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摘要：ACS800系列变频器使得被控对象具有较宽的调速范围、较高的稳态转速精度、快速的动态响应以及可四向限运行，并且可靠性更高、维护费用更低。文章以步进梁加热炉的装出钢电机控制为例，简要介绍了ABB的ACS800系列变频器利用DTC技术实现对双电机刚性连接时的主从控制。
关键词：直接转矩控制；主从控制；ACS800
中图分类号：TG155 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）17-0036-02
1 概述
双电机驱动的加热炉装钢机在同步工作时是刚性连接、低转速高转矩的负载，这样就给变频调速带来了很大的难题，ACS800系列变频器较好地解决了这个问题，其基于DTC原理和主从控制技术的应用，使得被控对象具有较宽的调速范围、较高的稳态转速精度、快速的动态响应以及可四向限运行，并且可靠性更高、维护费用更低。
2 直接转矩控制
在交流电机的调速控制领域中，直接转矩控制（Direct Torque Control）是继矢量控制之后又一新兴的控制技术。该技术是由德国鲁尔大学Depenbrock教授首先提出来的，它区别于传统矢量控制技术的主要特点在于其不需要经过磁场定向和矢量变换来间接控制转矩，而是直接控制磁链和电磁转矩，是在静止的坐标系中直接计算电动机的实际磁链和转矩，并通过磁链和转矩的时间最优控制产生磁链和转矩的变换信号，从而最终对逆变器的开关状态实现最佳控制，这种控制理论的突出优点就是可以实现无速度传感器控制，并且最大限度提高了系统的动态响应性能。直接转矩控制的原理可以阐述为：定子磁链是定子电动式的时间积分，因此它的大小取决于定子电压的大小；转矩与定子和转子磁链矢量之间角度的正弦成正比。
在控制策略上，直接转矩控制并不要求对定子、转子磁链的夹角进行精确、平滑的控制，也不要求它们的空间矢量位置都进行控制，而是只对定子磁链的转动进行走走停停的开关式控制，当需要减速时，定子磁链停止，两个磁链的夹角由于转子磁链的转动而缩小，从而使电磁转矩减小；当需要加速时，让定子磁链转动，并且转动速度大于转子磁链的转动速度，这样两个磁链的夹角就会增大，电磁转矩也就相应增加。
3 加热炉装出钢机主从控制特性
安钢1780轧线配套三座步进梁式加热炉，每座加热炉的装钢机由完全相同的2套传动机构、4套齿轮机座和装钢臂部件等构成，分为左右两组。两组沿炉子中心线对称布置，各有1套传动装置分别驱动，2套传动机构间设有离合器，可以根据不同长度的板坯使两组传动机构同步动作或单独动作。当加热炉装宽度超过6米的钢坯时，需要两套传动机构同轴工作，此时2套传动机构离合器吸合，整个装钢机由两台功率均为45kW的电机同时驱动完成装钢机的横移动作。
由于异步电机滑差的特性决定了在两台以上同时驱动一个刚性负载时，会发生负载分配不均匀的现象，严重的甚至可能在轻载状态下发生一台电机拖着另一台电机工作，也就是一台处于电动状态另一台处于发电状态，为了避免这种情况的发生，对于加热炉装钢机中两台电机采取了主从控制方式。两台电机的接线如图1所示：
图1 主从控制电机接线原理图
其中，两台电机均采用闭环矢量控制，电机A工作在速度控制模式（主），电机B工作于转矩控制（从）。变频器A接受PLC给定的频率，经计算后在控制电机A工作于矢量模式的前提下同时给变频器B一个转矩给定，同时变频器B也会给自身所驱动的电机一个转矩输出，这样两台变频器输出的转矩一样，就不会存在负载不均匀的现象；另外A台的频率指令输入给B台作为速度限制，如此B台的速度就被限制在和A台当前相同的运行速度。
4 ACS800系列交流变频器传动装置
ACS800是ABB公司用于交流电机传动的系列变频器，该系列变频器的最大优点是在全功率范围内统一使用了相同的控制技术，例如启动向导自定义编程、DTC控制、通用备件、通用的接口技术以及方便选型和调试维护等特点。其中，其主从控制以及无速度传感器时的DTC控制，在当今的工业控制领域得到了广泛应用。安钢1780级热炉的装出钢机以及辊道电机的驱动全部采用了该系列变频器。
4.1 两台ACS800实现主从功能的控制过程
正常工作时，由于有视窗控制，从机的速度调节器输出（TORQ REF 2）为零。从机跟随主机的转矩给定（Torque Ref1）。当负载减小时，视窗控制功能激活速度调节器，从而防止从机速度上升到最大限，当从机的速度开始上升时，并且转速偏差（Seep Ref3-Actual Speed）超过参数60.05所设定的值时，视窗控制器将把转速偏差输入速度调节器，速度调节器将给转矩给定加上一个负值，从而限制转速的进一步升高。图2为两台ACS800工作于主从模式时的功能示意图：
图2 主从工作模式时控制功能图
4.2 ACS800实现直接转矩控制（DTC）
