摘 要：对于收卷而言，随着卷径的逐渐增大，限转矩的值也随之增大，变频器输出的速度将随之减少，符合收卷的基本原理，同时张力也在控制之中;而对于主从控制中的从传动而言，只要将其转矩限定值跟随主传动，就能保证两者之间的同步匹配。本文将主要讨论矢量变频器的限转矩功能在收卷控制和主从控制中的应用。

关键词：变频器 收卷 主从控制 限转矩

1 前言

　　矢量控制的变频器是通过对电机磁通电流和转矩电流的解耦控制，实现了转矩的快速响应和准确控制，可以很高的控制精度进行宽范围的调速运行。

　　如图1所示为矢量控制变频器的基本工作原理，频率指令和实际速度的比较值通过一个速度调节器ASR后再进行转矩限定，最后来控制变频器的输出转矩。该控制图分为2个闭环（速度环和电流环），限转矩的作用就是用来限定速度调节器输出的转矩电流，将直接限制变频器的输出频率。设定转矩的方式一般有2种：变频器参数设定和模拟量输入设定。

　　对于收卷而言，随着卷径的逐渐增大，限转矩的值也随之增大，变频器输出的速度将随之减少，符合收卷的基本原理，同时张力也在控制之中;而对于主从控制中的从传动而言，只要将其转矩限定值跟随主传动，就能保证两者之间的同步匹配。

　　本文将主要讨论矢量变频器的限转矩功能在收卷控制和主从控制中的应用。

图1 限转矩工作简图

2 限转矩功能与中心收卷

　　在工业生产中，通常都需要进行卷取控制，以生产符合要求的卷材，如造纸行业的卷筒纸、冶金行业的带钢材、印刷行业的包装材料卷筒等。目前成熟的收卷只要是被动收卷（以高速造纸和塑料收卷居多）或是以直流调速器控制的中心收卷（以冶金行业居多），而交流变频器在中心收卷中的应用并没有象在其他行业（如风机等）那么普及，究其原因在于收卷的控制难度和复杂性。

　　经典的收卷都是采用张力闭环，它是通过张力检测装置反馈张力信号与张力的设定值构成PID闭环，然后调整变频器的输出频率命令（速度模式）或输出转矩指令（转矩模式）。此方案可以适用于高精度的张力收卷场合，但对于要求并不要求严格、又要求性价比高的收卷来说，本文提出了比较实用的矢量变频器限转矩方法，可以省去张力传感器、PID控制器，而只需要简单的变频器加PLC控制即可。

　　（1）转矩计算

　　图2为中心收卷基本示意图，采用开环的张力控制来实现收卷。在这种控制方式下，实际张力还是必须要知道的，无非它是通过变频器内部的检测和计算来获取的，从而省去张力检测装置，降低了系统的成本和难度。

　　由设定的张力和卷筒的卷径可以计算出变频器的转矩指令，其公式如下：

　　T=（F X D） / （2 X i ）

　　其中：T 为变频器的输出转矩指令;F为张力设定指令;D为卷筒的卷径;i为机械传动比。

　　在实际的使用中，卷取控制通常都需要材料张力随着卷径增大而相应降低，以防止损伤卷轴和提高产品的卷取质量，这样的控制就叫“锥度控制”。

　　张力锥度为：

　　F=F 0 X [ 1 - K （1 - D0 / D） ]

　　其中：F 为实际输出张力;F0为张力设定指令;K为张力锥度系数;D为卷筒实时卷径;D0为空心卷筒卷径。

　　综合以上二公式可以得出T是D的一次函数 T = f （ D ）

图2 中心收卷简图

　　（2）卷径测量

　　在转矩控制中已经看出，转矩是直接跟卷径有关，并且是卷径的一次函数，因此卷径的计算是比较重要的。最简单的当然是直接测量，但实际中我们都会考虑采用间接计算法，以减少成本。

　　通常计算卷径有2种方法：线速度计算和厚度积分。前者是利用线速度除以电机角速度就是卷径的相对比例，方法比较简单，但必须注意当线速度运行在低速时由于卷材的线速度和电机的运行频率都比较低，所以导致误差比较大，因此通常要采用弥补的方法（比方设定一个最低线速度下限值）。后者按卷筒的旋转圈数进行卷径累积，必须注意的是一定要准确知道厚度，在换品种时必须输入厚度系数。

　　（3）限转矩控制在电池配件锌板收卷中的应用

　　在电池配件锌板中的生产中，从铸造机中出来的热锌板，经过轧机轧制后，最后进行收卷。设计轧机为交流异步电动机55KW，收卷为7.5KW。由于目前矢量变频器已经具有低频（甚至零频）满载启动功能，如安川VS-616G5带PG矢量运行时150%启动力矩/0RPM、爱默生TD3000带PG矢量运行时200%启动力矩/0RPM，因此可以替代直流传动应用在需要卡死再启动的轧机上、或者是卷径变化大导致转速变化也大的中心收卷上。

