摘要：分析了雙向拉伸薄膜裝備橫向拉伸機(jī)（TDO）雙電機(jī)剛性連接同步驅(qū)動(dòng)同一負(fù)載的負(fù)載平衡控制問(wèn)題，提出了采用西門子6SE70系列矢量控制變頻器解決負(fù)栽平衡控制問(wèn)題的具體方案，并對(duì)各控制方案進(jìn)行了比較扣分析，經(jīng)應(yīng)用證實(shí)控制效果良好，滿足生產(chǎn)工藝要求。
關(guān)鍵詞：矢量控制變頻器；同步驅(qū)動(dòng)；同一負(fù)栽；負(fù)載平衡
Frequency Control Technology in the Two-Synchronous Motor Drive the Same Load of TDO
LONG Cheng-zhong
（Guilin Electrical Equipment Scienffic Research Institute，Guilin Cuangxi 541004，China）
Abstract：This paper analyses the load balancing of two synchronous motors when connecting by a steel axes in the transverse direction orienteer（TDO）of biaxially direction stretched film production line，use the Siemens6SE70 series of vector control inverter to solve specific problems of load balancing control and the control programmers were compared and analyzed，the control system can be running well in actual application ．
Keywords：vector control converter ,simultaneously drive，same load，load balancing
以往薄膜幅寬在5．2 m 以下的雙向拉伸（B0PP或B0PET）薄膜成套設(shè)備中，通常橫向拉伸機(jī)（11）O）左右鏈鋏的傳動(dòng)是由一臺(tái)電機(jī)通過(guò)左右傳動(dòng)軸和齒輪箱及鏈輪驅(qū)動(dòng)的；當(dāng)薄膜幅寬超過(guò)5．2 In后，橫向拉伸機(jī)（rIDO）設(shè)備寬度相應(yīng)要增加，而薄膜產(chǎn)量的提高，除了有寬幅的拉膜設(shè)備外，還需要大幅提升拉膜設(shè)備的生產(chǎn)速度。但生產(chǎn)速度的提高，使得齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和連接軸的體積和質(zhì)量都相應(yīng)增加，若繼續(xù)沿用單電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式，使得橫向拉伸機(jī)（TD0）的動(dòng)態(tài)機(jī)械負(fù)載平衡性及可靠性和機(jī)加工精度都很難滿足生產(chǎn)工藝要求。為此，采用兩臺(tái)電機(jī)分別直接驅(qū)動(dòng)左右齒輪箱和鏈輪，左右齒輪箱之間用一根傳動(dòng)軸剛性連接，從而降低了傳動(dòng)機(jī)械的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和振動(dòng)幅度，提高了動(dòng)態(tài)機(jī)械負(fù)載平衡性及可靠性，降低了機(jī)加工難度。但由此引出的新問(wèn)題是：如何使控制系統(tǒng)滿足驅(qū)動(dòng)左右齒輪箱兩臺(tái)同功率電機(jī)的負(fù)載平衡和同步驅(qū)動(dòng)的要求。對(duì)于橫向拉伸機(jī)（TDO）這樣的控制對(duì)象，對(duì)速度精度、轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)、負(fù)荷自動(dòng)分配等都有著比較嚴(yán)格的要求，而一般的V 控制的變頻器又難以滿足此要求。本文著重介紹了采用矢量控制變頻技術(shù)，實(shí)現(xiàn)2臺(tái)變頻器分別拖動(dòng)2臺(tái)電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)同一負(fù)載，實(shí)現(xiàn)高精度、大轉(zhuǎn)矩調(diào)速的問(wèn)題。
1 橫向拉伸機(jī)（TDO）對(duì)控制系統(tǒng)的要求
影響薄膜質(zhì)量的因素有很多，如生產(chǎn)工藝參數(shù)、設(shè)備加工和安裝精度、生產(chǎn)溫度及速度的控制精度、生產(chǎn)操作人員的技能等，都會(huì)對(duì)薄膜質(zhì)量產(chǎn)生影響。但從薄膜成套設(shè)備的角度來(lái)看，橫向拉伸機(jī)（ I1DO）對(duì)薄膜的質(zhì)量特別是成膜率，有著直接的影響。由于橫向拉伸機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是用兩臺(tái)相同功率的交流電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)左右齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，而左右齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)之間有-N性相連的連接軸，這樣就使得橫向拉伸機(jī)在傳動(dòng)結(jié)構(gòu)上和負(fù)載的性質(zhì)上變成了兩臺(tái)電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)一個(gè)負(fù)載的形式（如圖1）。
