CN105529960B - 一种无刚性轴连接的双电机恒功率同步控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无刚性轴连接的双电机恒功率同步控制系统。通过两台变频器控制两台无刚性轴连接的电机，保证两台电机恒功率同步。主变频器的主机位置控制与从变频器的从机最大负载转矩断单元结合起来能够保证两台非刚性轴连接的电机实现恒功率控制，即两台电机的最大速度是根据负载最大的那台来确定，且在整个运行过程中保证两台电机输出轴位置同步。本发明可以使两台非刚性轴连接的电机实现恒功率控制，即两台电机的最大速度是根据负载最大的那台来确定，且在整个运行过程中保证两台电机输出轴位置同步，提高了系统的工作效率。

Description

一种无刚性轴连接的双电机恒功率同步控制系统
技术领域
本发明涉及一种双电机恒功率同步控制系统，具体涉及一种无刚性轴连接的双电机恒功率同步控制系统，能够使两台无刚性轴连接的电机根据负载大小动态调整最大速度，且在整个运行过程中保持两台电机位置同步。
背景技术
目前，在起重领域的提升电气控制系统中，为了提高工作效率，常常会根据提升重物的重量来设定最大速度，最简单的做法是未吊重物时允许电机以最大速度运行(例如电机额定转速的1.5倍)，吊重物时以电机的额定速度运行，这种方式无法判断提升重物占电机额定负载的比例，因此不能做到根据重量线性改变最大速度，效率较低。一种改进的方式是通过重量传感器称出当前重物的质量，与额定载荷比较后相应线性的改变最大速度，或者是通过电机数学模型的运算获得当前电机轴上的负载转矩，与电机额定转矩比较后相应线性的改变最大速度，从而进一步挖掘电机的潜力，提高工作效率，这类方式也被称为恒功率控制。但是，这种改进的方式多用于单台电机驱动负载或者两台电机刚性轴连接驱动负载的场合，单台电机直接驱动的场合不存在负载分配不均的问题，两台电机刚性轴联驱动的场合由于电机输出轴是通过机械的方式刚性连接，因此从两台电机输出轴的角度来看负载也是平均分配的，两台电机输出轴的相对位置也是完全固定的，在整个运行过程中，即使根据当前负载大小线性改变最大速度，也不会造成两台电机输出轴位置不同步的现象。
如果两台电机输出轴之间无任何机械连接，则在共同提升重物时由于重物质量分布不均匀，有可能造成一台电机输出轴上的负载大，另一台电机输出轴上的负载小的情况，此时，如果每台电机根据当前输出轴上的负载转矩与电机额定转矩比较后相应线性的改变最大速度，就会得到不同的最大速度，最终造成运行过程中两台电机输出轴位置不同步，从而无法正常使用，正是因为这个原因，通常在无刚性轴连接的两台电机共同提升重物时，无法采用恒功率控制，两台电机各自的最大速度都被简单的设定为同一数值，一般为电机的额定转速，这就使得电机的提升潜力无法得到有效挖掘，降低了提升系统的工作效率。
发明内容：
为了克服上述背景技术的缺陷，本发明提供一种无刚性轴连接的双电机恒功率同步控制系统，能够使两台电机的最大速度是根据两台电机中负载最大的那台来确定，且在整个运行过程中保证两台电机输出轴位置同步。
为了解决上述技术问题本发明的所采用的技术方案为：
一种无刚性轴连接的双电机恒功率同步控制系统，包括驱动主电机的主变频器和驱动从电机的从变频器，主变频器包括主机最大速度命令生成单元、主机速度PI调节器、主机位置控制限幅单元、主机位置控制比例单元、主机速度变位置积分模型、主机负载检测单元、从变频器包括从机最大速度命令生成单元、从机最大负载判断单元、从机负载检测单元、从机速度PI调节器、从机速度变位置积分模型：
主机最大速度命令生成单元：接收控制台发出的初始速度命令ωgvn和主机负载检测单元输出的主机负载转矩TLd_1，线性生成主机最大速度命令ωcmd1；主机最大速度命令ωcmd1与主电机的反馈速度值ωfk_1的差值经主机速度PI调节器生成主电机转矩给定值Tgvn_1；主变频器驱动主电机以主电机转矩给定值Tgvn_1转动；
