在多機共同驅(qū)動同一個負載的系統(tǒng)中，由于機械連接的材料及方式，實際負載的不均勻分布等原因，將會造成各電機驅(qū)動系統(tǒng)的實際轉(zhuǎn)速出現(xiàn)瞬時偏差的情況。

1. 1常見的場景

• 齒輪箱嚙合連接

圖1 齒嚙合連接

由于加工、安裝、老化磨損等導(dǎo)致齒隙，進而從動齒與主動齒的速度不一致，即：

Vdriven≠Vdriving

其中，

Vdriven：從動齒輪線速度；

Vdriving：主動齒輪線速度；

• 長軸機械耦合連接

圖2 長軸機械耦合連接

由剛體及阻尼體構(gòu)成，在電磁轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩的作用下，整個機械系統(tǒng)出現(xiàn)了“扭轉(zhuǎn)”的過渡過程，將造成兩套驅(qū)動系統(tǒng)輸出的轉(zhuǎn)速出現(xiàn)瞬時偏差，即：

• 彈性耦合連接

圖3 彈性耦合連接

負載(包括摩擦，機械負載等)與電磁轉(zhuǎn)矩的偏差造成多機傳動之間的耦合連接出現(xiàn)相對位移，進而造成各個驅(qū)動系統(tǒng)之間的瞬時速度不一致，即：

ω1≠ω2

其中，

ω1：驅(qū)動系統(tǒng)1的角速度；

ω2：驅(qū)動系統(tǒng)2的角速度；

1.2 負荷分配控制方案

負荷分配要求變頻器運行于矢量控制模式，帶電機編碼器或不帶編碼器均可。負荷分配的控制方案主要包括：

• 主從控制
• Droop控制

不同的控制方案各有優(yōu)缺點，適用場景也不盡相同。下面就為大家?guī)碓敿毜慕榻B。

2 主從控制

主從控制包括下述多種方案：

• 速度控制加轉(zhuǎn)矩控制
• 速度環(huán)飽和加轉(zhuǎn)矩限幅

從機直接采用轉(zhuǎn)矩控制可能出現(xiàn)動態(tài)過程振蕩、連接斷開時飛車等情況，下面主要介紹一種改進的轉(zhuǎn)矩控制方案。

2.1 過程分析

首先，從電機運動方程來分析：

Te=TL+GD^2 dn/dt （2-1）

其中：

Te：電機電磁轉(zhuǎn)矩；

TL：電機軸端負載轉(zhuǎn)矩，包括機械負載、摩擦、風(fēng)阻等；

GD^2：機械轉(zhuǎn)動慣量，包括電機及機械設(shè)備；

n：電機實際轉(zhuǎn)速；

dn/dt：電機轉(zhuǎn)速變化率；

從這個方程來看，在機械系統(tǒng)一定的情況下，電機轉(zhuǎn)速的變化決定于電機輸出的電磁轉(zhuǎn)矩及其軸端的負載轉(zhuǎn)矩。

接下來，分析上述應(yīng)用場景下的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)過程：

• 動態(tài)過程
• 上述動態(tài)過程由于多種因素首先造成電機實際轉(zhuǎn)速不一致，而這將進一步造成電機軸端負載分配不均勻。若采用的主從控制方式：主機速度控制+從機力矩控制方式，即從機力矩取自主機，而主機軸端與從機軸端負載不一致，根據(jù)公式（2-1）在從機的電磁轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生偏差，直接影響到從機的實際轉(zhuǎn)速，而主從實際轉(zhuǎn)速的不同，由于機械之間的耦合，將會影響到主機軸端的負載情況，由于主機采用速度閉環(huán)控制，其輸出轉(zhuǎn)矩將發(fā)生變化，傳遞到從機，循環(huán)往復(fù)，此時將很容易導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩，無法進入到穩(wěn)態(tài)過程，嚴重的情況甚至?xí)p壞設(shè)備，無法正常工作。
• 穩(wěn)態(tài)過程
• 進入到穩(wěn)態(tài)，此時主從設(shè)備之間的相對運動趨于0，轉(zhuǎn)速基本一致，進而負荷分配也趨于一致。

通過上述分析，即使給定值系統(tǒng)已固定的情況下系統(tǒng)依然無法快速進入穩(wěn)定狀態(tài)，而出現(xiàn)系統(tǒng)振蕩的情況。

