西门子驱动负荷分配方案详解及案例分享

在多机共同驱动同一个负载的系统中，由于机械连接的材料及方式，实际负载的不均匀分布等原因，将会造成各电机驱动系统的实际转速出现瞬时偏差的情况。

1. 1常见的场景

图1 齿啮合连接

由于加工、安装、老化磨损等导致齿隙，进而从动齿与主动齿的速度不一致，即：

Vdriven≠Vdriving

其中，

Vdriven：从动齿轮线速度；

Vdriving：主动齿轮线速度；

图2 长轴机械耦合连接

由刚体及阻尼体构成，在电磁转矩与负载转矩的作用下，整个机械系统出现了“扭转”的过渡过程，将造成两套驱动系统输出的转速出现瞬时偏差，即：

图3 弹性耦合连接

负载(包括摩擦，机械负载等)与电磁转矩的偏差造成多机传动之间的耦合连接出现相对位移，进而造成各个驱动系统之间的瞬时速度不一致，即：

ω1≠ω2

其中，

ω1：驱动系统1的角速度；

ω2：驱动系统2的角速度；

1.2 负荷分配控制方案

负荷分配要求变频器运行于矢量控制模式，带电机编码器或不带编码器均可。负荷分配的控制方案主要包括：

不同的控制方案各有优缺点，适用场景也不尽相同。下面就为大家带来详细的介绍。

2 主从控制

主从控制包括下述多种方案：

从机直接采用转矩控制可能出现动态过程振荡、连接断开时飞车等情况，下面主要介绍一种改进的转矩控制方案。

2.1 过程分析

首先，从电机运动方程来分析：

Te=TL+GD^2 dn/dt （2-1）

其中：

Te：电机电磁转矩；

TL：电机轴端负载转矩，包括机械负载、摩擦、风阻等；

GD^2：机械转动惯量，包括电机及机械设备；

n：电机实际转速；

dn/dt：电机转速变化率；

从这个方程来看，在机械系统一定的情况下，电机转速的变化决定于电机输出的电磁转矩及其轴端的负载转矩。

接下来，分析上述应用场景下的动态和稳态过程：

通过上述分析，即使给定值系统已固定的情况下系统依然无法快速进入稳定状态，而出现系统振荡的情况。

2.2 方案配置

根据2.1节的动态与稳态的过程分析，主从控制的目标依然是速度及转矩的一致性，但是需要保证动态的过渡过程是收敛的，快速进入到稳定状态。

据此提出如下的主从控制方案：主机速度调节器为PI控制+从机速度调节器为P控制，且将主机速度调节器的积分控制分量传递给从机做转矩补偿。

图4 主从方案配置

速度调节器PI的控制特点：

对于主机来讲采用速度调节器为PI控制，实现工艺（一般都是一阶激励）转速的转速无差控制，在动态过程中由于从机的速度调节器采用P控制，从而使从机的实际转速与通过机械耦合的主机转速形成速度偏差，这样与由上述描述的应用场景所造成的偏差趋势是一致的，进而实现了从机与主机的“解耦合”，减小主从之间动态过程所产生偏差的强耦合影响，减小系统振荡的程度。

稳态时，由于∆n→0，那么完全决定于积分控制量。由于主从采用一致的积分控制，从而实现转速一致性与负荷均匀分配的实现。

优点：

缺点：

2.3 使用条件

对于低速大转矩应用，控制精度要求较高的情况，推荐采用带编码器的矢量控制。原因在于矢量控制的模型切换，较低转速运行时，若无编码器运行时系统相当于开环控制，速度调节器输出为0，显然是无法实现图4的主从控制方案。

图5 低速下无编码器矢量控制的输出特性

2.4 参数设置

实现从机速度调节器P控制，引入主机的积分控制量作为附件转矩给定的参数设置方案。

1）设置速度调节器P模式+附加转矩给定，参数设置如下：

2）设置速度调节器P模式+积分控制器强置模式，参数设置如下：

2.5 案例分析

转炉倾动系统是典型大比例减速比齿轮啮合的多机传动系统。如图6所示是一类典型倾动系统的结构示意图。

图6 转炉倾动系统驱动示意图

图中展示了4套驱动系统通过齿轮啮合，共同驱动倾动机械及负载（炉内钢水）。其控制目标是4台电机转速一致，负荷均匀分布。但是，由于齿轮啮合方式带来的问题是齿隙，如图7所示。

