多单元同步联动的变频控制系统优化方案

在造纸、纺织、印染、轧钢等机械中，整台机器具有若干个单元，每个单元都有各自独立的拖动系统，在整个运行过程中，要求各单元的运行速度保持一定的协调关系。

1.系统主控方案

根据生产工艺的要求不同，同步联动控制必须要有较大的相应调速范围，主机与各从动单元的副机能根据主控指令在较大的范围内进行同步调速，主控方案的设计如图7.2 所示。

各单元变频器均采用外接给定方式，将所有控制单元变频器的外接电压给定电路并联，由同一个可调直流电源提供公共给定信号Xg，使各控制单元电动机的转速同步升降。

变频器的主要参数设置：

外部控制操作模式，Pr.79=2；

由于生产机械是单向传动，故主控电源是单极性的，Pr.78=1 （不可反转）；

电源电压0～10 V，Pr.73=1。

2.同步转速统调控制

为了满足生产工艺的需要，常要求电动机能在较大的范围内调速，所以变频器的控制目标信号（给定信号）Xg是可调的。采用PID 闭环控制，使控制系统的被控量在各种情况下迅速而准确地无限接近控制目标，PID 调节的根本依据是反馈量与目标值之间进行比较的结果。所以实际信号（反馈信号）Xf必须随着目标信号的变化而变化（动态跟踪），只有当实际信号无限接近目标信号时，系统才会处于稳定状态。目标信号（给定信号）Xg=0～10 V，对应目标转速0 （0％）～nmax（100％），由变频器2 端输入； 实际信号（反馈信号）Xf=4～20 mA，由变频器4 端输入，对应目标转速0（0％）～nmax（100％）。

图7.2　同步联动主控电路框图

目标信号频率给定线设置方法如下：

（1）在端子2-5 间输入电压0 V 时（0％），各单元对应频率统一设定为0，可通过参数Pr.902 输入，此时输入的频率（0）将作为给定0％时变频器的输出频率。

（2）在端子2-5 间输入电压10 V 时（100％），设定对应频率为（fmax），可通过参数Pr.903 输入，此时输入的（fmax）将作为给定100％时变频器的输出频率。

由于各传动单元的机械结构不同，所以在设置各变频器的频率给定线时，fmax可能是不一样的，在同样给定信号时必须保持同步关系，被加工物在各单元的线速度应保持一致。

用同样方法设置反馈信号的频率给定线：

（1）在端子4-5 间输入电流4 mA （0％）时，各单元对应频率统一设定为0，可通过参数Pr.904 输入。

（2）在端子4-5 间输入电流20 mA （100％）时，各单元对应频率为相互协调的最高频率（fmax），可通过参数Pr.905 设定。

Pr.904 和Pr.905 所设定的偏置频率和频率增益与Pr.902 和Pr.903 所设定的一致。

3.PID 闭环调节电路

主机是主令单元，不需要进行微调。各从动单元变频器的工作频率（从动电动机的转速）除了接受主给定信号的统一控制外（动态跟踪），还将接受反馈信号控制。有些简单的控制场合可采用检测信号在数据处理器中进行比较后变换成模拟信号，接至各从动单元的辅助给定输入端，通过功能预置使主给定信号与辅助给定信号相叠加的控制方式。对于动态控制性能较高的场合，可采用PID 闭环调节，所以必须选用带有PID 控制功能的变频器。

1）对于张力型生产机械的控制方案

被加工物若有足够大的张力，可在前后两单元之间加入一根滑棍，滑棍可带动无触点电位器RP上下滑动，如图7.3 所示。

图7.3　张力型检测反馈电路(www.xing528.com)

设无触点电位器RP的阻值为1 000 Ω，通过调节弹簧拉力，使正常张力与RP的中间位置相对应，此时阻值约为500 Ω，变频器端4 的输入阻抗为250 Ω，则反馈信号Xf=4～20 mA，对应电压Uf=3～15 V。也就是说，给定信号Xg=0 时，对应反馈电压Uf=3 V； 给定信号Xg=10 V 时，对应反馈电压Uf=15 V。

