1多單元協(xié)調(diào)傳動技術(shù)廣泛應(yīng)用于各種造紙機(jī)、軋鋼機(jī)、紡織印染機(jī)、拉絲機(jī)、電線電纜生產(chǎn)線、卷尺生產(chǎn)線等要求各控制單元同步傳動的生產(chǎn)機(jī)械。

　　低檔次的上述生產(chǎn)機(jī)械，一般采用滑差調(diào)速或交流整流子異步電機(jī)小范圍調(diào)速，由于傳動速度的不協(xié)調(diào)，造成產(chǎn)品報廢率高，且調(diào)速范圍小、能耗高。

　　直流調(diào)速性能較好，所以高檔次的上述機(jī)械一般采用直流調(diào)速。但直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、對工作環(huán)境要求較高；直流電機(jī)碳刷易磨損、碳刷架易打火而引起電機(jī)燒壞；換向器經(jīng)過長時間磨擦后，銅片會越來越薄，最后導(dǎo)致打火擊穿。國產(chǎn)換向器和碳刷，一般只能用半年多時間。直流電動機(jī)故障率高的問題，目前還沒有從根本上解決。

　　變頻調(diào)速是在現(xiàn)代微電子技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新技術(shù)，是一種理想的調(diào)速方式。變頻調(diào)速具有以下顯著的優(yōu)點(diǎn)：

　?、倏梢允蛊胀ó惒诫妱訖C(jī)實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，調(diào)速范圍大，安全可靠，可適應(yīng)惡劣環(huán)境；②起動電流小，可減小電源設(shè)備的容量；③可采用軟起動，減小機(jī)械設(shè)備的沖擊力，無峰值電流；④保護(hù)功能齊全，對電機(jī)運(yùn)行實(shí)行自動監(jiān)測，具有自保護(hù)，無需專人看守；⑤效率高，具有顯著的節(jié)電效果。

　　本文根據(jù)多單元協(xié)調(diào)傳動的要求，基于變頻調(diào)速，提出了簡便而有效的控制方法。

　　2系統(tǒng)主控方案

　　根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求不同，多單元協(xié)調(diào)傳動必須要有較大的相應(yīng)調(diào)速范圍，主機(jī)與各從動單元的副機(jī)能根據(jù)主控指令在較大的范圍內(nèi)進(jìn)行同步調(diào)速。主控方案的設(shè)計(jì)見1.

　　所有單元的變頻器由一個公用可調(diào)的直流電源供電，整機(jī)運(yùn)行速度隨著這個直流電源的變化而改變。

　　各單元變頻器均采用外接給定方式，將所有控制單元變頻器的外接給定電路并聯(lián)，由同一個可調(diào)直流電源提供給定信號Xg，使各控制單元電動機(jī)的轉(zhuǎn)速同步升降。

　　變頻器的主要參數(shù)設(shè)置（本文均以三菱FR―E500變頻器為例）：

　　采用外部操作模式，可設(shè)Pr.79＝2（文中Pr.XX為變頻器參數(shù)）；由于生產(chǎn)機(jī)械是單向傳動，故主控電源是單極性的，設(shè)Pr.78＝1（不可反轉(zhuǎn)）；電源電壓：0～10V，設(shè)Pr.73＝1.

　　3同步轉(zhuǎn)速協(xié)調(diào)

　　由于各控制單元的傳動機(jī)構(gòu)不同，電動機(jī)的最高、最低轉(zhuǎn)速各不相同，所以，與最大給定信號Xgmax對應(yīng)的變頻器最大輸出頻率fmax也各不相同，也就是說，各變頻器的給定頻率線是不一致的。

　　例：某生產(chǎn)機(jī)械各單元電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為1420r／min，要求：

　　1單元（主機(jī)）n max＝1920r／min n min＝240r／min 2單元n max＝1760r／min n min＝220r／min……

　　n單元n max＝2080r／min n min＝260r／min則各控制單元變頻器的參數(shù)可設(shè)置為：

　　1單元（主機(jī)）f max＝（1920／1420）<50＝67.6Hz fmin＝（240／1420）<50＝8.5Hz可設(shè)置上限頻率Pr.1＝68Hz；下限頻率Pr.2＝8Hz 2單元（從機(jī)）f max＝（1760／1420）<50＝61.9Hz f min＝（220／1420）<50＝7.7Hz可設(shè)置上限頻率Pr.1＝62Hz；下限頻率Pr.2＝7Hz……

　　n單元（從機(jī)）f max＝（2080／1420）<50＝73.2Hz f min＝（260／1420）<50＝9.2Hz可設(shè)置上限頻率Pr.1＝74Hz；下限頻率Pr.2＝9Hz為了滿足生產(chǎn)工藝的需要，常要求電動機(jī)能在較大的范圍內(nèi)調(diào)速，所以變頻器的控制目標(biāo)信號（給定信號）Xg是可調(diào)的。采用PID閉環(huán)控制，能使控制系統(tǒng)的被控量在各種情況下迅速而準(zhǔn)確地?zé)o限接近控制目標(biāo)，PID調(diào)節(jié)的根本依據(jù)是反饋量與目標(biāo)值之間進(jìn)行比較的結(jié)果。所以實(shí)際信號（反饋信號）Xf必須隨著目標(biāo)信號的變化而變化（動態(tài)跟蹤），只有當(dāng)實(shí)際信號無限接近目標(biāo)信號時，系統(tǒng)才會處于穩(wěn)定狀態(tài)。目標(biāo)信號（給定信號）X g＝0～10V，對應(yīng)目標(biāo)轉(zhuǎn)速0（0％）～n max（100％），由變頻器2端輸入；實(shí)際信號（反饋信號）X f＝4～20mA，由變頻器4端輸入，應(yīng)同樣對應(yīng)目標(biāo)轉(zhuǎn)速0（0％）～n max（100％）。