图7 齿轮啮合带来的齿隙

这将导致4台电机的转速在瞬态会出现转速不一致的情况。进而负荷分配不均容易出现打齿，一方面造成系统振荡，另一方面损耗齿轮箱。

按图4给出的主从配置方案能够有效解决上述问题，实现倾动系统的稳定可靠运行。设备运行过程中4台电机的输出转矩曲线如图8所示。

图8 4台倾动电机的转矩曲线

3 Droop控制

3.1 方案配置

Droop控制方案即利用变频器的Droop（软化/下垂）功能实现负荷分配的方案。Droop方案包括不分主从的各自Droop方案和Droop加补偿的主从控制方案等。下面详细介绍不分主从的各自Droop方案。

该方案不分主设备和从设备，每台变频器各自激活Droop功能。Droop输入信号源采用自身的转矩设定值。按照预先设置好的Droop系数得到一条Droop曲线，当输出转矩增大时，输出转速随之减小。Droop曲线如下图所示：

图9 Droop特性曲线

实际运行时，如果某台变频器运行速度比另一台变频器高，那么它会拖动另一台变频器驱动的电机，此时其输出转矩会增大，受到Droop功能的作用，转矩增大会导致其转速减小，与另一台变频器趋于同步。而转速低的变频器其输出转矩小甚至输出符号为负的制动转矩，那么受到Droop功能的作用，转矩减小会导致其转速增大，与另一台变频器趋于同步。多台变频器各自激活Droop功能时就能时刻通过调整自己的输出转速而达到动态的平衡。

优点：

缺点：

3.2 参数设置

西门子变频器Droop功能原理图如下：

图10 西门子变频器Droop功能原理图

各台变频器各自采用Droop的方式，各自转矩设定值作为Droop输入信号源，相关参数设置如下：

3.3 案例分析

常见的软连接负荷分配应用案例包括带式输送机。如下图所示的带式输送机，采用3个驱动轮和一个张紧轮，其中头部有两个驱动轮，尾部有一个驱动轮。每个驱动轮各有一台电机驱动，分别通过一台变频器实现输送机的启停和调速。

图11 带式输送机案例

该输送机的输送距离长达数千米。每个驱动轮的电机均为280kW/75rpm的永磁同步电机。变频器均采用400V/400kW的G130模块：6SL3310-1GE37-5AA3。

3个驱动轮由于在输送机中所处的位置不同，同时由于皮带柔性材料具备一定的延展性，在设备运行的不同阶段3个驱动轮承担的负载转矩并非完全一致，所以不适合用其中一台电机的转矩设定值作为其他两台电机转矩设定值的主从控制方式。

在这个案例中，我们采用每台变频器各自激活Droop的方式实现符合分配，采用相同的Droop系数，当自身输出转矩较大时，自动降低输出转速，从而减小输出转矩，由此达到动态平衡。

实际测试效果能够很好的满足工艺要求，启动过程中皮带平稳建立张力，然后进入稳定的匀速运行。设备运行过程中3台电机的输出转矩曲线如下图所示：

图12 3个驱动轮的转矩曲线

4 负荷分配方案比较

最后是方案的简单对比。

如需获取驱动系统负荷平衡 的视频内容请移步1847工业学习平台。通过链接观看：https://www.ad.siemens.com.cn/1847/Video/VideoPlay?courseId=4827

欢迎访问西门子工业支持中心平台「链接」 获取更多信息。

为您推荐：

PLC 工程师需要了解的几个 SCL 实用小技巧（为您推荐）

工厂应用实例，带您使用西门子PLC编程驱动编码器，PLC提高教程

原创不易，每篇文章都倾注了我的心血，大家喜欢的话请点赞并分享，您的支持是我坚持下去的动力！

编码器将信号或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。编码器把角位移或直线位移转换成电信号。

编码器按照工作原理可分为增量式和绝对式两类。

增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小，增量式编码器一般用于非全闭环系统，工业中大多数编码器都是增量式的。

绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。绝对式编码器一般用于比较频繁的往复运动，多次重复下依然可以保持高准确性，这一点优于增量式的，所以一些精确度比较高的伺服电机配置的就是绝对式编码器。

伺服电机后部的装置就是编码器

按照功能分类编码器大体可以分为测位移编码器和测角度编码器。

测位移编码器是最常见的，使用起来比较方便，只要通过联轴器将编码器安装在轴承的中心，使得运动时编码器一起同心转动即可，比如伺服电机或者车辆控制等等场合。

测角度编码器则是测量物体旋转角度，一般只适用于圆周运动的物体。

在工厂中，编码器与PLC配合使用；对于一般的PLC，比如西门子S7-200，200SMART或者其他品牌的PLC，需要使用高速计数器功能，即物体行走的轴承旋转一圈，编码器旋转一圈，而编码器旋转一圈会向PLC发送固定的脉冲（每个编码器不一样）。而PLC接收信号后需要测量到达目的地时的脉冲数量，如果使用变频器驱动电机的话，可以设置快慢速，提前减速，然后慢速开到目标位停车，以此达到精准定位的目的。