如圖1所示，這種傳動(dòng)結(jié)構(gòu)形式的好處就是使得左右鏈條永遠(yuǎn)I司步運(yùn)行，而不會(huì)出現(xiàn)左右鏈條之間在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生速差使薄膜破裂的現(xiàn)象。根據(jù)薄膜生產(chǎn)工藝的特點(diǎn)，橫向拉伸機(jī)（TD0）除了與整條生產(chǎn)線要保持速度鏈關(guān)系外，其本身左右鏈條的兩臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)還要保持速度同步和機(jī)械動(dòng)態(tài)負(fù)載平衡的關(guān)系，否則將會(huì)出現(xiàn)因兩臺(tái)電機(jī)速度不同步，而造成兩臺(tái)電機(jī)承受的機(jī)械負(fù)載不平衡，出現(xiàn)一臺(tái)電機(jī)電流過(guò)大，而另一臺(tái)電機(jī)電流過(guò)小的情況。嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成變頻器因電流過(guò)大而頻繁出現(xiàn)過(guò)載保護(hù)現(xiàn)象，使得控制系統(tǒng)無(wú)法正常工作，這對(duì)控制系統(tǒng)和電機(jī)以及機(jī)械設(shè)備都是極為有害的。因此要求橫向拉伸機(jī)（TDO）的速度控制系統(tǒng)要有極高的穩(wěn)速精度和動(dòng)態(tài)相應(yīng)品質(zhì)，確保機(jī)械負(fù)載的動(dòng)態(tài)平衡。
2 橫向拉伸機(jī)（TDO）控制系統(tǒng)組成和工作原理
2．1 變頻器的選擇
采用一般的通用變頻器給異步電動(dòng)機(jī)供電時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速。但是，調(diào)速時(shí)有靜差，精度不高，調(diào)速范圍在hl0左右，而且不能像直流調(diào)速系統(tǒng)那樣提供很高的動(dòng)態(tài)性能。所以，一般v／F控制模式的變頻器不論是靜態(tài)的穩(wěn)速精度還是動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，都無(wú)法滿足薄膜生產(chǎn)工藝的要求。而矢量控制變頻器的特點(diǎn)是：采用由轉(zhuǎn)子磁鏈決定d一軸方向的dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，把異步電機(jī)的定子電流分解為其勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量，得到類似于直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩模型，再采取措施把非線性系統(tǒng)變換成兩個(gè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子磁鏈的子系統(tǒng)，從而模仿直流電機(jī)分別用PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制。所以，矢量控制變頻器有像直流調(diào)速系統(tǒng)那樣優(yōu)異的調(diào)速精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度以及很寬的調(diào)速范圍（hl00）和完備的轉(zhuǎn)矩控制功能，完全能滿足薄膜生產(chǎn)工藝要求。所以在該控制系統(tǒng)中選擇西門子6SE70系列矢量控制變頻器作為電機(jī)的速度控制調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)矩控制調(diào)節(jié)器。
2。2 雙電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)同一負(fù)載的基本要求
兩臺(tái)矢量控制變頻器驅(qū)動(dòng)2臺(tái)電機(jī)拖動(dòng)同一個(gè)機(jī)械負(fù)載的基本要求是：
（1）兩臺(tái)變頻器必須保持嚴(yán)格的同步運(yùn)行關(guān)系；
（2）兩臺(tái)變頻器之間實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)負(fù)載的自動(dòng)平衡分配。
2．3 三種基本的控制方案
下面介紹的三種基本控制方案可以滿足上述的基本要求。
（1）轉(zhuǎn)矩跟蹤控制方案1將兩臺(tái)矢量控制變頻器的其中l(wèi)臺(tái)作為主動(dòng)裝置，另1臺(tái)作為從動(dòng)裝置，主從兩裝置之間用串行方式連接成主從控制方式；在主動(dòng)裝置上加裝一塊SCB2接口板，在從動(dòng)裝置上加裝一塊13oo工藝板（如圖2）。