从机最大速度命令生成单元：接收控制台发出的初始速度命令ωgvn和从机最大负载判断单元发出的最大负载转矩命令，线性生成从机最大速度命令ωcmd2；从机最大速度命令ωcmd2减去从电机的反馈速度值ωfk_2，所得差值经从机速度PI调节器生成从电机转矩给定值Tgvn_2；从变频器驱动从电机以从电机转矩给定值Tgvn_2转动；
从机最大负载判断单元：接收从主机负载检测单元输出的主机负载转矩TLd_1和从机负载检测单元输出的从机负载转矩TLd_2，比较主机负载转矩TLd_1和从机负载转矩TLd_2将最大值作为最大负载转矩命令输出。
较佳地，主电机转矩给定值Tgvn_1还通过以下方式生成：主机最大速度命令ωcmd1与来自主机位置控制限幅单元输出的主机速度最大命令偏置值ωcmd_offset相减，所得的差值再减去主电机的反馈速度值ωfk_1的差值经主机速度PI调节器生成主电机转矩给定值Tgvn_1。
较佳地，主机速度最大命令偏置值ωcmd_offset是主机的位置反馈信号pos_1与从机的位置反馈信号pos_2之差经主机位置控制比例单元和主机位置控制限幅单元生成的，主电机的反馈速度值ωfk_1经主机速度变位置积分模型生成主机位置反馈信号pos_1，从电机的反馈速度值ωfk_2经从机速度变位置积分模型生成从机位置反馈信号。
较佳地，主机负载检测单元通过电机稳速运行时的主电机转矩给定值Tgvn_1得到主机负载转矩TLd_1并输出；从机负载检测单元通过电机稳速运行时的从电机转矩给定值Tgvn_2得到主机负载转矩TLd_2并输出。
本发明的有益效果在于：通过两台变频器控制两台无刚性轴连接的电机，保证两台电机恒功率同步。由主机位置控制限幅单元和主机位置控制比例单元构成的位置控制单元将主电机位置反馈信号与从电机位置反馈信号相减，经过主机位置控制比例单元和主机位置控制限幅单元后输出主机速度命令偏置信号，保证主电机转轴的位置严格跟随从电机转轴的位置。从变频器的从机最大负载判断单元通过计算主机的负载转矩给定值与从机的负载转矩给定值的最大值输出从机最大负载转矩给定值，主变频器的主机位置控制与从变频器的从机最大负载转矩断单元结合起来能够保证两台非刚性轴连接的电机实现恒功率控制，即两台电机的最大速度是根据负载最大的那台来确定，且在整个运行过程中保证两台电机输出轴位置同步。本发明可以使两台非刚性轴连接的电机实现恒功率控制，即两台电机的最大速度是根据负载最大的那台来确定，且在整个运行过程中保证两台电机输出轴位置同步，提高了系统的工作效率。
附图说明
图1为本发明实施例系统控制原理图；
图2为本发明实施例结构示意图。
图中：1-主机最大速度命令生成单元，2-主机速度PI调节器，3-主机位置控制限幅单元，4-主机位置控制比例单元，5-主电机，6-主机速度变位置积分模型，7-主机负载检测单元，8-从机最大速度命令生成单元，9-从机最大负载判断单元，10-从机负载检测单元，11-从机速度PI调节器，12-从电机，13-从机速度变位置积分模型，14-重物，15-主变频器，16-从变频器，17-主钢卷，18-从钢卷，19-主机编码器，20-从机编码器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
