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    關鍵詞：變頻器 收卷 主從控制 限轉矩

    1 前言

　　矢量控制的變頻器是通過對電機磁通電流和轉矩電流的解耦控制，實現了轉矩的快速響應和準確控制，可以很高的控制精度進行寬范圍的調速運行。

　　如圖1所示為矢量控制變頻器的基本工作原理，頻率指令和實際速度的比較值通過一個速度調節器ASR后再進行轉矩限定，最后來控制變頻器的輸出轉矩。該控制圖分為2個閉環（速度環和電流環），限轉矩的作用就是用來限定速度調節器輸出的轉矩電流，將直接限制變頻器的輸出頻率。設定轉矩的方式一般有2種：變頻器參數設定和模擬量輸入設定。

　　對于收卷而言，隨著卷徑的逐漸增大，限轉矩的值也隨之增大，變頻器輸出的速度將隨之減少，符合收卷的基本原理，同時張力也在控制之中;而對于主從控制中的從傳動而言，只要將其轉矩限定值跟隨主傳動，就能保證兩者之間的同步匹配。

　　本文將主要討論矢量變頻器的限轉矩功能在收卷控制和主從控制中的應用。

圖1 限轉矩工作簡圖

    2 限轉矩功能與中心收卷

　　在工業生產中，通常都需要進行卷取控制，以生產符合要求的卷材，如造紙行業的卷筒紙、冶金行業的帶鋼材、印刷行業的包裝材料卷筒等。目前成熟的收卷只要是被動收卷（以高速造紙和塑料收卷居多）或是以直流調速器控制的中心收卷（以冶金行業居多），而交流變頻器在中心收卷中的應用并沒有象在其他行業（如風機等）那么普及，究其原因在于收卷的控制難度和復雜性。

　　經典的收卷都是采用張力閉環，它是通過張力檢測裝置反饋張力信號與張力的設定值構成PID閉環，然后調整變頻器的輸出頻率命令（速度模式）或輸出轉矩指令（轉矩模式）。此方案可以適用于高精度的張力收卷場合，但對于要求并不要求嚴格、又要求性價比高的收卷來說，本文提出了比較實用的矢量變頻器限轉矩方法，可以省去張力傳感器、PID控制器，而只需要簡單的變頻器加PLC控制即可。

　　（1）轉矩計算

　　圖2為中心收卷基本示意圖，采用開環的張力控制來實現收卷。在這種控制方式下，實際張力還是必須要知道的，無非它是通過變頻器內部的檢測和計算來獲取的，從而省去張力檢測裝置，降低了系統的成本和難度。

　　由設定的張力和卷筒的卷徑可以計算出變頻器的轉矩指令，其公式如下：

　　T=（F X D） / （2 X i ）

　　其中：T 為變頻器的輸出轉矩指令;F為張力設定指令;D為卷筒的卷徑;i為機械傳動比。

　　在實際的使用中，卷取控制通常都需要材料張力隨著卷徑增大而相應降低，以防止損傷卷軸和提高產品的卷取質量，這樣的控制就叫“錐度控制”。

　　張力錐度為：

　　F=F 0 X [ 1 - K （1 - D0 / D） ]

　　其中：F 為實際輸出張力;F0為張力設定指令;K為張力錐度系數;D為卷筒實時卷徑;D0為空心卷筒卷徑。

　　綜合以上二公式可以得出T是D的一次函數 T = f （ D ）

圖2 中心收卷簡圖

　　（2）卷徑測量

　　在轉矩控制中已經看出，轉矩是直接跟卷徑有關，并且是卷徑的一次函數，因此卷徑的計算是比較重要的。最簡單的當然是直接測量，但實際中我們都會考慮采用間接計算法，以減少成本。

　　通常計算卷徑有2種方法：線速度計算和厚度積分。前者是利用線速度除以電機角速度就是卷徑的相對比例，方法比較簡單，但必須注意當線速度運行在低速時由于卷材的線速度和電機的運行頻率都比較低，所以導致誤差比較大，因此通常要采用彌補的方法（比方設定一個最低線速度下限值）。后者按卷筒的旋轉圈數進行卷徑累積，必須注意的是一定要準確知道厚度，在換品種時必須輸入厚度系數。

　　（3）限轉矩控制在電池配件鋅板收卷中的應用

　　在電池配件鋅板中的生產中，從鑄造機中出來的熱鋅板，經過軋機軋制后，最后進行收卷。設計軋機為交流異步電動機55KW，收卷為7.5KW。由于目前矢量變頻器已經具有低頻（甚至零頻）滿載啟動功能，如安川VS-616G5帶PG矢量運行時150%啟動力矩/0RPM、愛默生TD3000帶PG矢量運行時200%啟動力矩/0RPM，因此可以替代直流傳動應用在需要卡死再啟動的軋機上、或者是卷徑變化大導致轉速變化也大的中心收卷上。

　　具體的示意如圖3所示，包括軋機變頻器VF1、中心收卷變頻器VF2、可編程控制器S7 200以及相應的人機界面組成。

圖3 鋅板收卷原理

　　本系統可以實現以下的幾個功能：（1）通過人機界面設置軋機的主速度，同時可以讀取軋機的線速度;（2）通過人機界面可以設定中心收卷的速度給定和轉矩限定值;（3）根據軋機的線速度來計算收卷的卷徑值并顯示在HMI上;（4）其他必要啟動連鎖條件等。PLC的作用除了數據的傳遞（HMI和變頻器人機界面）之外，最重要的是計算出卷徑，然后再根據轉矩和卷徑的函數關系，計算出轉矩限值，其中卷徑計算由線速度計算法。

