两个(或多个)电机如何同步的问题

两个（或多个）电机如何同步的问题，包括要求转速或转角完全同步，另外，如果要求两个电机输出的线 速度同步，而机械系统存在误差时，两个电机如何同步的问题。 # 以前做项目时涉及过这个问题，当时考虑的两种方法： 1、第一个主动电机使用速度（或位置）控制方式，由 PLC 或运动控制器输出模拟量控制其转速，其伺服 驱动器将电机编码器的脉冲输出，并连接到从动电机驱动器的脉冲输入口中，这样，从动电机的转动角度 由主动电机编码器的输出脉冲给定，其转速也由主动电机编码器的脉冲频率确定，使两者的转速和转动角 度一致。 2、主动电机的控制方式同上，但是将第一个电机的转矩输出（通过总线或模拟量），并输入到从动电机 驱动器中，从动电机使用转矩控制方式，其转矩与第一个电机的输出转矩一致。通过主动电机和从动电机 负载之间的物理约束，使得两者的转速和转角同步。使用该方式时可以避免受到两个电机传动系统机械误 差的影响。 根据我们的使用条件，电机启动时设置 34 秒的加减速时间到达工作转速，我们用的是第二种同步方式， 效果不错。 # 在传统的传动系统中，要保证多个执行元件间速度的一定关系，其中包括保证其间的速度同步或具有一定 的速比，常采用机械传动刚性联接装置来实现。但有时若多个执行元件间的机械传动装置较大，执行元件 间的距离较远时，就只得考虑采用独立控制的非刚性联接传动方法。下面以两个例子分别介绍利用 PLC 和变频器实现 两个电机间速度同步和保持速度间一定速比的控制方法。 1、利用 PLC 和变频器实现速度同步控制 薄膜吹塑及印刷机组的主要功能是，利用挤出吹塑的方法进行塑料薄膜的加工，然后经过凹版印刷机 实现对薄膜的印刷，印刷工艺根据要求不同可以采用单面单色、单面多色、双面单色或双面多色等方法。 在整个机组中，有多个电机的速度需要进行控制，如挤出主驱动电机、薄膜拉伸牵引电机、印刷电机以及 成品卷绕电机等。电机间的速度有一定的关系，如：挤出主电机的速度由生产量要求确定，但该速度确定 之后，根据薄膜厚度，相应的牵引速度也就确定，因此挤出速度和牵引速度之间有一确定的关系；同时， 多组印刷胶辘必须保证同步，印刷电机和牵引电机速度也必须保持同步，否则，将影响薄膜的质量、印刷 效果以及生产的连续性；卷绕电机的速度受印刷速度的限制，作相应变化，以保证经过印刷的薄膜能以恒 定的张力进行卷绕 在上述机组的传动系统中，多组印刷胶辘的同步驱动可利用刚性的机械轴联接，整个印刷胶辘的驱动由一 台电机驱动，这样就保证了它们之间的同步。印刷电机的速度必须保证与牵引电机的速度同步，否则，在 此两道工艺之间薄膜会出现过紧或过松的现象，影响印刷质量和生产的连续性。但是印刷生置与牵引装置 相距甚远，无法采用机械刚性联接的方法。为实现牵引与印刷间的同步控制，牵引电机和印刷电机各采用 变频器进行调速，再用 PLC 对两台变频器直接控制。 牵引电机和印刷电机采用变频调速，其控制框图如图 1 所示。在这个闭环控制中，以牵引辘的速度为目标， 由印刷电机变频器调节印刷辘速度来跟踪牵引辘的速度。利用旋转编码器 1 和旋转编码器 2 分别采集上述 两个电机的脉冲信号（编码器位置参见图 3） ，并送到 PLC 的高速计数口或接在 CPU 的 IR00000IR00003。以这两个速度信号数据为输入量，进行比例积分（PI）控制算法，运算结果作为输出 信号送 PLC 的模拟量模块，以控制印刷电机的变频器。这样，就可以保证印刷速度跟踪牵引速度的变化 而发生变化，使两个速度保持同步。 采用 PI 控制算法进行速度调节，程序设计框图见图 2。