本实施例的一种无刚性轴连接的双电机恒功率同步控制系统(图1)，包括驱动主电机5的主变频器15和驱动从电机12的从变频器16，所述主变频器15包括主机最大速度命令生成单元1、主机速度PI调节器2、主机位置控制限幅单元3、主机位置控制比例单元4、主机速度变位置积分模型6、主机负载检测单元7、从变频器16包括从机最大速度命令生成单元8、从机最大负载判断单元9、从机负载检测单元10、从机速度PI调节器11、从机速度变位置积分模型13。将该系统应用于两台电机共同提升同一质量分布不均的重物14(图2)，主电机5驱动主钢卷17转动提升重物14的一侧，从电机12驱动从钢圈转动提升重物14的另一侧，主机编码器19获取主电机5的速度和位置反馈信号发送至主变频器15，从机编码器20获取从电机12的速度和位置反馈信号发送至从变频器16。主变频器15驱动主电机5带动主钢卷17筒转动，从机变频器驱动从电机12带动从钢缆卷筒18转动；主钢卷17和从钢卷18的钢缆连接在重物14上，但主电机5与从电机12的输出轴无任何机械连接，由于重物14的质量分布不均，从电机12的负载会大于主机电机的负载，如果在运行过程中主机和从机的速度保持一致，即主电机5的输出轴与从电机12输出轴的位置保持同步，则重物14不会发生侧倾，如果主机和从机的速度不一致，主电机5的输出轴与从电机12输出轴的位置就无法保持同步，则重物14就会发生侧倾，造成安全隐患或者工作中断。另外，在实现恒功率时，要保证主机和从机是按照最大负载转矩对应的较低最大速度命令来运行，否则带重载向较高速度运行会导致电机功率不足，有损坏电机的隐患。
因此通过本系统下述方法的设置，可以使得两台电机的最大速度是根据两台电机中负载最大的那台来确定，且在整个运行过程中保证两台电机输出轴位置同步。
主机最大速度命令生成单元1接收控制台发出的初始速度命令ωgvn和主机负载检测单元7输出的主机负载转矩TLd_1，线性生成主机最大速度命令ωcmd1；主机最大速度命令ωcmd1与主电机5的反馈速度值ωfk_1的差值经主机速度PI调节器2生成主电机5转矩给定值Tgvn_1；主变频器15驱动主电机5以主电机5转矩给定值Tgvn_1转动；
从机最大速度命令生成单元8接收控制台发出的初始速度命令ωgvn和从机最大负载判断单元9发出的最大负载转矩命令，线性生成从机最大速度命令ωcmd2；从机最大速度命令ωcmd2减去从电机12的反馈速度值ωfk_2，所得差值经从机速度PI调节器11生成从电机12转矩给定值Tgvn_2；从变频器16驱动从电机12以从电机12转矩给定值Tgvn_2转动；
从机最大负载判断单元9接收从主机负载检测单元7输出的主机负载转矩TLd_1和从机负载检测单元10输出的从机负载转矩TLd_2，比较主机负载转矩TLd_1和从机负载转矩TLd_2将最大值作为最大负载转矩命令输出。
主机负载检测单元7通过电机稳速运行时的主电机5转矩给定值Tgvn_1得到主机负载转矩TLd_1并输出；从机负载检测单元10通过电机稳速运行时的从电机12转矩给定值Tgvn_2得到从机负载转矩TLd_2并输出。
主电机5的主电机5转矩给定值Tgvn_1还可通过以下方式生成：主机最大速度命令ωcmd1与来自主机位置控制限幅单元3输出的主机速度最大命令偏置值ωcmd_offset相减，所得的差值再减去主电机5的反馈速度值ωfk_1的差值经主机速度PI调节器2生成主电机5转矩给定值Tgvn_1。
主机速度最大命令偏置值ωcmd_offset是主机的位置反馈信号pos_1与从机的位置反馈信号pos_2之差经主机位置控制比例单元4和主机位置控制限幅单元3生成的，主电机5的反馈速度值ωfk_1经主机速度变位置积分模型6生成主机位置反馈信号pos_1，从电机12的反馈速度值ωfk_2经从机速度变位置积分模型13生成从机位置反馈信号。
主机最大速度命令生成单元1接受初始速度命令ωgvn给定和主机负载转矩TLd_1，通过比较主机负载转矩TLd_1与电机的额定转矩，在初始速度命令ωgvn达到其自身最大值时重新生成与主机负载转矩TLd_1成线性关系的主机最大速度命令ωcmd1；主机位置控制单元将主电机5位置反馈信号pos_1与从机的电机位置反馈信号pos_2相减，经过主机位置控制比例单元4和主机位置控制限幅单元3后输出主机速度最大命令偏置值ωcmd_offset；主机负载检测单元7通过稳速运行时的主电机5电磁转矩给定来生成电机轴上的主机负载转矩TLd_1给定值，主机最大速度命令ωcmd1减去主机速度最大命令偏置值ωcmd_offset后，再与实际的主电机5的反馈速度值ωfk_1相减，输入到主机速度PI调节器2，主机速度PI调节器2生成主电机5电磁转矩给定信号，该信号可根据公知的矢量控制技术用于控制主变频器15驱动主电机5的电机轴输出相应的电磁转矩，继而驱动重物14运动，主电机5的位置反馈信号与主电机5的速度反馈信号都是通过安装在主电机5输出轴上的主机编码器19来获得。
