1多單元協(xié)調傳動技術廣泛應用于各種造紙機、軋鋼機、紡織印染機、拉絲機、電線電纜生產線、卷尺生產線等要求各控制單元同步傳動的生產機械。

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

　　直流調速性能較好，所以高檔次的上述機械一般采用直流調速。但直流電動機結構復雜、對工作環(huán)境要求較高；直流電機碳刷易磨損、碳刷架易打火而引起電機燒壞；換向器經過長時間磨擦后，銅片會越來越薄，最后導致打火擊穿。國產換向器和碳刷，一般只能用半年多時間。直流電動機故障率高的問題，目前還沒有從根本上解決。

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

　　①可以使普通異步電動機實現(xiàn)無級調速，調速范圍大，安全可靠，可適應惡劣環(huán)境；②起動電流小，可減小電源設備的容量；③可采用軟起動，減小機械設備的沖擊力，無峰值電流；④保護功能齊全，對電機運行實行自動監(jiān)測，具有自保護，無需專人看守；⑤效率高，具有顯著的節(jié)電效果。

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

　　2系統(tǒng)主控方案

　　根據生產工藝的要求不同，多單元協(xié)調傳動必須要有較大的相應調速范圍，主機與各從動單元的副機能根據主控指令在較大的范圍內進行同步調速。主控方案的設計見1.

　　所有單元的變頻器由一個公用可調的直流電源供電，整機運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)，由同一個可調直流電源提供給定信號Xg，使各控制單元電動機的轉速同步升降。

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

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

　　3同步轉速協(xié)調

　　由于各控制單元的傳動機構不同，電動機的最高、最低轉速各不相同，所以，與最大給定信號Xgmax對應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：某生產機械各單元電動機的額定轉速為1420r／min，要求：

　　1單元（主機）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)可設置為：

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

　　n單元（從機）f max＝（2080／1420）<50＝73.2Hz f min＝（260／1420）<50＝9.2Hz可設置上限頻率Pr.1＝74Hz；下限頻率Pr.2＝9Hz為了滿足生產工藝的需要，常要求電動機能在較大的范圍內調速，所以變頻器的控制目標信號（給定信號）Xg是可調的。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確地無限接近控制目標，PID調節(jié)的根本依據是反饋量與目標值之間進行比較的結果。所以實際信號（反饋信號）Xf必須隨著目標信號的變化而變化（動態(tài)跟蹤），只有當實際信號無限接近目標信號時，系統(tǒng)才會處于穩(wěn)定狀態(tài)。目標信號（給定信號）X g＝0～10V，對應目標轉速0（0％）～n max（100％），由變頻器2端輸入；實際信號（反饋信號）X f＝4～20mA，由變頻器4端輸入，應同樣對應目標轉速0（0％）～n max（100％）。

　　目標設定值輸入校正方法如下：

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

　　2）用Pr.904校正。

　　3）在端子4～5間輸入電流20mA，使設定值的設定為100％。

　　4）用Pr.905校正。

　　Pr.904和Pr.905所設定的頻率必須與Pr.902和Pr.903所設定的一致，偏置頻率為0，頻率增益為100％。目標信號與反饋信號的對應關系見2。

　　4負反饋電路

　　各從動單元變頻器的工作頻率（從動電動機的轉速）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，進行消除靜態(tài)誤差所需的PID閉環(huán)調節(jié)，所以必須選用帶有PID控制功能的變頻器。

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

　　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，對應于電壓源3～15V。也就是說，給定信號X g＝0V時，對應反饋電壓U f＝3V；給定信號X g＝10V時，對應反饋電壓U f＝15V。電路設計見3。

　　可取偏置電壓為5V，運算放大電路中各電阻的阻值僅供參考。

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

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

　　（2）對于非張力型或張力較小生產機械的控制方案利用增量式光電編碼器來檢測主（前）機與從（后）機的轉速，經過脈沖信號處理、加減計數(shù)器、譯碼器、數(shù)模轉換及比例放大，產生一個負反饋信號Xf，再與目標信號X g相比較，構成PID閉環(huán)調節(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換為電脈沖信號。光柵盤套在電動機轉軸上，在光柵盤上等分地開有若干個長方形孔。電動機旋轉時，光柵盤隨電動機同步旋轉，經發(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)反映了當前電動機的轉速。經過各自的倍頻電路（或分頻）使兩脈沖信號協(xié)調，也就是說，當前后兩單元的轉速完全同步時，在單位時間內，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數(shù)器進行比較，每輸入一個CK u脈沖，可逆計數(shù)器進行加法計數(shù)；每輸入一個CK d脈沖，可逆計數(shù)器則進行減法計數(shù)，若前后機的轉速完全同步，則可逆計數(shù)器的輸出為某一設定常數(shù)，數(shù)模轉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，對應于X f＝（4～20）mA×250Ω＝（1～5）V。

　　若從機（后機）轉速偏快，則CK u脈沖數(shù)增多，可逆計數(shù)器的輸出增大，數(shù)模轉換電路輸出增大，反饋目標值Xf將大于設定目標值Xg，通過變頻器內置的PID調節(jié)作用，使后機變頻器的輸出頻率減小，電動機的轉速隨之減慢。

　　反之，若從機（后機）轉速慢于主機（前機）的轉速，則CK d脈沖數(shù)多于CK u的脈沖數(shù)，可逆計數(shù)器的輸出減小，反饋信號X f減小，使得從機變頻器的輸出頻率上升，經過調節(jié)可消除轉速的同步誤差。

　　5其它參數(shù)設置（1）起動過程起動時，將變頻器端14觸點S斷開，此時PID調節(jié)不起作用，系統(tǒng)根據設定的起動時間常數(shù)進行起動，起動時間常數(shù)可根據生產機械的具體要求設定。待起動后再將端14觸點S閉合，PID調節(jié)器開始發(fā)揮作用。

　?。?）PID調節(jié)三菱FR― E500變頻器的PID控制功能是通過參數(shù)Pr.128－Pr.134設置的。

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

　　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，并且認為響應曲線已滿意，此時的比例系數(shù)K p也就是最佳的。

　　若在比例調節(jié)的基礎上，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，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調節(jié)器消除了穩(wěn)態(tài)誤差，但經反復調整后，對系統(tǒng)動態(tài)響應仍不滿意，則可以加大微分環(huán)節(jié)，構成PID調節(jié)器。增大微分時間常數(shù)T d可以加快系統(tǒng)的響應、使超調量減小，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機械，可在變頻器接線端子＋與PR間接入專用制動電阻器。通過在電機上施加直流制動，使停止過程適合生產機械的要求。利用設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），來調整停止時間。

　　6結束

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