图3 ACS-800无速度传感器时DTC控制功能图
ACS800系列变频器采用了FS-method（Flux Stabilizer）的控制策略，即高于额定转速的10%时采用基于电压模型的转速估算值，低于额定转速的10%时采用基于电流模型的转速估算值，这样就克服了电压模型估算不准确的缺陷，从而保证了电动机不仅在电动状态而且在发电状态都具有零速满转矩的特性，最大输出转矩可以达到额定转矩的2倍。图3为ACS800变频器无速度传感器时DTC控制功能图。
由图3可知，ACS800变频器实现直接转矩控制，主要包括了磁通闭环控制、转矩闭环控制和速度反馈闭环控制。这里的速度闭环控制是由指令磁通、定子电压矢量以及经过abc/αβ变换后得到的isα和isβ4个信号估计出的实际转子角速度，然后把这个角速度与指令角速度比较而构成。
5 结语
安钢1780加热炉于2006年调试结束正式投产，数据证明ACS800变频器的DTC控制功能很好地满足了装出钢机低转速高转矩的驱动需求。图4为使用ABB提供的专用调试监控软件DriveWindow拍下的主变频器DTC模式下速度变换的波形，其中，所记录的5组数据分别为滤波后的转矩、滤波前的转矩、电机电流、电机速度和功率。
图4 主机DTC控制运行时实际波形
参考文献
[1] 黎亚元，陈延成，等.基于直接转矩控制无速度传感器交流调速研究[J].机械工程学报，2004，40（3）：154-158.
[2] Takahashil，Nouchi T.A nequick-response and hign-efficiency control strategy of aninduction motor[J].IEEE Trans on Industry Application，1986，22（5）：820-827.
[3] 周志刚.一种感应电机的接偶控制方法[J].中国电机工程学报，2003，23（2）：121-125.
[4] 徐艳平，种彦儒，于宏全.基于MATLAB的永磁同步电动机直接转矩控制的仿真建模[J].微电机，2005，（3）.
[5] 贾洪平，贺益康.一种适合TDC应用的非线性正交反馈补偿磁链观测器[J].中国机电工程学报，2006，26（1）：101-105.
[6] ABB ACS800 Crane Drive Control Firmware Manual.
[7] ABB ACS800固件手册.2004.
[8] ABBACS800系统固件系统软件.
基金项目：精品课程AZJW 120301
作者简介：梁莉（1978—），女，河南安阳人，安阳职业技术学院讲师，研究方向：机电一体化。
关键词：直接转矩控制；主从控制；ACS800
中图分类号：TG155 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）17-0036-02
1 概述
双电机驱动的加热炉装钢机在同步工作时是刚性连接、低转速高转矩的负载，这样就给变频调速带来了很大的难题，ACS800系列变频器较好地解决了这个问题，其基于DTC原理和主从控制技术的应用，使得被控对象具有较宽的调速范围、较高的稳态转速精度、快速的动态响应以及可四向限运行，并且可靠性更高、维护费用更低。
2 直接转矩控制
在交流电机的调速控制领域中，直接转矩控制（Direct Torque Control）是继矢量控制之后又一新兴的控制技术。该技术是由德国鲁尔大学Depenbrock教授首先提出来的，它区别于传统矢量控制技术的主要特点在于其不需要经过磁场定向和矢量变换来间接控制转矩，而是直接控制磁链和电磁转矩，是在静止的坐标系中直接计算电动机的实际磁链和转矩，并通过磁链和转矩的时间最优控制产生磁链和转矩的变换信号，从而最终对逆变器的开关状态实现最佳控制，这种控制理论的突出优点就是可以实现无速度传感器控制，并且最大限度提高了系统的动态响应性能。直接转矩控制的原理可以阐述为：定子磁链是定子电动式的时间积分，因此它的大小取决于定子电压的大小；转矩与定子和转子磁链矢量之间角度的正弦成正比。
在控制策略上，直接转矩控制并不要求对定子、转子磁链的夹角进行精确、平滑的控制，也不要求它们的空间矢量位置都进行控制，而是只对定子磁链的转动进行走走停停的开关式控制，当需要减速时，定子磁链停止，两个磁链的夹角由于转子磁链的转动而缩小，从而使电磁转矩减小；当需要加速时，让定子磁链转动，并且转动速度大于转子磁链的转动速度，这样两个磁链的夹角就会增大，电磁转矩也就相应增加。
3 加热炉装出钢机主从控制特性
安钢1780轧线配套三座步进梁式加热炉，每座加热炉的装钢机由完全相同的2套传动机构、4套齿轮机座和装钢臂部件等构成，分为左右两组。两组沿炉子中心线对称布置，各有1套传动装置分别驱动，2套传动机构间设有离合器，可以根据不同长度的板坯使两组传动机构同步动作或单独动作。当加热炉装宽度超过6米的钢坯时，需要两套传动机构同轴工作，此时2套传动机构离合器吸合，整个装钢机由两台功率均为45kW的电机同时驱动完成装钢机的横移动作。
