1 负荷分配概述

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

齿轮箱啮合连接

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；

长轴机械耦合连接

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：       

弹性耦合连接

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：

主从控制

Droop控制

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：

速度控制加转矩控制

速度环饱和加转矩限幅

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：

动态过程
上述动态过程由于多种因素首先造成电机实际转速不一致，而这将进一步造成电机轴端负载分配不均匀。若采用的主从控制方式：主机速度控制+从机力矩控制方式，即从机力矩取自主机，而主机轴端与从机轴端负载不一致，根据公式（2-1）在从机的电磁转矩与负载转矩产生偏差，直接影响到从机的实际转速，而主从实际转速的不同，由于机械之间的耦合，将会影响到主机轴端的负载情况，由于主机采用速度闭环控制，其输出转矩将发生变化，传递到从机，循环往复，此时将很容易导致系统振荡，无法进入到稳态过程，严重的情况甚至会损坏设备，无法正常工作。

稳态过程
进入到稳态，此时主从设备之间的相对运动趋于0，转速基本一致，进而负荷分配也趋于一致。

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：

比例控制P输出控制量的大小决定于偏差量，即Kp∙∆n(TN)，或者说P控制是一类有差控制；

积分控制I输出控制量是偏差量的累积，KI∙∑(i=1,N)∆n(Ti)，对于一阶激励来讲是可实现无差控制。

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：

有效解决主从驱动系统的强耦合所带来的动态过程的系统振荡；

实现转速一致与负荷均匀分配的控制目标；

由于都采用速度闭环控制，原则上不会出现转矩控制模式的飞车情况；

缺点：

主从控制结构的不同，需要额外控制逻辑管理主从关系等。

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