西门子G150变频器主从控制方式应用一例

冯晓辉，郭 颖

(1.西门子工厂自动化工程有限公司，沈阳 110013;2.北方重工集团装卸设备分公司，沈阳 110000)

1 引言

西门子SINAMICS G150变频器是将G130变频器和所需要的输入和输出侧组件集成到专门设计的机柜中而组成的变频柜解决方案，是针对恒转矩及平方转矩特性负载的，具有中等性能要求，但无需再生反馈的传动应用所开发的一款单机应用的变频调速柜。具有结构紧凑，模块化设计，维修方便的特点，并可通过选配多种选件来满足客户的特定需求，应用非常广泛。

主从控制是当一个传动设备由两个或多个电机驱动时，为保证各电机负荷的均匀分配就需要采用主从控制方式以满足控制精度要求。

某厂新上生产线选用G150变频器驱动木材破碎机。这里介绍G150变频器主从控制在木材破碎机上的应用及调试经验。

2 主从控制的工作原理

主从应用中主传动是典型的速度控制，而从传动是速度控制或者转矩控制，一般情况下可分为:

当主传动和从传动的电机轴通过减速机，链条等相互固定的刚性连接时，从传动与主传动之间不能有速度差，从传动使用转矩控制，其工作时只负责输出与主传动相同的转矩以分担主传动的负荷，整个传动系统的速度控制由主传动来完成。

当主传动和从传动的电机轴通过传输带等设备柔性地连接时，从传动与主传动之间允许有细微的速度差，从传动使用速度控制。

在一些特殊应用中，从传动既需要速度控制，也需要转矩控制，原因是两个电机轴工作时有的时候是刚性连接，有的时候是柔性连接，一般有主从控制性能的变频器都有自由切换这两种控制方式的功能。

主从控制的关键问题是如何把主传动装置的速度信号或转矩信号高速和精确地传送到从传动装置，实现方法因产品规格型号不同会有所差别，并且在各种应用场合中由于传动控制精度的要求不同也可以通过不同的方法来实现，主要有:通过模拟量输入/输出口，及各种通讯模块。

本例中用模拟量输入/输出口可以完全满足工艺要求。

3 系统配置

两台G150变频器做主/从控制，分别控制两台刚性连接的电机组成木材粉碎机;如图1所示。

图1 驱动系统示意图

主/从间的通讯通过端子模块TM31的数字和模拟通道来实现。上位机采用PLC控制。

4 调试中出现的问题及对策

4.1 控制方式

G150的转矩控制方式有两种，一是转矩控制的直接选择，二是转矩控制的间接选择。转矩控制的直接选择是指参数P1300=22/23，控制方式设定为无编码器或者带编码器的转矩控制，转矩设定值是P1503，P2003是参考转矩;转矩控制的间接选择是指参数P1300=20/21，控制方式设定为无编码器或者带编码器的速度控制，速度控制切换到转矩控制的信号源P1501被置1，转矩设定值是P1503，P2003是参考转矩。本例应用中采用转矩控制直接选择且无编码器反馈，即P1300=22。

G150可以在无编码器的条件下实现转矩控制，对于工艺要求不高的场合，降低了硬件成本。但其在低速时即开环控制期间，性能不高，不能实现真正意义的闭环转矩控制(即自动进行速度设置)，而是转矩给定值通过斜坡积分器改变给定速度。因此只适用于低速时有加速转矩无负载转矩的场合。而带编码器的转矩控制并没有此限制。对于本例中的应用，采用无编码器的转矩控制完全可以满足工艺要求。功能框图如图2所示。

4.2 速度限幅

从功能图中看，虽然速度限幅在转矩给定的前端，好像对转矩控制的从动装置的速度不应该有限制，但实际上，当速度超过P1082所设的最高速度后，速度限制调节器可以通过降低转矩限幅来防止失速。

图2 转矩控制功能图

事实证明，P1082能有效地限制转矩控制的从动装置的最大速度，以防止飞车。因此对从动装置来说，即使是无负载并且脱轴的情况下，只要正确设置了P1082，也无飞车危险(但速度可能会有超调)。