从机最大速度命令生成单元8接受初始速度命令ωgvn给定和从机最大负载转矩给定，通过比较从机最大负载转矩命令与电机的额定转矩，在初始速度命令ωgvn达到其自身最大值时重新生成与从机最大负载转矩成线性关系的从机最大速度命令ωcmd2；从机负载检测单元10通过稳速运行时的从电机12电磁转矩给定来生成电机轴上的负载转矩给定值TLd_2，从机最大负载判断单元9通过计算主机负载转矩TLd_1与从机负载转矩TLd_2的最大值输出从机最大负载转矩命令，从机最大速度命令ωcmd2减去实际的从电机12的反馈速度值ωfk_2，所得结果输入到从机速度PI调节器11，从机速度PI调节器11生成从电机12转矩给定值Tgvn_2信号，该信号可根据公知的矢量控制技术用于控制从变频器16驱动从电机12的电机轴输出相应的电磁转矩，继而驱动重物14运动，从机的位置反馈信号pos_2与从电机12的速度反馈信号都是通过安装在从电机12输出轴上的从机编码器20来获得。
初始速度命令ωgvn是由外部操作台同时发到主机变频器和从机变频器的速度命令，在该命令小于额定转速时，两台电机的速度命令ωcmd1和ωcmd2都是完全相同的，当该命令等于额定转速时，主机最大速度命令生成单元1和从机最大速度命令生成单元8会生成不同的最大速度命令。其中，主机负载检测单元7可根据在额定转速下某一转速恒定运行时的主电机5转矩给定值Tgvn_1得到主机负载转矩TLd_1，这种方法的依据是当电机恒速运行时，其输出的电磁转矩等于电机轴上的负载转矩。
主变频器15获得从电机12的位置信号可以通过主电机5与从电机12之间的通信获得，或者主编码器卡有两个通道，一个通道接主编码器的输出，另一个通道接从编码器的输出。
当主电机5和从电机12负载相等时，此时主机负载检测单元7和从机负载检测单元10输出的负载转矩相等，TLd_1等于TLd_2，从机最大负载判断单元9输出的最大负载转矩即为该负载转矩，所以此时主机最大速度命令生成单元1和从机最大速度命令生成单元8生成的最大速度命令相同，主电机5和从电机12会按照此速度命令运行，全运行过程中保持同步；
当主电机5负载大于从电机12负载时，此时主机负载检测单元7输出的负载转矩大于从机负载检测单元10输出的负载转矩，TLd_1大于TLd_2，主电机5最大速度命令生成单元会按照主机负载转矩生成一个较低的主机最大速度命令ωcmd1，从机的负载检测单元虽然会输出一个较低的从机负载转矩TLd_2，但是经过从机最大负载判断单元9后，其输出的最大负载转矩命令与是较大主机的负载转矩TLd_1相等，因此从机最大速度命令生成单元8生成的最大速度命令ωcmd2是和主机相同的，主机和从机会按照此速度命令运行，全运行过程中保持同步；
当主电机5负载小于从电机12负载时，此时主机负载检测单元7输出的负载转矩小于从机负载检测单元10输出的负载转矩，TLd_1小于TLd_2，主机最大速度命令生成单元1会按照此负载转矩生成一个较高的主机最大速度命令ωcmd1，从机的负载检测单元会输出一个较大的从机负载转矩TLd_2，经过从机最大负载判断单元9后，其输出的是较大从机的负载转矩TLd_2，因此从机最大速度命令生成单元8生成的从机最大速度命令ωcmd2小于主机最大速度命令生成单元1生成的主机最大速度命令ωcmd1，但是由于主机位置控制环的存在，一旦主机和从机的位置存在差别，系统会通过主机速度最大命令偏置值ωcmd_offset来调节主机的最大速度命令，从而按照较低的从机最大速度命令ωcmd2来运行。