图中取自编码器采集的脉冲信号，转换成电 机的速度数据，经上下限处理后，存储于某个 DM 区中，以作为运算中的 y 值。计算后的 p 值，送到模拟 量输出通道，经过上下限标定后，换算成变频器能接受的电流或电压信号，以控制印刷电机的变频器。 为确保薄膜在牵引和印刷两道工序间保持恒定的张力，在这两个装置之间增加一组浮动辘调节装置， 其结构如图 3 所示。 上面的浮动辘调节装置，也用于减少因电源系统波动等因素引起的外来干扰。但波动引起的速度差别， 经过一段时间后，会使两个浮动辘位置升得太高或降得太低。因此在设计 PI 控制算法时，考虑了这些干 扰因素的影响，利用积分环节 I 来调节累积误差，使得牵引辘和印刷辘能进行同步控制，并且同步精度较 高，从而确保这个控制系统的稳定性。 2、利用 PLC 和变频器实现稳定速比的控制 在聚丙烯（PP）纺丝设备中，经过预拉伸的纤维需要进行热拉伸。热拉伸在两个经过加热的辘筒与 预拉伸辘之间进行，各辘筒由电机分别驱动。原有的电机调速是采用直流电机驱动，由电位器调节的。在 生产中经常出现速度波动现象，速比不能稳定，加工过程易出现“缠辘” 现象，成品纤维出现“毛丝”和“ 硬头 丝”，影响化纤成品的质量。在纺丝时，预拉伸辘的速度受 PP 原料、分子线形取向等工艺要求的变化， 应能方便地进行调节。确定了拉伸比后，热拉伸辘的速度要快速地进行眼踪和变化。采用可编程控制器 （PLC）和变频器进行控制，能较好地稳定两个热拉伸辘与预拉伸辘之间的速比。 图 4 是 PP 纺丝机中热拉伸的结构原理图。预拉伸棍和两个热拉伸辘由 3 台电机分别驱动，热拉伸两辘速 度相同，化纤无拉伸，起稳定纤维性能作用；热拉伸辑与预拉伸辗间具有一定的速比，某一个速度发生变 化时，另一个也需要根据速比同时进行相应的变化。由旋转编码器采集的脉冲信号，送 PLC 的高速计数 口或接 CPU 的 IR00000IR00003，转换成速度数据后，作为比例积分（PI）控制算法的输入参数。运算 结果作为输出参数，经 PLC 的模拟量输出模块标定后，以电流或电压形成控制各电机的调速变频器。控 制算法中，预拉伸辘速度数据 V1 乘上某个速比 u 后（速比可调） ，作为目标值，使热拉伸辑的速度数据 V2 跟踪 V1 # 两个（或多个）电机如何同步的问题，包括要求转速或转角完全同步，另外，如果要求两 个电机输出的线速度同步，而机械系统存在误差时，两个电机如何同步的问题。 1、擂主提出的命题概括起来就是速度同步和角度同步。 2、速度同步是指辊 B 跟随辊 A 的速度相同或成比例的变化。一般是指线速度同步，因为 线速度和角速度的差别只是一个比例因子（辊的半径），根据上面的理解，自然线速度同 步必然角速度也同步。 3、角度同步必有一基准位置，对于某一初始位置辊 B 跟随辊 A 的转过的角度相同或成比 例的变化。 4、基于以上理解角度同步只有步进电机或伺服电机的传动才能够做到，而速度的同步根 据动态性能要求的不同，既可以用普通交直流电机，也可以用伺服马达实现。 5、由于撇开具体的实现方式的差异，普通交直流电机，和用伺服马达在同步问题上采取 的方式是类似的。所以以下讨论除非有必要不特别指出是普通控制还是伺服控制的应用。 6、讨论同步问题指需要讨论两个同步的辊的关系就行，以下讨论辊 A 总是作为基准的那 个辊，而辊 B 速度或角度总是跟随辊 A 的。 7、机械误差的影响放到最后讨论。 辊 A 作为基准，主速度设定只可能是：模拟量给定（通过电位器和 PLC 模拟输出没有区 别）或数字量给定（如何给定不重要，可能是网络传输数据也可能不是） 。