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1 負荷分配概述

在多機共同驅動同一個負載的系統中，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的實際轉速出現瞬時偏差的情況。

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，整個機械系統出現了“扭轉”的過渡過程，將造成兩套驅動系統輸出的轉速出現瞬時偏差，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相對位移，進而造成各個驅動系統之間的瞬時速度不一致，即：

                 ω1≠ω2       

其中，

ω1：驅動系統1的角速度；

ω2：驅動系統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缺點，適用場景也不盡相同。下面就為大家帶來詳細的介紹。

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

速度環飽和加轉矩限幅

從機直接采用轉矩控制可能出現動態過程振蕩、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和穩態過程：

動態過程
上述動態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控制，其輸出轉矩將發生變化，傳遞到從機，循環往復，此時將很容易導致系統振蕩，無法進入到穩態過程，嚴重的情況甚至會損壞設備，無法正常工作。

穩態過程
進入到穩態，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，即使給定值系統已固定的情況下系統依然無法快速進入穩定狀態，而出現系統振蕩的情況。

2.2 方案配置

根據2.1節的動態與穩態的過程分析，主從控制的目標依然是速度及轉矩的一致性，但是需要保證動態的過渡過程是收斂的，快速進入到穩定狀態。

據此提出如下的主從控制方案：主機速度調節器為PI控制+從機速度調節器為P控制，且將主機速度調節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無差控制。

對于主機來講采用速度調節器為PI控制，實現工藝（一般都是一階激勵）轉速的轉速無差控制，在動態過程中由于從機的速度調節器采用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，進而實現了從機與主機的“解耦合”，減小主從之間動態過程所產生偏差的強耦合影響，減小系統振蕩的程度。

穩態時，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，從而實現轉速一致性與負荷均勻分配的實現。

優點：

有效解決主從驅動系統的強耦合所帶來的動態過程的系統振蕩；

實現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控制，原則上不會出現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相當于開環控制，速度調節器輸出為0，顯然是無法實現圖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 參數設置 

實現從機速度調節器P控制，引入主機的積分控制量作為附件轉矩給定的參數設置方案。

1）設置速度調節器P模式+附加轉矩給定，參數設置如下：

2）設置速度調節器P模式+積分控制器強置模式，參數設置如下：

2.5 案例分析

轉爐傾動系統是典型大比例減速比齒輪嚙合的多機傳動系統。如圖6所示是一類典型傾動系統的結構示意圖。

圖6 轉爐傾動系統驅動示意圖

圖中展示了4套驅動系統通過齒輪嚙合，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會出現轉速不一致的情況。進而負荷分配不均容易出現打齒，一方面造成系統振蕩，另一方面損耗齒輪箱。