实际应用中由于有误差，首先应确保在正常张力情况下，Xf=4～20 mA 与Xg=0～10 V相对应，Uf大小以调试为准。

当前后机转速完全同步时，张力正常，无触点电位器RP的阻值为中间值500 Ω，IPF 端输入阻抗为250 Ω，所以当Xg=0 时，Uf=3 V、Xf=4 mA； 当Xg=10 V 时，Uf=15 V、Xf=20 mA，反馈值等于设定目标值，系统处于稳定运行状态。若由于某种原因造成后机的转速大于前机同步转速，则张力增大，滑棍带动无触点电位器RP上移，无触点电位器RP的阻值将小于500 Ω，而设定目标值Xg和Uf不变，所以实际反馈值Xf将大于设定目标值Xg，通过变频器内置的PID 调节作用，使后机变频器的输出频率减小，直至后机的转速无限接近同步转速。

反之，若后机转速小于同步转速时，张力减小，滑棍在弹簧拉力作用下，带动无触点电位器RP下移，电阻增大，反馈电流减小，通过PID 闭环调节作用，变频器的输出频率增大，使后机转速上升，直到张力达到正常设定值，也就是前后单元转速达到完全同步。

2）对于非张力型或张力较小生产机械的控制方案

利用增量式光电编码器来检测主（前）机与从（后）机的转速，经过脉冲信号处理、加减计数器、译码器、数模转换及比例放大，产生一个负反馈信号Xf，再与目标信号Xg相比较，构成PID 闭环调节控制，如图7.4 所示。

光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成的，它可以直接将角位移信号转换为电脉冲信号。光栅盘套在电动机转轴上，在光栅盘上等分地开有若干个长方形孔。电动机旋转时，光栅盘随电动机同步旋转，经发光二极管、光敏元件等组成的检测装置检测，输出若干脉冲信号，光电编码器每秒输出脉冲的个数反映了当前电动机的转速。经过各自的倍频电路（或分频）使两脉冲信号协调。也就是说，当前后两单元的转速完全同步时，在单位时间内，CKu的脉冲数与CKd的脉冲数是相等的。

图7.4　非张力型检测反馈电路

将CKu与CKd两路脉冲分别输入双路脉冲可逆计数器进行比较，每输入一个CKu脉冲，可逆计数器进行加法计数； 每输入一个CKd脉冲，可逆计数器则进行减法计数，若前后机的转速完全同步，则可逆计数器的输出为某一设定常数，数模转换电路输出为基本偏置电压，反馈信号Xf完全跟踪于主控信号Xg，即Xg=0～10 V，对应于Xf=4～20 mA。

若从机（后机）转速偏快，则CKu脉冲数增多，可逆计数器的输出增大，数模转换电路输出增大，反馈值Xf将大于设定目标值Xg，通过变频器内置的PID 调节作用，使后机变频器的输出频率减小，电动机的转速随之减慢。

反之，若从机（后机）转速小于主机（前机）的转速，则CKd脉冲数多于CKu的脉冲数，可逆计数器的输出减小，反馈信号Xf减小，使得从机变频器的输出频率上升，经过调节可消除转速的同步误差。

4.其他参数设置

1）启动过程

启动时，将变频器端14 触点S 断开，此时PID 调节不起作用，系统根据设定的启动时间常数进行启动，启动时间常数可根据生产机械的具体要求设定。待启动后再将变频器端14 触点S 闭合，PID 调节器开始发挥作用。

2）PID 调节

三菱FR—E700 变频器的PID 控制功能是通过参数Pr.128-Pr.134 设置的。

如果系统响应慢，就应放大比例带，反之，减小比例带，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，略有超调，若系统无稳态误差或稳态误差在允许范围内，并且认为响应曲线已满意，此时的比例系数Kp也就是最佳的。

若在比例调节的基础上，系统稳态误差太大，则必须加入积分环节，增大积分时间常数Ti，有利于减小超调，提高系统稳定性，但系统误差的消除将随之变慢。

若使用PI 调节器消除了稳态误差，但经反复调整后，对系统动态响应仍不满意，则可以加大微分环节，构成PID 调节器。增大微分时间常数Td可以加快系统的响应、使超调量减小，提高系统的稳定性，但系统稳态误差的消除将随之变慢。

3）制动过程

对于惯性较大的生产机械，可在端子“+”与PR 间接入专用制动电阻器。通过在电动机上施加直流制动，使停止过程适合生产机械的要求。利用设定停止时的直流制动电压（Pr.12）、动作时间（Pr.11）和制动开始频率（Pr.10）来调整停止时间。

4）上、下限频率与回避频率

上、下限频率与回避频率的设置是必需的，其大小要根据生产机械的具体情况确定。