如果这个设定是 变频器或交流伺服控制（因为交流传动应用较直流传动更普遍，我们以交流传动为例）的 速度设定只能是速度的主设定通道（一般是第一通道） ，不能是附加速度设定和反馈通道！ 下面我们讨论如何能让两个辊的速度能够同时按一定关系加快和减慢的问题： 1、最简单的方式莫过于用一个电位器直接给一个模拟电压(0-10VDC 或 0- 5VDC）加在辊 A 变频器模拟输入端口。辊 B 变频器的模拟输入端口的信号由辊 A 模拟输 入电压通过一个分压电位器的中间抽头加入。这里有几个问题，首先是辊 B 变频器得模拟 输入信号总是小于或等于辊 A 变频器得模拟输入信号。那么是不是辊 B 速度就只能在小于 辊 A 的速度呢。这个不一定，可以通过改变机械传动比，或变频器的参数来解决。同样可 以做到辊 B 速度可以在辊 A 速度高、低两个方向跟随！另一个问题，由于负载变化或机械 精度问题，使得这样的同步关系，不能始终保持。特别是在要求速差一定的时候，还需要 补偿信号才能得到满意结果。 2、以 1 的电位器分配方式基础上在辊 A 和辊 B 之间增加一个浮辊带动一个电位器。当辊 B 速度较辊 A 慢时浮辊向下，电位器产生一个较大得补偿信号附加给辊 B 的速度信号，使 辊 B 速度加快。反之一个较小的速度补偿信号使辊 B 速度减慢。 我们现在讨论另外一种速度同步方式。假设辊 A 和辊 B 都由变频器驱动，辊 A 变频器得速 度设定可以是由电位器设定、PLC 模拟输出模块设定或是由网络传输设定，但是辊 B 变频 器的速度给定由辊 A 变频器得模拟输出设定。由于辊 A 变频器的模拟输出与辊 A 的速度有 确定地关系，所以辊 B 速度自然是跟随辊 A 了。其他动态性能可以通过变频器参数设定优 化。 有意思的是这种简单的思路，在 KRANTZ 预缩机上有完美的应用，主链变频器得速度是主 设定，其余变频器得速度设定是由主链变频器模拟输出传输给跟随电机的变频器，一级一 级传送出去。我原来一般只是将这种方式作为应急维修的一个方式。比如网络传输中有一 个变频器损坏，二又没有同样变频器备用，我可能用普通变频器代用，变频器速度设定就 是取自某变频器的模拟输出。没有想到德国人用这种方式同步而且做得相当不错。 如果你熟悉 LENZE9300 伺服控制变频器，那么会了解另外一种同步方式：辊 A 变频器速 度依旧是主设定，辊 B 变频器的速度可以由辊 A 变频器 X10 数字输出端口直接输入辊 B 变频器 X9 数字输入端口，实现数字方式的同步。这种方式我们不妨称为数字频率直接同 步（因为实际是频率信号）。 我接触的 LENZE9300 伺服控制变频器得速度同步都是采用这种同步。这种同步在角度同 步时应该也是有效的（因为我接触实际伺服控制不多，在这点留给熟悉角度同步的同行做 补充，我只是考虑原理上应该可行）。 我们现在来讨论一种很特殊的同步方式：西门子 6ES70 系列变频器 T100 工艺版支持一种 不太好理解但是十分好用的同步方式-PP-BUS 总线同步方式！ 在染整行业的 KRANTZ K30 定型机上采用的同步方式就是这种方式。 PP-BUS 实际是一种 485 通讯，不是真正意义上的现场总线，也不用组态。起先由于没有 详细的资料，只知道 PP-BUS 是控制传动同步的，有一种神秘感，到底传输得是什么？云 里雾里。直到由于维修的意外，主链变频器 T100 工艺板参数全部清零，造成整个设备不 能运行。才来仔细研究 T100 工艺板的用法。这时才发现 T100 在设备得主要用途就是利 用了其 PP-BUS 串行通讯端口来同步。