2.2 方案配置

根據(jù)2.1節(jié)的動態(tài)與穩(wěn)態(tài)的過程分析，主從控制的目標依然是速度及轉(zhuǎn)矩的一致性，但是需要保證動態(tài)的過渡過程是收斂的，快速進入到穩(wěn)定狀態(tài)。

據(jù)此提出如下的主從控制方案：主機速度調(diào)節(jié)器為PI控制+從機速度調(diào)節(jié)器為P控制，且將主機速度調(diào)節(jié)器的積分控制分量傳遞給從機做轉(zhuǎn)矩補償。

圖4 主從方案配置

速度調(diào)節(jié)器PI的控制特點：

• 比例控制P輸出控制量的大小決定于偏差量，即Kp??n(TN)，或者說P控制是一類有差控制；
• 積分控制I輸出控制量是偏差量的累積，KI?∑(i=1,N)?n(Ti)，對于一階激勵來講是可實現(xiàn)無差控制。

對于主機來講采用速度調(diào)節(jié)器為PI控制，實現(xiàn)工藝（一般都是一階激勵）轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速無差控制，在動態(tài)過程中由于從機的速度調(diào)節(jié)器采用P控制，從而使從機的實際轉(zhuǎn)速與通過機械耦合的主機轉(zhuǎn)速形成速度偏差，這樣與由上述描述的應(yīng)用場景所造成的偏差趨勢是一致的，進而實現(xiàn)了從機與主機的“解耦合”，減小主從之間動態(tài)過程所產(chǎn)生偏差的強耦合影響，減小系統(tǒng)振蕩的程度。

穩(wěn)態(tài)時，由于?n→0，那么完全決定于積分控制量。由于主從采用一致的積分控制，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)速一致性與負荷均勻分配的實現(xiàn)。

優(yōu)點：

• 有效解決主從驅(qū)動系統(tǒng)的強耦合所帶來的動態(tài)過程的系統(tǒng)振蕩；
• 實現(xiàn)轉(zhuǎn)速一致與負荷均勻分配的控制目標；
• 由于都采用速度閉環(huán)控制，原則上不會出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制模式的飛車情況；

缺點：

• 主從控制結(jié)構(gòu)的不同，需要額外控制邏輯管理主從關(guān)系等。

2.3 使用條件

對于低速大轉(zhuǎn)矩應(yīng)用，控制精度要求較高的情況，推薦采用帶編碼器的矢量控制。原因在于矢量控制的模型切換，較低轉(zhuǎn)速運行時，若無編碼器運行時系統(tǒng)相當于開環(huán)控制，速度調(diào)節(jié)器輸出為0，顯然是無法實現(xiàn)圖4的主從控制方案。

圖5 低速下無編碼器矢量控制的輸出特性

2.4 參數(shù)設(shè)置

實現(xiàn)從機速度調(diào)節(jié)器P控制，引入主機的積分控制量作為附件轉(zhuǎn)矩給定的參數(shù)設(shè)置方案。

1）設(shè)置速度調(diào)節(jié)器P模式+附加轉(zhuǎn)矩給定，參數(shù)設(shè)置如下：

2）設(shè)置速度調(diào)節(jié)器P模式+積分控制器強置模式，參數(shù)設(shè)置如下：

2.5 案例分析

轉(zhuǎn)爐傾動系統(tǒng)是典型大比例減速比齒輪嚙合的多機傳動系統(tǒng)。如圖6所示是一類典型傾動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6 轉(zhuǎn)爐傾動系統(tǒng)驅(qū)動示意圖

圖中展示了4套驅(qū)動系統(tǒng)通過齒輪嚙合，共同驅(qū)動傾動機械及負載（爐內(nèi)鋼水）。其控制目標是4臺電機轉(zhuǎn)速一致，負荷均勻分布。但是，由于齒輪嚙合方式帶來的問題是齒隙，如圖7所示。

圖7 齒輪嚙合帶來的齒隙

這將導(dǎo)致4臺電機的轉(zhuǎn)速在瞬態(tài)會出現(xiàn)轉(zhuǎn)速不一致的情況。進而負荷分配不均容易出現(xiàn)打齒，一方面造成系統(tǒng)振蕩，另一方面損耗齒輪箱。