由于异步电机滑差的特性决定了在两台以上同时驱动一个刚性负载时，会发生负载分配不均匀的现象，严重的甚至可能在轻载状态下发生一台电机拖着另一台电机工作，也就是一台处于电动状态另一台处于发电状态，为了避免这种情况的发生，对于加热炉装钢机中两台电机采取了主从控制方式。两台电机的接线如图1所示：
图1 主从控制电机接线原理图
其中，两台电机均采用闭环矢量控制，电机A工作在速度控制模式（主），电机B工作于转矩控制（从）。变频器A接受PLC给定的频率，经计算后在控制电机A工作于矢量模式的前提下同时给变频器B一个转矩给定，同时变频器B也会给自身所驱动的电机一个转矩输出，这样两台变频器输出的转矩一样，就不会存在负载不均匀的现象；另外A台的频率指令输入给B台作为速度限制，如此B台的速度就被限制在和A台当前相同的运行速度。
4 ACS800系列交流变频器传动装置
ACS800是ABB公司用于交流电机传动的系列变频器，该系列变频器的最大优点是在全功率范围内统一使用了相同的控制技术，例如启动向导自定义编程、DTC控制、通用备件、通用的接口技术以及方便选型和调试维护等特点。其中，其主从控制以及无速度传感器时的DTC控制，在当今的工业控制领域得到了广泛应用。安钢1780级热炉的装出钢机以及辊道电机的驱动全部采用了该系列变频器。
4.1 两台ACS800实现主从功能的控制过程
正常工作时，由于有视窗控制，从机的速度调节器输出（TORQ REF 2）为零。从机跟随主机的转矩给定（Torque Ref1）。当负载减小时，视窗控制功能激活速度调节器，从而防止从机速度上升到最大限，当从机的速度开始上升时，并且转速偏差（Seep Ref3-Actual Speed）超过参数60.05所设定的值时，视窗控制器将把转速偏差输入速度调节器，速度调节器将给转矩给定加上一个负值，从而限制转速的进一步升高。图2为两台ACS800工作于主从模式时的功能示意图：
图2 主从工作模式时控制功能图
4.2 ACS800实现直接转矩控制（DTC）
图3 ACS-800无速度传感器时DTC控制功能图
ACS800系列变频器采用了FS-method（Flux Stabilizer）的控制策略，即高于额定转速的10%时采用基于电压模型的转速估算值，低于额定转速的10%时采用基于电流模型的转速估算值，这样就克服了电压模型估算不准确的缺陷，从而保证了电动机不仅在电动状态而且在发电状态都具有零速满转矩的特性，最大输出转矩可以达到额定转矩的2倍。图3为ACS800变频器无速度传感器时DTC控制功能图。
由图3可知，ACS800变频器实现直接转矩控制，主要包括了磁通闭环控制、转矩闭环控制和速度反馈闭环控制。这里的速度闭环控制是由指令磁通、定子电压矢量以及经过abc/αβ变换后得到的isα和isβ4个信号估计出的实际转子角速度，然后把这个角速度与指令角速度比较而构成。
5 结语
安钢1780加热炉于2006年调试结束正式投产，数据证明ACS800变频器的DTC控制功能很好地满足了装出钢机低转速高转矩的驱动需求。图4为使用ABB提供的专用调试监控软件DriveWindow拍下的主变频器DTC模式下速度变换的波形，其中，所记录的5组数据分别为滤波后的转矩、滤波前的转矩、电机电流、电机速度和功率。
图4 主机DTC控制运行时实际波形
参考文献
[1] 黎亚元，陈延成，等.基于直接转矩控制无速度传感器交流调速研究[J].机械工程学报，2004，40（3）：154-158.
[2] Takahashil，Nouchi T.A nequick-response and hign-efficiency control strategy of aninduction motor[J].IEEE Trans on Industry Application，1986，22（5）：820-827.
[3] 周志刚.一种感应电机的接偶控制方法[J].中国电机工程学报，2003，23（2）：121-125.
[4] 徐艳平，种彦儒，于宏全.基于MATLAB的永磁同步电动机直接转矩控制的仿真建模[J].微电机，2005，（3）.
[5] 贾洪平，贺益康.一种适合TDC应用的非线性正交反馈补偿磁链观测器[J].中国机电工程学报，2006，26（1）：101-105.
[6] ABB ACS800 Crane Drive Control Firmware Manual.
[7] ABB ACS800固件手册.2004.
[8] ABBACS800系统固件系统软件.
基金项目：精品课程AZJW 120301
作者简介：梁莉（1978—），女，河南安阳人，安阳职业技术学院讲师，研究方向：机电一体化。