生產(chǎn)線速度鏈的調(diào)速信號(hào)送至主動(dòng)裝置，再經(jīng)SCB2接口板分配到從動(dòng)裝置的T300工藝板上，應(yīng)用T30o工藝板的多電機(jī)傳動(dòng)控制功能通過(guò)轉(zhuǎn)矩限制的軟特性和補(bǔ)償進(jìn)行負(fù)載平衡調(diào)節(jié)，使兩臺(tái)變頻器之間實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)負(fù)載的自動(dòng)平衡分配。該方法的缺點(diǎn)是要增加一塊SCB2接口板和一塊．I．3oo工藝板。
（2）轉(zhuǎn)矩跟蹤控制方案2同樣將兩臺(tái)矢量控制變頻器連接成主從控制方式（如圖3）。
生產(chǎn)線速度鏈的調(diào)速信號(hào)送至主動(dòng)裝置，而主動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)矩輸出信號(hào)經(jīng)主動(dòng)裝置的模擬量輸出口X102．21．22端子送至從動(dòng)裝置的模擬量輸入口X102．17．18端子，作為從動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)矩給定信號(hào)，并將主動(dòng)裝置設(shè)置成編碼器反饋的速度閉環(huán)控制模式，而從動(dòng)裝置設(shè)置成帶編碼器反饋的直接轉(zhuǎn)矩控制模式，這樣從動(dòng)裝置輸出的轉(zhuǎn)矩值就緊緊跟隨主動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)矩值，確保主從裝置的同步運(yùn)行以及動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)負(fù)載的自動(dòng)平衡分配。
（3）轉(zhuǎn)矩跟蹤控制方案3同樣將兩臺(tái)矢量控制變頻器連接成主從控制方式（如圖4）。
生產(chǎn)線速度鏈的調(diào)速信號(hào)經(jīng)PROFIBUS總線送至主、從控制裝置，再將主動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)矩輸出信號(hào)經(jīng)主動(dòng)裝置的模擬量輸出口X102．21．22送至從動(dòng)裝置的模擬量輸入口X102．17．18端子，作為從動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)矩限幅信號(hào)；實(shí)際應(yīng)用時(shí)，先人為將從動(dòng)裝置的速度給點(diǎn)值設(shè)成約大于主動(dòng)裝置的速度給點(diǎn)值，使從動(dòng)裝置實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)速度約大于主動(dòng)裝置的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)速度；如果沒(méi)有將主動(dòng)裝置輸出的轉(zhuǎn)矩限幅信號(hào)送至從動(dòng)裝置的模擬量輸人口，作為從動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)矩限幅給定信號(hào)，那么，從動(dòng)裝置的實(shí)際轉(zhuǎn)速則大于主動(dòng)裝置的實(shí)際轉(zhuǎn)速，所以從動(dòng)裝置的實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩也將大于主動(dòng)裝置的實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩；但從動(dòng)裝置因受主動(dòng)裝置轉(zhuǎn)矩限幅信號(hào)的制約，而始終與主動(dòng)裝置的負(fù)載轉(zhuǎn)矩保持動(dòng)靜態(tài)的自動(dòng)平衡分配。
3 結(jié)論
根據(jù)雙向拉伸薄膜橫向拉伸機(jī)（TI）o）設(shè)備中兩臺(tái)電機(jī)同步拖動(dòng)同一負(fù)載的實(shí)際情況及薄膜的生產(chǎn)工藝要求，提出了采用兩臺(tái)矢量控制變頻器分別驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩跟蹤控制方案，其中方案二已經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)可行，方案三已在一條5．2 m雙向拉伸薄膜生產(chǎn)線的橫向拉伸機(jī)（TD0）上得到了實(shí)際應(yīng)用。經(jīng)過(guò)數(shù)年的運(yùn)行，證實(shí)該控制方案完全滿足橫向拉伸機(jī)（ TDO）的生產(chǎn)工藝要求，控制效果良好。這些方案也可應(yīng)用到冶金、起重、造紙、玻璃、裝卸等行業(yè)中，需用兩臺(tái)電機(jī)同步運(yùn)行并自動(dòng)保持負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡分配拖動(dòng)同一負(fù)載的場(chǎng)合。同時(shí)，對(duì)其他有類似的控制要求的行業(yè)，也有很好的借鑒意義和廣泛的應(yīng)用前景。
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