都是一阶激励)转速的转速无差控制,在动态过程中由于从机的速度调节器采用P控制,从而使从机的实际转速与通过机械耦合的主机转速形成速度偏差,这样与由上述描述的应用场景所造成的偏差趋势是一致的,进而实现了从机与主机的“解耦合”,减小主从之间动态过程所产生偏差的强耦合影响,减小系统振荡的程度。


稳态时,由于∆n→0,那么完全决定于积分控制量。由于主从采用一致的积分控制,从而实现转速一致性与负荷均匀分配的实现。


优点:

  • 有效解决主从驱动系统的强耦合所带来的动态过程的系统振荡;

  • 实现转速一致与负荷均匀分配的控制目标;

  • 由于都采用速度闭环控制,原则上不会出现转矩控制模式的飞车情况;


缺点:

  • 主从控制结构的不同,需要额外控制逻辑管理主从关系等。


2.3 使用条件




对于低速大转矩应用,控制精度要求较高的情况,推荐采用带编码器的矢量控制。原因在于矢量控制的模型切换,较低转速运行时,若无编码器运行时系统相当于开环控制,速度调节器输出为0,显然是无法实现图4的主从控制方案。

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图5 低速下无编码器矢量控制的输出特性




2.4 参数设置 




实现从机速度调节器P控制,引入主机的积分控制量作为附件转矩给定的参数设置方案。

1)设置速度调节器P模式+附加转矩给定,参数设置如下:

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2)设置速度调节器P模式+积分控制器强置模式,参数设置如下:

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成立日期2022年11月17日
法定代表人林海霞
注册资本1000
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