4.3 启动/停车存在的问题

对于从动装置是转矩控制的情况(P1300=22)，如果同一个启动命令分别控制主和从的ON/OFF1信号，会出现虽然两台变频器同时启动，但停车时主的按OFF1斜坡下降时间停车，而从的因无速度环控制，而将立即脉冲封锁和断电，即惯性停车(OFF2);即停车时不能实现主/从负载的均匀分配。而如果为使主动和从动装置同时停车，而用主的脉冲使能信号控制从的ON/OFF1信号，虽然能实现同时停车，但又会出现主的启动信号来之后，主动装置启动，经过主的合闸和激磁时间延时后，脉冲使能信号才发出，从的才能启动;即虽然能实现同时停车，但又不能实现启动过程的同步;为了解决这个矛盾，可以将从的ON/OFF1与OFF3配合使用;因为用转矩控制时(P1300=22)，OFF3命令可以实现从转矩控制到速度控制的切换。那么如果只是简单用主的ON/OFF1信号作为从的ON/OFF1，同时用主的ON/OFF1信号控制从的 OFF3，又会出现因为OFF3优先级高于ON/OFF1，导致启动时，从动装置无法检测到启动信号上升沿，从而导致无法启动的现象。为了解决这个矛盾，可以将从的ON/OFF1与OFF3及其状态字配合使用;具体地说，就是用主的启动信号(ON/OFF1)控制从的OFF3，再用从的OFF3状态字(R898.2)控制从的ON/OFF1;同时将从动装置的OFF3停车时间设成与主的OFF1停车时间一致。即停车用OFF3控制，再用OFF3的状态字控制启动ON/OFF1，这样就可以实现主/从装置的可靠的同步启动和停止。

上述功能也可以通过将从动装置设置成速度控制(P1300=20)，再用P1501实现速度控制和转矩控制之间的切换，而不用OFF3命令;

也可以将上述的逻辑关系用自由功能块来实现。

4.4 使能控制

为保证主/从同步操作的更加可靠，可以将二者的脉冲使能信号相连。

4.5 故障信息

SINUMICS系列变频器每个对象都有自己的故障状态信息，如果分别向外发送会很麻烦，这时可以用一个全局变量R3114.10(V2.5版本以后)，任何一个对象有故障，它都可以被置位，因此只要一个信号就可识别装置的任何一个对象是否有故障。

为保证从动装置出现故障，主动装置也要停车，可以将从的“R3114.10”信号连到主的CU的“外部故障”，以保证从的有故障，主的也停车。

主/从装置主要参数设置如表1所示。主/从装置间TM31接线如图3所示。

4.6 自由功能块

使用自由功能块，首先要激活 FREE FUNCTION的功能，然后才能看到P20000以后的参数，然后在P20000中为RUN－TIME GROUP选择采样时间，再在所用功能中分配RUN－TIME GROUP即可。

表1 主要参数设置

图3 主从驱动间接口

如果无特殊要求，其他可用默认设置。

首次激活并使用自由功能块要离线配置，然后再下载，以后则可以在线配置和修改。

4.7 电机优化

完成项目组态;输入电机铭牌数据;启动变频器进行静态辨识和动态优化;

优化完成后必须及时将参数保存到CF卡上，否则装置断电后参数不保存还需再次优化。

5 结 束 语

G150变频器作为西门子新一代变频器，功能强大，应用广泛，结合全新的图形化的调试软件STARTER，极大地方便了调试过程，可以根据不同的工艺要求灵活实现各种功能。

［1］天津电气传动设计研究所.电气传动自动化技术手册(第二版)［M］.北京:机械工业出版社出版社，2005.

［2］孟晓芳，李策，王珏.西门子系列变频器及其工程应用［M］.北京:机械工业出版社出版社，2008.

［3］西门子公司.SINAMICS S120功能手册［Z］.西门子公司，2011－01.