由于西门子采用 BICO 技术，这个串行通讯端口竟 然可以直接赋值。左链变频器将变频器速度信号直接送到 PP-BUS 得发送端，而右链变频 器通过 T100 的 PP-BUS 的接收端口将左链变频器的速度指令直接送到右链变频器的速度 设定存储单元。这和利用模拟输出来发送上一级变频器的速度指令是很类似。不通得是 PP-BUS 是完全数字量传输，并且在赋值是可以对速度变量进行运算。另外它除了传递速 度指令，还可以传送如速差等共计五个变量。 这里面同样有一个问题，左右链必须严格同步！它是通过同步板来校正跟踪。同步板的输 入是左右链电机编码器信号，当两者有差异产生两个校正模拟量，输入到左右链变频器的 第二模拟输入通道。对于负载载荷和机械问题引起的差异也能进行校正！（注意：自动控 制系统能够校正的系统本身是能够正常工作的。向机械卡死这样的问题，并不能自动修复！ ） （如果用西门子的 S120 伺服系统的话可以更方便的实现，不需要通过总线，使用 CU320 多轴控制器可 以控制 34 个伺服轴，并且其内部通过 BICO 技术交换数据，可以比较方便的实现同步，我们就是用 CU320 将主电机的输出转矩直接赋予从电机的转矩控制信号。 ） 以上我們提到的幾種同步方式都是硬件實現的同步，特點是同步關系由物理連接決定。如 果一條傳輸鏈有 50 個電機，假設都由變頻器驅動。上面的同步方式可能會有問題。從控 制性能講，電位器電壓分配是不可行的。模擬量輸出級聯在系統調試時會產生極大的困難。 LENZE 數字頻率級聯驅動和西門子 PP-BUS 同步方式在性能上沒有問題但是成本上會十 分昂貴！所以硬件同步方式，還需要有另外的同步方式來替代和補充。根據具體的工藝和 控制要求來選擇同步方式！ 傳動鏈的同步傳動還有另外一種方式:總線數據同步，各個變頻器的速度設定值通過現場總 線傳輸各自的站點，各速度之間是相關的線性關系，即可以實現所有速度的同步加減。 這種同步關系，從外部連線是看不出同步關系。因為它的同步關系和總線的連接次序無關！ 它的同步關系是由軟件編程實現的。我們不妨稱之軟同步！ 鏈傳動同步解決方案舉例： 1、電位器電壓分壓方案。主牽引電機變頻器速度計由電位給定，從動電機變頻器速度由 主牽引電機變頻器速度電壓經電位器分壓給定。如染整設備查布機。包裝設備復卷機。當 然有時需要張力調節信號作為補償，以滿足工藝要求。 2、主牽引電機變頻器速度設定由電位器或 PLC 給定，從傳動電機變頻器電壓由主牽引電 機變頻器的模擬輸出給定。例如 KRANTZ 預縮機。 3、LENZE9300SERVO 伺服變頻器，主牽引電機變頻器速度給定，可以由電位器、 PLC、現場總線給定，從傳動電機變頻器速度由主牽引電機變頻器 X10 數字頻率輸出端口 連接從動電機變頻器的數字頻率輸入端口 x9. 4、西門子 6ES70 系列可以增加 T100 工藝板，採用 PP-BUS 通訊同步。 5、利用現場總線，傳輸速度指令的同步方式。 這一些方式不限於變頻器應用。對於其它的控制功率單元也適用。比如說 2 摟“第一个主动 电机使用速度（或位置）控制方式，由 PLC 或运动控制器输出模拟量控制其转速，其伺服 驱动器将电机编码器的脉冲输出，并连接到从动电机驱动器的脉冲输入口中，这样，从动 电机的转动角度由主动电机编码器的输出脉冲给定，其转速也由主动电机编码器的脉冲频 率确定，使两者的转速和转动角度一致。”類似 LENZE9300SERVO 方式。而“ 主动电机的 控制方式同上，但是将第一个电机的转矩输出（通过总线或模拟量），并输入到从动电机 驱