那么编码器是如何接入PLC系统的呢？

首先确认编码器是什么类型的？需要接到PLC的哪个通道上？

我们以西门子S7-200smart配合常见的AB正相交编码器为例；

西门子S7-200smart共有四个高速计数器通道，为：HSC0/HSC1/HSC2/HSC3。其中HSC0和HSC2可接的编码器种类较多，我们将编码器接到HSC0通道。

接线；上述的编码器为五根线，其中有24V，0V，A+，B+和屏蔽线，按照图纸将A+，B+接到I0.0和I0.1上。

接完线后，我们需要在PLC里配置编码器信息；S7-200smart有两种方式可以配置编码器信息；

1 高速计数器向导，向导体现了西门子的人性化，使用起来比较方便，按照编码器参数输入进去后会生成一个子程序，直接调用该子程序即可。

通过向导设置参数

2 通过程序设置，如果通过程序本身，我们需要按照编码器参数对两个系统存储器进行赋值。

参数说明，请按照编码器参数设置

程序编程

编程说明；在PLC上电时SBR0对编码器进行系统设置，并且将上次停机时的数值记录进去，即保存上次PLC停机前的状态。然后将编码器值发送给VD350进行计算，在I0.7触发的情况下跳入SBR1进行清零操作，如果需要进一步计算的话请使用VD350进行转换。

最后使用编码器大家需要谨记；

1 编码器本身分为PNP和NPN，使用时请注意区分。

2 编码器属于精密设备，需要单端接地，即接到PLC侧的地线上。

3 编写程序时，请先将编码器设置，即用上电后置位一个周期的功能，原因之前我们也讲过，大家可以翻看。

4 如果干扰过大请使用程序滤波，以前的文章有怎么滤波，但滤波后需测试是否存在丢数据现象。

5 编码器的运动属于圆周运动，安装非常严格，否则会影响编码器使用寿命。

这是一个非常好的可以停机保存编码器记录的程序例子。希望大家可以以此学会编码器。

（如果喜欢这篇文章，请点赞并关注，更多原创的工业应用以及PLC学习的文章等着你）

相关问答

西门子驱动器参数设置步骤?

西门子驱动器参数设置的步骤如下:1.连接驱动器:将电源和控制信号正确连接到西门子驱动器上。2.进入参数设置模式:打开控制面板上的菜单按钮,并选择进入参数...

西门子伺服驱动报故障代码a028怎么解决?

首先,根据西门子伺服驱动报的故障代码a028,可能是由于某些电气或机械故障引起的。建议首先检查电气连接是否松动或损坏,然后检查传感器和编码器是否工作正常。...

西门子usbppi驱动怎么安装?

安装西门子USBppi驱动的步骤如下:1.首先,确保你已经连接了西门子设备(如PLC)与电脑的USB接口。2.在电脑上打开任意浏览器,输入"西门子支持网站",搜索并打...

西门子PLC连接电脑时找不到驱动程序?

西门子PLC连接电脑时需要安装驱动程序才能正常运行。以下是一些步骤,可以帮助您安装西门子PLC的驱动程序:1.下载PLC驱动程序:您可以通过西门子的网站下载最...

西门子840d报警25201轴Z1驱动怎么解决?

西门子840D报警25201是轴Z1驱动报警,这意味着该轴的驱动出现了故障或问题。要解决这个问题,可以按照以下步骤进行操作:1.首先,检查电缆连接是否松动或断开...

s7200编程电缆怎么驱动?

1.驱动方法2.s7200编程电缆可以通过安装相应的驱动程序来实现驱动。驱动程序可以从官方网站或者相关的设备厂商处下载并安装。安装完成后,将编程电缆连接到...

ifix如何和西门子1500通讯?

iFIX连接西门子PLC的驱动S7A、SI7、SL4等是无法连接仿真PLC的。WinCC和WinCCflexible可以连接是因为都是西门子的东西,而iFIX的这些驱动程序是第三方开发的,...

西门子晶体管输出如何驱动接触器220V线圈?

不合适,这样做很容易造成PLC输出烧坏,建议PLC输出先接入中间继电器或光电耦合器来放大驱动能力,然后再接入直流接触器。PLC的数字输出点一般有三种形式:继电...

西门子三核变频驱动是什么意思?

主要是指洗衣机的主马达为可变频驱动的无刷直流马达变频洗衣机产品具有节能、超低噪音、可变水流、高脱水转速等特点,变频洗衣机在功能上最大的特点就是静音...

西门子变频器驱动起重机参数怎么设置

驱动起重机启动时,需要启动力矩很大,此时需要通过p1300组参数进行调节!可以祥见转矩提升过程控制参数设置驱动起重机启动时,需要启动力矩很大,此时...