多构建整合运转扼制体系的变频运用

　

　　1多单元协调传动技术广泛应用于各种造纸机、轧钢机、纺织印染机、拉丝机、电线电缆生产线、卷尺生产线等要求各控制单元同步传动的生产机械。

　　低档次的上述生产机械，一般采用滑差调速或交流整流子异步电机小范围调速，由于传动速度的不协调，造成产品报废率高，且调速范围小、能耗高。

　　直流调速性能较好，所以高档次的上述机械一般采用直流调速。但直流电动机结构复杂、对工作环境要求较高；直流电机碳刷易磨损、碳刷架易打火而引起电机烧坏；换向器经过长时间磨擦后，铜片会越来越薄，最后导致打火击穿。国产换向器和碳刷，一般只能用半年多时间。直流电动机故障率高的问题，目前还没有从根本上解决。

　　变频调速是在现代微电子技术基础上发展起来的新技术，是一种理想的调速方式。变频调速具有以下显著的优点：

　　①可以使普通异步电动机实现无级调速，调速范围大，安全可靠，可适应恶劣环境；②起动电流小，可减小电源设备的容量；③可采用软起动，减小机械设备的冲击力，无峰值电流；④保护功能齐全，对电机运行实行自动监测，具有自保护，无需专人看守；⑤效率高，具有显著的节电效果。

　　本文根据多单元协调传动的要求，基于变频调速，提出了简便而有效的控制方法。

　　2系统主控方案

　　根据生产工艺的要求不同，多单元协调传动必须要有较大的相应调速范围，主机与各从动单元的副机能根据主控指令在较大的范围内进行同步调速。主控方案的设计见1.

　　所有单元的变频器由一个公用可调的直流电源供电，整机运行速度随着这个直流电源的变化而改变。

　　各单元变频器均采用外接给定方式，将所有控制单元变频器的外接给定电路并联，由同一个可调直流电源提供给定信号Xg，使各控制单元电动机的转速同步升降。

　　变频器的主要参数设置（本文均以三菱FR―E500变频器为例）：

　　采用外部操作模式，可设Pr.79＝2（文中Pr.XX为变频器参数）；由于生产机械是单向传动，故主控电源是单极性的，设Pr.78＝1（不可反转）；电源电压：0～10V，设Pr.73＝1.

　　3同步转速协调

　　由于各控制单元的传动机构不同，电动机的最高、最低转速各不相同，所以，与最大给定信号Xgmax对应的变频器最大输出频率fmax也各不相同，也就是说，各变频器的给定频率线是不一致的。

　　例：某生产机械各单元电动机的额定转速为1420r／min，要求：

　　1单元（主机）n max＝1920r／min n min＝240r／min 2单元n max＝1760r／min n min＝220r／min……

　　n单元n max＝2080r／min n min＝260r／min则各控制单元变频器的参数可设置为：

　　1单元（主机）f max＝（1920／1420）<50＝67.6Hz fmin＝（240／1420）<50＝8.5Hz可设置上限频率Pr.1＝68Hz；下限频率Pr.2＝8Hz 2单元（从机）f max＝（1760／1420）<50＝61.9Hz f min＝（220／1420）<50＝7.7Hz可设置上限频率Pr.1＝62Hz；下限频率Pr.2＝7Hz……

　　n单元（从机）f max＝（2080／1420）<50＝73.2Hz f min＝（260／1420）<50＝9.2Hz可设置上限频率Pr.1＝74Hz；下限频率Pr.2＝9Hz为了满足生产工艺的需要，常要求电动机能在较大的范围内调速，所以变频器的控制目标信号（给定信号）Xg是可调的。采用PID闭环控制，能使控制系统的被控量在各种情况下迅速而准确地无限接近控制目标，PID调节的根本依据是反馈量与目标值之间进行比较的结果。所以实际信号（反馈信号）Xf必须随着目标信号的变化而变化（动态跟踪），只有当实际信号无限接近目标信号时，系统才会处于稳定状态。目标信号（给定信号）X g＝0～10V，对应目标转速0（0％）～n max（100％），由变频器2端输入；实际信号（反馈信号）X f＝4～20mA，由变频器4端输入，应同样对应目标转速0（0％）～n max（100％）。

　　目标设定值输入校正方法如下：

　　1）在端子2～5间输入电压0V，使设定值的设定为0％。

　　2）用Pr.902校正，此时输入的频率（0Hz）将作为偏差值＝0％时变频器的输出频率。

　　3）在端子2～5间输入电压10V，使设定值的设定为100％。

　　4）用Pr.903校正，此时输入的频率（fmax）将作为偏差值＝100％时变频器的输出频率。

　　反馈信号的输出校正：

　　1）在端子4～5间输入电流4mA，使设定值的设定为0％。

　　2）用Pr.904校正。

　　3）在端子4～5间输入电流20mA，使设定值的设定为100％。

　　4）用Pr.905校正。

　　Pr.904和Pr.905所设定的频率必须与Pr.902和Pr.903所设定的一致，偏置频率为0，频率增益为100％。目标信号与反馈信号的对应关系见2。

　　4负反馈电路

　　各从动单元变频器的工作频率（从动电动机的转速）除了接受主给定信号的统一控制外（动态跟踪），还将接受反馈信号控制，进行消除静态误差所需的PID闭环调节，所以必须选用带有PID控制功能的变频器。