　　目標(biāo)設(shè)定值輸入校正方法如下：

　　1）在端子2～5間輸入電壓0V，使設(shè)定值的設(shè)定為0％。

　　2）用Pr.902校正，此時輸入的頻率（0Hz）將作為偏差值＝0％時變頻器的輸出頻率。

　　3）在端子2～5間輸入電壓10V，使設(shè)定值的設(shè)定為100％。

　　4）用Pr.903校正，此時輸入的頻率（fmax）將作為偏差值＝100％時變頻器的輸出頻率。

　　反饋信號的輸出校正：

　　1）在端子4～5間輸入電流4mA，使設(shè)定值的設(shè)定為0％。

　　2）用Pr.904校正。

　　3）在端子4～5間輸入電流20mA，使設(shè)定值的設(shè)定為100％。

　　4）用Pr.905校正。

　　Pr.904和Pr.905所設(shè)定的頻率必須與Pr.902和Pr.903所設(shè)定的一致，偏置頻率為0，頻率增益為100％。目標(biāo)信號與反饋信號的對應(yīng)關(guān)系見2。

　　4負(fù)反饋電路

　　各從動單元變頻器的工作頻率（從動電動機(jī)的轉(zhuǎn)速）除了接受主給定信號的統(tǒng)一控制外（動態(tài)跟蹤），還將接受反饋信號控制，進(jìn)行消除靜態(tài)誤差所需的PID閉環(huán)調(diào)節(jié)，所以必須選用帶有PID控制功能的變頻器。

　　（1）對于張力型生產(chǎn)機(jī)械的控制方案在前后兩單元之間加入一根滑棍，滑棍可帶動無觸點(diǎn)電位器R P上下滑動。設(shè)無觸點(diǎn)電位器R P的阻值為1000Ω，通過調(diào)節(jié)彈簧拉力，使正常張力與R P的中間位置相對應(yīng)。

　　此時阻值約為500Ω，變頻器端4的輸入阻抗為250Ω，則反饋信號X f＝4～20mA，對應(yīng)于電壓源3～15V。也就是說，給定信號X g＝0V時，對應(yīng)反饋電壓U f＝3V；給定信號X g＝10V時，對應(yīng)反饋電壓U f＝15V。電路設(shè)計(jì)見3。

　　可取偏置電壓為5V，運(yùn)算放大電路中各電阻的阻值僅供參考。

　　當(dāng)前后機(jī)轉(zhuǎn)速完全同步時，張力正常，無觸點(diǎn)電位器R P的阻值為中間值500Ω，IPF端輸入阻抗為250Ω，根據(jù)電路圖分析可知：當(dāng)X g＝0時，U f＝3V、對應(yīng)X f＝4mA；當(dāng)X g＝10V時，U f＝15V、對應(yīng)X f＝20mA，反饋值等于設(shè)定目標(biāo)值，系統(tǒng)處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。若由于某種原因造成后機(jī)的轉(zhuǎn)速快于前機(jī)同步轉(zhuǎn)速，則張力增大，滑棍帶動無觸點(diǎn)電位器RP上移，無觸點(diǎn)電位器RP的阻值將小于500Ω，而設(shè)定目標(biāo)值Xg和U f不變，所以反饋值X f將大于設(shè)定目標(biāo)值X g，通過變頻器內(nèi)置的PID調(diào)節(jié)作用，使后機(jī)變頻器的輸出頻率減小，直至后機(jī)的轉(zhuǎn)速無限接近同步轉(zhuǎn)速。

　　反之，若后機(jī)轉(zhuǎn)速慢于同步轉(zhuǎn)速時，張力減小，滑棍在彈簧拉力作用下，帶動無觸點(diǎn)電位器RP下移，電阻增大，反饋電流減小，通過PID閉環(huán)調(diào)節(jié)作用，變頻器的輸出頻率增大，使后機(jī)轉(zhuǎn)速上升，直到張力達(dá)到正常設(shè)定值，也就是前后單元轉(zhuǎn)速達(dá)到完全同步。

　　（2）對于非張力型或張力較小生產(chǎn)機(jī)械的控制方案利用增量式光電編碼器來檢測主（前）機(jī)與從（后）機(jī)的轉(zhuǎn)速，經(jīng)過脈沖信號處理、加減計(jì)數(shù)器、譯碼器、數(shù)模轉(zhuǎn)換及比例放大，產(chǎn)生一個負(fù)反饋信號Xf，再與目標(biāo)信號X g相比較，構(gòu)成PID閉環(huán)調(diào)節(jié)控制，見4.

