在多機共同驅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，將會造成各電機驅動系統(tǒng)的實際轉速出現(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

由剛體及阻尼體構成，在電磁轉矩與負載轉矩的作用下，整個機械系統(tǒng)出現(xiàn)了“扭轉”的過渡過程，將造成兩套驅動系統(tǒng)輸出的轉速出現(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，進而造成各個驅動系統(tǒng)之間的瞬時速度不一致，即：

ω1≠ω2

其中，

ω1：驅動系統(tǒng)1的角速度；

ω2：驅動系統(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：

• 速度控制加轉矩控制
• 速度環(huán)飽和加轉矩限幅

從機直接采用轉矩控制可能出現(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：電機電磁轉矩；

TL：電機軸端負載轉矩，包括機械負載、摩擦、風阻等；

GD^2：機械轉動慣量，包括電機及機械設備；

n：電機實際轉速；

dn/dt：電機轉速變化率；

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

接下來，分析上述應用場景下的動態(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）在從機的電磁轉矩與負載轉矩產生偏差，直接影響到從機的實際轉速，而主從實際轉速的不同，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，其輸出轉矩將發(fā)生變化，傳遞到從機，循環(huán)往復，此時將很容易導致系統(tǒng)振蕩，無法進入到穩(wěn)態(tài)過程，嚴重的情況甚至會損壞設備，無法正常工作。
• 穩(wěn)態(tài)過程
• 進入到穩(wěn)態(tài)，此時主從設備之間的相對運動趨于0，轉速基本一致，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：主機速度調節(jié)器為PI控制+從機速度調節(jié)器為P控制，且將主機速度調節(jié)器的積分控制分量傳遞給從機做轉矩補償。

圖4 主從方案配置

速度調節(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節(jié)器為PI控制，實現(xiàn)工藝（一般都是一階激勵）轉速的轉速無差控制，在動態(tài)過程中由于從機的速度調節(jié)器采用P控制，從而使從機的實際轉速與通過機械耦合的主機轉速形成速度偏差，這樣與由上述描述的應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)轉矩控制模式的飛車情況；

缺點：

• 主從控制結構的不同，需要額外控制邏輯管理主從關系等。

2.3 使用條件

對于低速大轉矩應用，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)設置

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

1）設置速度調節(jié)器P模式+附加轉矩給定，參數(shù)設置如下：

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

2.5 案例分析

轉爐傾動系統(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)的結構示意圖。

圖6 轉爐傾動系統(tǒng)驅動示意圖

圖中展示了4套驅動系統(tǒng)通過齒輪嚙合，共同驅動傾動機械及負載（爐內鋼水）。其控制目標是4臺電機轉速一致，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

這將導致4臺電機的轉速在瞬態(tài)會出現(xiàn)轉速不一致的情況。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。設備運行過程中4臺電機的輸出轉矩曲線如圖8所示。

圖8 4臺傾動電機的轉矩曲線

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)闹鲝目刂品桨傅取Ｏ旅嬖敿毥榻B不分主從的各自Droop方案。

該方案不分主設備和從設備，每臺變頻器各自激活Droop功能。Droop輸入信號源采用自身的轉矩設定值。按照預先設置好的Droop系數(shù)得到一條Droop曲線，當輸出轉矩增大時，輸出轉速隨之減小。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動的電機，此時其輸出轉矩會增大，受到Droop功能的作用，轉矩增大會導致其轉速減小，與另一臺變頻器趨于同步。而轉速低的變頻器其輸出轉矩小甚至輸出符號為負的制動轉矩，那么受到Droop功能的作用，轉矩減小會導致其轉速增大，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整自己的輸出轉速而達到動態(tài)的平衡。

優(yōu)點：

• 該方案不區(qū)分主設備和從設備，故障時無需切換主從設備，參數(shù)設置較簡單。
• 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變化。

3.2 參數(shù)設置

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，各自轉矩設定值作為Droop輸入信號源，相關參數(shù)設置如下：

3.3 案例分析

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

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，在設備運行的不同階段3個驅動輪承擔的負載轉矩并非完全一致，所以不適合用其中一臺電機的轉矩設定值作為其他兩臺電機轉矩設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)，當自身輸出轉矩較大時，自動降低輸出轉速，從而減小輸出轉矩，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。設備運行過程中3臺電機的輸出轉矩曲線如下圖所示：

圖12 3個驅動輪的轉矩曲線

4 負荷分配方案比較

最后是方案的簡單對比。