　　（1）对于张力型生产机械的控制方案在前后两单元之间加入一根滑棍，滑棍可带动无触点电位器R P上下滑动。设无触点电位器R P的阻值为1000Ω，通过调节弹簧拉力，使正常张力与R P的中间位置相对应。

　　此时阻值约为500Ω，变频器端4的输入阻抗为250Ω，则反馈信号X f＝4～20mA，对应于电压源3～15V。也就是说，给定信号X g＝0V时，对应反馈电压U f＝3V；给定信号X g＝10V时，对应反馈电压U f＝15V。电路设计见3。

　　可取偏置电压为5V，运算放大电路中各电阻的阻值仅供参考。

　　当前后机转速完全同步时，张力正常，无触点电位器R P的阻值为中间值500Ω，IPF端输入阻抗为250Ω，根据电路图分析可知：当X g＝0时，U f＝3V、对应X f＝4mA；当X g＝10V时，U f＝15V、对应X f＝20mA，反馈值等于设定目标值，系统处于稳定运行状态。若由于某种原因造成后机的转速快于前机同步转速，则张力增大，滑棍带动无触点电位器RP上移，无触点电位器RP的阻值将小于500Ω，而设定目标值Xg和U f不变，所以反馈值X f将大于设定目标值X g，通过变频器内置的PID调节作用，使后机变频器的输出频率减小，直至后机的转速无限接近同步转速。

　　反之，若后机转速慢于同步转速时，张力减小，滑棍在弹簧拉力作用下，带动无触点电位器RP下移，电阻增大，反馈电流减小，通过PID闭环调节作用，变频器的输出频率增大，使后机转速上升，直到张力达到正常设定值，也就是前后单元转速达到完全同步。

　　（2）对于非张力型或张力较小生产机械的控制方案利用增量式光电编码器来检测主（前）机与从（后）机的转速，经过脉冲信号处理、加减计数器、译码器、数模转换及比例放大，产生一个负反馈信号Xf，再与目标信号X g相比较，构成PID闭环调节控制，见4.

　　光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成的，它可以直接将角位移信号转换为电脉冲信号。光栅盘套在电动机转轴上，在光栅盘上等分地开有若干个长方形孔。电动机旋转时，光栅盘随电动机同步旋转，经发光二极管、光敏元件等组成的检测装置检测，输出若干脉冲信号，光电编码器每秒输出脉冲的个数反映了当前电动机的转速。经过各自的倍频电路（或分频）使两脉冲信号协调，也就是说，当前后两单元的转速完全同步时，在单位时间内，CK u的脉冲数与CK d的脉冲数是相等的。

　　将CK u与CK d两路脉冲分别输入双路脉冲可逆计数器进行比较，每输入一个CK u脉冲，可逆计数器进行加法计数；每输入一个CK d脉冲，可逆计数器则进行减法计数，若前后机的转速完全同步，则可逆计数器的输出为某一设定常数，数模转换电路输出为基本偏置电压，反馈信号X f完全跟踪于主控信号X g，即X g＝（0～10）V，对应于X f＝（4～20）mA×250Ω＝（1～5）V。

　　若从机（后机）转速偏快，则CK u脉冲数增多，可逆计数器的输出增大，数模转换电路输出增大，反馈目标值Xf将大于设定目标值Xg，通过变频器内置的PID调节作用，使后机变频器的输出频率减小，电动机的转速随之减慢。

　　反之，若从机（后机）转速慢于主机（前机）的转速，则CK d脉冲数多于CK u的脉冲数，可逆计数器的输出减小，反馈信号X f减小，使得从机变频器的输出频率上升，经过调节可消除转速的同步误差。

　　5其它参数设置（1）起动过程起动时，将变频器端14触点S断开，此时PID调节不起作用，系统根据设定的起动时间常数进行起动，起动时间常数可根据生产机械的具体要求设定。待起动后再将端14触点S闭合，PID调节器开始发挥作用。

　　（2）PID调节三菱FR― E500变频器的PID控制功能是通过参数Pr.128－Pr.134设置的。

　　如果系统响应慢，就应放大比例带；反之，减小比例带，直到系统对输入的阶跃响应出现临界震荡，略有超调。

　　若系统无稳态误差或稳态误差已小到允许范围内，并且认为响应曲线已满意，此时的比例系数K p也就是最佳的。

　　若在比例调节的基础上，系统稳态误差太大，则必须加入积分环节，增大积分时间常数T i，有利于减小超调，提高系统稳定性，但系统误差的消除将随之变慢。

　　若使用PI调节器消除了稳态误差，但经反复调整后，对系统动态响应仍不满意，则可以加大微分环节，构成PID调节器。增大微分时间常数T d可以加快系统的响应、使超调量减小，提高系统的稳定性，但系统稳态误差的消除将随之变慢。

　　（3）制动过程对于惯性较大的生产机械，可在变频器接线端子＋与PR间接入专用制动电阻器。通过在电机上施加直流制动，使停止过程适合生产机械的要求。利用设定停止时的直流制动电压（Pr.12）、动作时间（Pr.11）和制动开始频率（Pr.10），来调整停止时间。

　　6结束

　　本研究提出了采用变频调速技术实现多单元协调传动的方案，与其它调速方法相比，既提高了调速性能又安全可靠。多单元协调传动也可通过传感器＋PLC＋变频器来实现，但相比之下，本方案简单可行，对于许多设备的改造具有实际意义。