　　光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成的，它可以直接將角位移信號轉(zhuǎn)換為電脈沖信號。光柵盤套在電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上，在光柵盤上等分地開有若干個長方形孔。電動機(jī)旋轉(zhuǎn)時，光柵盤隨電動機(jī)同步旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管、光敏元件等組成的檢測裝置檢測，輸出若干脈沖信號，光電編碼器每秒輸出脈沖的個數(shù)反映了當(dāng)前電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。經(jīng)過各自的倍頻電路（或分頻）使兩脈沖信號協(xié)調(diào)，也就是說，當(dāng)前后兩單元的轉(zhuǎn)速完全同步時，在單位時間內(nèi)，CK u的脈沖數(shù)與CK d的脈沖數(shù)是相等的。

　　將CK u與CK d兩路脈沖分別輸入雙路脈沖可逆計(jì)數(shù)器進(jìn)行比較，每輸入一個CK u脈沖，可逆計(jì)數(shù)器進(jìn)行加法計(jì)數(shù)；每輸入一個CK d脈沖，可逆計(jì)數(shù)器則進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，若前后機(jī)的轉(zhuǎn)速完全同步，則可逆計(jì)數(shù)器的輸出為某一設(shè)定常數(shù)，數(shù)模轉(zhuǎn)換電路輸出為基本偏置電壓，反饋信號X f完全跟蹤于主控信號X g，即X g＝（0～10）V，對應(yīng)于X f＝（4～20）mA×250Ω＝（1～5）V。

　　若從機(jī)（后機(jī)）轉(zhuǎn)速偏快，則CK u脈沖數(shù)增多，可逆計(jì)數(shù)器的輸出增大，數(shù)模轉(zhuǎn)換電路輸出增大，反饋目標(biāo)值Xf將大于設(shè)定目標(biāo)值Xg，通過變頻器內(nèi)置的PID調(diào)節(jié)作用，使后機(jī)變頻器的輸出頻率減小，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速隨之減慢。

　　反之，若從機(jī)（后機(jī)）轉(zhuǎn)速慢于主機(jī)（前機(jī)）的轉(zhuǎn)速，則CK d脈沖數(shù)多于CK u的脈沖數(shù)，可逆計(jì)數(shù)器的輸出減小，反饋信號X f減小，使得從機(jī)變頻器的輸出頻率上升，經(jīng)過調(diào)節(jié)可消除轉(zhuǎn)速的同步誤差。

　　5其它參數(shù)設(shè)置（1）起動過程起動時，將變頻器端14觸點(diǎn)S斷開，此時PID調(diào)節(jié)不起作用，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的起動時間常數(shù)進(jìn)行起動，起動時間常數(shù)可根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的具體要求設(shè)定。待起動后再將端14觸點(diǎn)S閉合，PID調(diào)節(jié)器開始發(fā)揮作用。

　　（2）PID調(diào)節(jié)三菱FR― E500變頻器的PID控制功能是通過參數(shù)Pr.128－Pr.134設(shè)置的。

　　如果系統(tǒng)響應(yīng)慢，就應(yīng)放大比例帶；反之，減小比例帶，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界震蕩，略有超調(diào)。

　　若系統(tǒng)無穩(wěn)態(tài)誤差或穩(wěn)態(tài)誤差已小到允許范圍內(nèi)，并且認(rèn)為響應(yīng)曲線已滿意，此時的比例系數(shù)K p也就是最佳的。

　　若在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差太大，則必須加入積分環(huán)節(jié)，增大積分時間常數(shù)T i，有利于減小超調(diào)，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，但系統(tǒng)誤差的消除將隨之變慢。

　　若使用PI調(diào)節(jié)器消除了穩(wěn)態(tài)誤差，但經(jīng)反復(fù)調(diào)整后，對系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)仍不滿意，則可以加大微分環(huán)節(jié)，構(gòu)成PID調(diào)節(jié)器。增大微分時間常數(shù)T d可以加快系統(tǒng)的響應(yīng)、使超調(diào)量減小，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的消除將隨之變慢。

　?。?）制動過程對于慣性較大的生產(chǎn)機(jī)械，可在變頻器接線端子＋與PR間接入專用制動電阻器。通過在電機(jī)上施加直流制動，使停止過程適合生產(chǎn)機(jī)械的要求。利用設(shè)定停止時的直流制動電壓（Pr.12）、動作時間（Pr.11）和制動開始頻率（Pr.10），來調(diào)整停止時間。

　　6結(jié)束

　　本研究提出了采用變頻調(diào)速技術(shù)實(shí)現(xiàn)多單元協(xié)調(diào)傳動的方案，與其它調(diào)速方法相比，既提高了調(diào)速性能又安全可靠。多單元協(xié)調(diào)傳動也可通過傳感器＋PLC＋變頻器來實(shí)現(xiàn)，但相比之下，本方案簡單可行，對于許多設(shè)備的改造具有實(shí)際意義。