事实上，两台电机如果有刚性联接，起联接作用的机械轴在本质上一方面等效于位置同步控制器，另一方面等效于负载平均分配器，本实施例通过将机械轴的功能采用软件控制方法实现后，可以使两台无刚性联接的电机实现恒功率控制。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种无刚性轴连接的双电机恒功率同步控制系统，其特征在于：包括驱动主电机(5)的主变频器(15)和驱动从电机(12)的从变频器(16)，所述主变频器(15)包括主机最大速度命令生成单元(1)、主机速度PI调节器(2)、主机位置控制限幅单元(3)、主机位置控制比例单元(4)、主机速度变位置积分模型(6)、主机负载检测单元(7)、从变频器(16)包括从机最大速度命令生成单元(8)、从机最大负载判断单元(9)、从机负载检测单元(10)、从机速度PI调节器(11)、从机速度变位置积分模型(13)；
所述主机最大速度命令生成单元(1)接收控制台发出的初始速度命令ωgvn和主机负载检测单元(7)输出的主机负载转矩TLd_1，线性生成主机最大速度命令ωcmd1；所述主机最大速度命令ωcmd1与主电机(5)的反馈速度值ωfk_1的差值经所述主机速度PI调节器(2)生成主电机(5)转矩给定值Tgvn_1；所述主变频器(15)驱动所述主电机(5)以所述主电机(5)转矩给定值Tgvn_1转动；
所述从机最大速度命令生成单元(8)接收控制台发出的初始速度命令ωgvn和所述从机最大负载判断单元(9)发出的最大负载转矩命令，线性生成从机最大速度命令ωcmd2；所述从机最大速度命令ωcmd2减去从电机(12)的反馈速度值ωfk_2，所得差值经所述从机速度PI调节器(11)生成从电机(12)转矩给定值Tgvn_2；所述从变频器(16)驱动所述从电机(12)以所述从电机(12)转矩给定值Tgvn_2转动；
所述从机最大负载判断单元(9)接收所述从主机负载检测单元(7)输出的主机负载转矩TLd_1和从机负载检测单元(10)输出的从机负载转矩TLd_2，比较所述主机负载转矩TLd_1和所述从机负载转矩TLd_2将最大值作为所述最大负载转矩命令输出。
2.根据权利要求1所述的一种无刚性轴连接的双电机恒功率同步控制系统，其特征在于，所述主电机(5)转矩给定值Tgvn_1还可通过以下方式生成：所述主机最大速度命令ωcmd1与来自主机位置控制限幅单元(3)输出的主机速度最大命令偏置值ωcmd_offset相减，所得的差值再减去所述主电机(5)的反馈速度值ωfk_1的差值经所述主机速度PI调节器(2)生成主电机(5)转矩给定值Tgvn_1。
3.根据权利要求2所述的一种无刚性轴连接的双电机恒功率同步控制系统，其特征在于：所述主机速度最大命令偏置值ωcmd_offset是主机的位置反馈信号pos_1与从机的位置反馈信号pos_2之差经所述主机位置控制比例单元(4)和所述主机位置控制限幅单元(3)生成的，所述主电机(5)的反馈速度值ωfk_1经所述主机速度变位置积分模型(6)生成所述主机位置反馈信号pos_1，所述从电机(12)的反馈速度值ωfk_2经所述从机速度变位置积分模型(13)生成所述从机位置反馈信号。
4.根据权利要求1所述的一种无刚性轴连接的双电机恒功率同步控制系统，其特征在于：所述主机负载检测单元(7)通过电机稳速运行时的所述主电机(5)转矩给定值Tgvn_1得到所述主机负载转矩TLd_1并输出；所述从机负载检测单元(10)通过电机稳速运行时的所述从电机(12)转矩给定值Tgvn_2得到所述主机负载转矩TLd_2并输出。
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