按圖4給出的主從配置方案能夠有效解決上述問題，實現(xiàn)傾動系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行。設(shè)備運行過程中4臺電機的輸出轉(zhuǎn)矩曲線如圖8所示。

圖8 4臺傾動電機的轉(zhuǎn)矩曲線

3 Droop控制

3.1 方案配置

Droop控制方案即利用變頻器的Droop（軟化/下垂）功能實現(xiàn)負荷分配的方案。Droop方案包括不分主從的各自Droop方案和Droop加補償?shù)闹鲝目刂品桨傅?。下面詳細介紹不分主從的各自Droop方案。

該方案不分主設(shè)備和從設(shè)備，每臺變頻器各自激活Droop功能。Droop輸入信號源采用自身的轉(zhuǎn)矩設(shè)定值。按照預(yù)先設(shè)置好的Droop系數(shù)得到一條Droop曲線，當輸出轉(zhuǎn)矩增大時，輸出轉(zhuǎn)速隨之減小。Droop曲線如下圖所示：

圖9 Droop特性曲線

實際運行時，如果某臺變頻器運行速度比另一臺變頻器高，那么它會拖動另一臺變頻器驅(qū)動的電機，此時其輸出轉(zhuǎn)矩會增大，受到Droop功能的作用，轉(zhuǎn)矩增大會導(dǎo)致其轉(zhuǎn)速減小，與另一臺變頻器趨于同步。而轉(zhuǎn)速低的變頻器其輸出轉(zhuǎn)矩小甚至輸出符號為負的制動轉(zhuǎn)矩，那么受到Droop功能的作用，轉(zhuǎn)矩減小會導(dǎo)致其轉(zhuǎn)速增大，與另一臺變頻器趨于同步。多臺變頻器各自激活Droop功能時就能時刻通過調(diào)整自己的輸出轉(zhuǎn)速而達到動態(tài)的平衡。

優(yōu)點：

• 該方案不區(qū)分主設(shè)備和從設(shè)備，故障時無需切換主從設(shè)備，參數(shù)設(shè)置較簡單。
• 對于柔性連接效果較好。

缺點：

• 實際運行速度無法精確控制，根據(jù)負載工況的變化速度會在一定范圍內(nèi)變化。

3.2 參數(shù)設(shè)置

西門子變頻器Droop功能原理圖如下：

圖10 西門子變頻器Droop功能原理圖

各臺變頻器各自采用Droop的方式，各自轉(zhuǎn)矩設(shè)定值作為Droop輸入信號源，相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：

3.3 案例分析

常見的軟連接負荷分配應(yīng)用案例包括帶式輸送機。如下圖所示的帶式輸送機，采用3個驅(qū)動輪和一個張緊輪，其中頭部有兩個驅(qū)動輪，尾部有一個驅(qū)動輪。每個驅(qū)動輪各有一臺電機驅(qū)動，分別通過一臺變頻器實現(xiàn)輸送機的啟停和調(diào)速。

圖11 帶式輸送機案例

該輸送機的輸送距離長達數(shù)千米。每個驅(qū)動輪的電機均為280kW/75rpm的永磁同步電機。變頻器均采用400V/400kW的G130模塊：6SL3310-1GE37-5AA3。

3個驅(qū)動輪由于在輸送機中所處的位置不同，同時由于皮帶柔性材料具備一定的延展性，在設(shè)備運行的不同階段3個驅(qū)動輪承擔(dān)的負載轉(zhuǎn)矩并非完全一致，所以不適合用其中一臺電機的轉(zhuǎn)矩設(shè)定值作為其他兩臺電機轉(zhuǎn)矩設(shè)定值的主從控制方式。

在這個案例中，我們采用每臺變頻器各自激活Droop的方式實現(xiàn)符合分配，采用相同的Droop系數(shù)，當自身輸出轉(zhuǎn)矩較大時，自動降低輸出轉(zhuǎn)速，從而減小輸出轉(zhuǎn)矩，由此達到動態(tài)平衡。

實際測試效果能夠很好的滿足工藝要求，啟動過程中皮帶平穩(wěn)建立張力，然后進入穩(wěn)定的勻速運行。設(shè)備運行過程中3臺電機的輸出轉(zhuǎn)矩曲線如下圖所示：

圖12 3個驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)矩曲線

4 負荷分配方案比較

最后是方案的簡單對比。