　　其中對收卷變頻器而言，有兩個模擬量：

　　速度指令——對卷取機給以比電動機速度高的速度;

　　轉矩限制——由于按照上述那樣速度命令，變頻器將輸出上限值以下的轉矩，PLC將給出相當張力命令轉矩值作為轉矩限制值。

　　通過HMI觀察卷徑計算的值，再次帶載測試，修正各系數，直至收卷過程張力平穩、達到要求為止。

    3 限轉矩功能與主從控制

　　（1）主從控制

　　在很多機械設備中，都會涉及到主從控制，如造紙機械的網部真空伏輥、驅網輥同時帶一條網;壓榨部真空吸移、真空壓榨等復合壓榨;壓光上、下輥;施膠機上、下輥等都屬于多電動機傳動中的主從控制。主從控制與速度控制不同，其特點為：傳動系統由幾個傳動單元共同驅動，其電動機軸相互耦合。根據電動機軸耦合方式的不同，主從方式分為兩種，一種為剛性耦合，另外一種為柔性耦合。

　　所謂剛性耦合，即幾個不同的電動機軸之間通過萬向節、傳動輥、齒輪帶等硬連接方式進行耦合。在這種情況下，只要其中一個傳動進行運動，另外一個或幾個傳動也將被動運行。而柔性耦合，即幾個不同的電動機軸之間通過網毯、皮帶等軟連接方式進行耦合。在這種情況下，只要其中一個傳動進行運動，另外一個或幾個傳動也將被拖動，但也有可能打滑。

　　主從控制的傳動只有電動機速度同步并不能滿足實際系統的工作要求，實際系統還要求各傳動點電動機負載率相同，否則會出現某臺電動機出力大，某臺電動機出力小的情況，即要求有負荷分配控制。

　　在變頻多電動機傳動控制過程中各分部電動機的負載率相同，即δ=P/Pa相同（P為電動機所承擔的負載功率，Pa為電動機額定功率）。

　　（2）限轉矩實現主從傳動的負荷分配功能

　　這種方法是通過讓從傳動的速度不比主傳動的慢，可以稍微快一點點，然后給輔傳動加上轉矩限幅使得主輔傳動的轉矩基本保持平衡，以達到負荷分配的目的。變頻多傳動控制系統的負荷分配要求速度穩定，分配平衡。很多連續生產線負載多變，傳動情況復雜，所以要求負荷分配快速穩定無振蕩，能夠隨時適應負載變化。 圖4所示為轉矩限幅控制的負荷分配原理。

圖4 限轉矩控制的負荷分配

　　（3）限轉矩在造紙壓光機主從控制中的應用

　　造紙壓光機分軟壓光機和硬壓光機，它具有加熱功能的彈性壓區的壓光機，是由硬輥及有彈性輥面材料的軟輥來形成的。造紙壓光機的作用在輥間的線壓大，能提高紙的緊度，能進行其他設備所達不到的整飾作用，如圖5所示。當紙幅通過壓光機的時候，上輥和下輥將處于嚙合狀態，也就是處于同步狀態。如果兩者不同步，將會造成紙幅斷裂或者壓潰。

圖5 造紙壓光機

　　負荷分配是造紙壓光機傳動電機的核心控制原理，其示意圖見圖6。M1為主傳動，采用雙閉環速度/轉矩矢量控制方式。速度環為V速度給定和PG編碼器返回的實際速度的控制回路。M2的轉矩限定值可在PLC系統設置。在負荷分配中，M2從傳動能始終跟隨M1主傳動而保持同步。

圖6 造紙壓光機的限轉矩控制

    4 結束語

　　限轉矩的作用發揮好壞，很大一部分取決于變頻器的調試，尤其是電機參數自辨識。由于矢量控制是著眼于轉子磁通來控制電機的定子電流，因此在其內部的算法中大量涉及到電機參數。從圖7的異步電動機的T型等效電路表示中可以看出，電機除了常規的參數如電機極數、額定功率、額定電流外，還有R1（定子電阻）、X11（定子漏感抗）、R2（轉子電阻）、X21（轉子漏感抗）、Xm（互感抗）和I0（空載電流）。

圖7 異步電動機穩態等效電路

　　參數辨識中分電機靜止辨識和旋轉辨識2種，其中在靜止辨識中，變頻器能自動測量并計算頂子和轉子電阻以及相對于基本頻率的漏感抗，并同時將測量的參數寫入;在旋轉辨識中，變頻器自動測量電機的互感抗和空載電流。

　　在參數辨識中，必須注意：（1）若旋轉辨識中出現過流或過壓故障，可適當增減加減速時間;（2）旋轉辨識只能在空載中進行;（3）如辨識前必須首先正確輸入電機銘牌的參數。

　　通過限轉矩的使用，在變頻收卷和壓光機的主從控制中都相當成功地得到應用。限轉矩的作用是基于矢量變頻器優秀的控制功能上，能夠滿足相當工業領域的收卷要求和主從控制，為降低系統成本、減少維護費用提供了一個很好的控制平臺。