　　具体的示意如图3所示，包括轧机变频器VF1、中心收卷变频器VF2、可编程控制器S7 200以及相应的人机界面组成。

图3 锌板收卷原理

　　本系统可以实现以下的几个功能：（1）通过人机界面设置轧机的主速度，同时可以读取轧机的线速度;（2）通过人机界面可以设定中心收卷的速度给定和转矩限定值;（3）根据轧机的线速度来计算收卷的卷径值并显示在HMI上;（4）其他必要启动连锁条件等。PLC的作用除了数据的传递（HMI和变频器人机界面）之外，最重要的是计算出卷径，然后再根据转矩和卷径的函数关系，计算出转矩限值，其中卷径计算由线速度计算法。

　　其中对收卷变频器而言，有两个模拟量：

　　速度指令——对卷取机给以比电动机速度高的速度;

　　转矩限制——由于按照上述那样速度命令，变频器将输出上限值以下的转矩，PLC将给出相当张力命令转矩值作为转矩限制值。

　　通过HMI观察卷径计算的值，再次带载测试，修正各系数，直至收卷过程张力平稳、达到要求为止。

3 限转矩功能与主从控制

　　（1）主从控制

　　在很多机械设备中，都会涉及到主从控制，如造纸机械的网部真空伏辊、驱网辊同时带一条网;压榨部真空吸移、真空压榨等复合压榨;压光上、下辊;施胶机上、下辊等都属于多电动机传动中的主从控制。主从控制与速度控制不同，其特点为：传动系统由几个传动单元共同驱动，其电动机轴相互耦合。根据电动机轴耦合方式的不同，主从方式分为两种，一种为刚性耦合，另外一种为柔性耦合。

　　所谓刚性耦合，即几个不同的电动机轴之间通过万向节、传动辊、齿轮带等硬连接方式进行耦合。在这种情况下，只要其中一个传动进行运动，另外一个或几个传动也将被动运行。而柔性耦合，即几个不同的电动机轴之间通过网毯、皮带等软连接方式进行耦合。在这种情况下，只要其中一个传动进行运动，另外一个或几个传动也将被拖动，但也有可能打滑。

　　主从控制的传动只有电动机速度同步并不能满足实际系统的工作要求，实际系统还要求各传动点电动机负载率相同，否则会出现某台电动机出力大，某台电动机出力小的情况，即要求有负荷分配控制。

　　在变频多电动机传动控制过程中各分部电动机的负载率相同，即δ=P/Pa相同（P为电动机所承担的负载功率，Pa为电动机额定功率）。

　　（2）限转矩实现主从传动的负荷分配功能

　　这种方法是通过让从传动的速度不比主传动的慢，可以稍微快一点点，然后给辅传动加上转矩限幅使得主辅传动的转矩基本保持平衡，以达到负荷分配的目的。变频多传动控制系统的负荷分配要求速度稳定，分配平衡。很多连续生产线负载多变，传动情况复杂，所以要求负荷分配快速稳定无振荡，能够随时适应负载变化。 图4所示为转矩限幅控制的负荷分配原理。

图4 限转矩控制的负荷分配

　　（3）限转矩在造纸压光机主从控制中的应用

　　造纸压光机分软压光机和硬压光机，它具有加热功能的弹性压区的压光机，是由硬辊及有弹性辊面材料的软辊来形成的。造纸压光机的作用在辊间的线压大，能提高纸的紧度，能进行其他设备所达不到的整饰作用，如图5所示。当纸幅通过压光机的时候，上辊和下辊将处于啮合状态，也就是处于同步状态。如果两者不同步，将会造成纸幅断裂或者压溃。

图5 造纸压光机

　　负荷分配是造纸压光机传动电机的核心控制原理，其示意图见图6。M1为主传动，采用双闭环速度/转矩矢量控制方式。速度环为V速度给定和PG编码器返回的实际速度的控制回路。M2的转矩限定值可在PLC系统设置。在负荷分配中，M2从传动能始终跟随M1主传动而保持同步。

图6 造纸压光机的限转矩控制

4 结束语

　　限转矩的作用发挥好坏，很大一部分取决于变频器的调试，尤其是电机参数自辨识。由于矢量控制是着眼于转子磁通来控制电机的定子电流，因此在其内部的算法中大量涉及到电机参数。从图7的异步电动机的T型等效电路表示中可以看出，电机除了常规的参数如电机极数、额定功率、额定电流外，还有R1（定子电阻）、X11（定子漏感抗）、R2（转子电阻）、X21（转子漏感抗）、Xm（互感抗）和I0（空载电流）。

图7 异步电动机稳态等效电路

　　参数辨识中分电机静止辨识和旋转辨识2种，其中在静止辨识中，变频器能自动测量并计算顶子和转子电阻以及相对于基本频率的漏感抗，并同时将测量的参数写入;在旋转辨识中，变频器自动测量电机的互感抗和空载电流。

　　在参数辨识中，必须注意：（1）若旋转辨识中出现过流或过压故障，可适当增减加减速时间;（2）旋转辨识只能在空载中进行;（3）如辨识前必须首先正确输入电机铭牌的参数。

　　通过限转矩的使用，在变频收卷和压光机的主从控制中都相当成功地得到应用。限转矩的作用是基于矢量变频器优秀的控制功能上，能够满足相当工业领域的收卷要求和主从控制，为降低系统成本、减少维护费用提供了一个很好的控制平台。