收 卷 張 力 控 制

收卷張力控制摘要：一：力矩電機(jī)，力矩控制器。力矩電機(jī)是一種具有軟件機(jī)械特性，和寬調(diào)速范圍的特種電機(jī)。并且以恒轉(zhuǎn)矩輸出。二：變頻電機(jī)，利用矢量型變頻器做變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制，使變頻電機(jī)處于恒轉(zhuǎn)矩輸出。具有速度反饋的控制方式其轉(zhuǎn)矩控制的精度更高。三：利用壓力傳感器，或者位置傳感器來(lái)檢測(cè)傳動(dòng)負(fù)載的張力，作為反饋信號(hào)通過(guò)PID過(guò)程控制的計(jì)算，使放卷與收卷保持相對(duì)應(yīng)的速度來(lái)達(dá)到傳動(dòng)負(fù)載恒張力的控制。放卷與收卷均采用變頻器轉(zhuǎn)速控制或者變頻器PID控制。以上三種都是收卷張力控制，在實(shí)際生產(chǎn)中各有優(yōu)缺點(diǎn)，現(xiàn)將這三種電氣控制的方法進(jìn)行闡述和比較。關(guān)鍵詞：力矩電機(jī)，變頻矢量轉(zhuǎn)矩控制，過(guò)程PID控制，張力傳感器。正文：在紡織，電線電纜，金屬制品加工，造紙，橡膠等行業(yè)中通常需要將產(chǎn)品卷繞在卷筒（鐵盤(pán)，木盤(pán)）上。卷繞的直徑從始至末由小變大，為保持傳動(dòng)負(fù)載（被卷繞產(chǎn)品）張力均衡（機(jī)線速度不變）就要求卷筒的轉(zhuǎn)速越越小，卷繞力越卷越大,。產(chǎn)品繞卷時(shí)卷筒的直徑逐漸增大（負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大）。在整個(gè)過(guò)程中保持被卷產(chǎn)品的張力不變十分重要，若張力過(guò)大會(huì)將產(chǎn)品（如線材，紙制品）拉細(xì)或者斷裂亦或者產(chǎn)品厚度，直徑等不均勻工藝要求達(dá)不到要求。而張力過(guò)小則可造成卷繞松弛不能保證產(chǎn)品的收卷。為了使產(chǎn)品在卷繞過(guò)程中張力保持不變，必須在產(chǎn)品卷繞到卷盤(pán)上的盤(pán)徑增大時(shí)驅(qū)動(dòng)卷盤(pán)的電機(jī)的輸出力矩也要增大，同時(shí)保持卷繞的線速度不變，那么電機(jī)的轉(zhuǎn)速也要逐步減小。需要達(dá)到上述要求的控制，在實(shí)際應(yīng)用中通常采用力矩電機(jī)控制，變頻電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制，以及張力傳感器的PID調(diào)速控制?，F(xiàn)將這三種控制方法在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較，并且分析這三種控制方式在使用過(guò)程中的注意點(diǎn)。第一力矩電機(jī)：力矩電機(jī)是一種具有軟機(jī)械特性和寬調(diào)速范圍的特種電機(jī)。這種電機(jī)的軸不是以恒功率輸出動(dòng)力而是以恒力矩輸出動(dòng)力,當(dāng)負(fù)載增加時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速能自動(dòng)的隨之降低，而輸出力矩增加，保持與負(fù)載平衡。力矩電機(jī)的堵轉(zhuǎn)矩高，堵轉(zhuǎn)電流小，能承受一定時(shí)間的堵轉(zhuǎn)運(yùn)行。在實(shí)際應(yīng)用中力矩電機(jī)控制卷繞恒張力存在如下幾個(gè)問(wèn)題：1由于轉(zhuǎn)子的電阻較大，損耗較高，所以產(chǎn)生較大的熱量，特別在低速和堵轉(zhuǎn)是，更為嚴(yán)重。因此力矩電機(jī)的能耗較大并且需要強(qiáng)制風(fēng)冷。為了保證風(fēng)冷的效果，一般力矩電機(jī)的后端蓋上開(kāi)孔，風(fēng)冷可直接冷卻定子以及轉(zhuǎn)子，這樣來(lái)保證冷卻效果。但是會(huì)導(dǎo)致力矩電機(jī)內(nèi)部粉塵大，甚至有異物。從而減少電機(jī)的使用壽命。2力矩電機(jī)控制器是一種電子調(diào)壓裝置，是力矩電機(jī)的控制元件，在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載情況下，可以通過(guò)改變加在定子繞組上的電壓來(lái)改變轉(zhuǎn)速；在卷繞控制中，由于負(fù)載不斷增加，電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩也不斷增加，因此在定子繞組電壓不變的情況下力矩電機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩成反比。在要求張力恒定的場(chǎng)合，要求這種反比關(guān)系是呈線性的。但是在實(shí)際使用中，由于空載減速機(jī)的阻力等因素嗎，這種反比關(guān)系不可能是線性關(guān)系，因此單純的開(kāi)環(huán)電壓控制并不能保證力矩電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩恒定不變。因此可以選擇帶轉(zhuǎn)速反饋的力矩控制器。3對(duì)于卷繞盤(pán)空盤(pán)直徑與滿盤(pán)直徑相差比較大的情況下，就要求電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍比較寬。而力矩電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)只能從最高額定轉(zhuǎn)速做降速運(yùn)行。因此調(diào)速范圍相對(duì)不寬。4根據(jù)某電機(jī)廠家提供的交流三相力矩電機(jī)的技術(shù)資料情況可以知道常用三相交流力矩電機(jī)的功率大約在1.5KW-7.5KW之間最大的輸出力矩是40NM。綜述以上分析的幾點(diǎn)，用三相交流力矩電機(jī)控制收卷張力控制時(shí)造價(jià)經(jīng)濟(jì)，安裝方便，但是能耗較大，開(kāi)環(huán)電壓控制輸出轉(zhuǎn)矩的精度不高，恒張力控制效果不好，轉(zhuǎn)速范圍相對(duì)低，電機(jī)功率選擇性小。因三相交流力矩電機(jī)控制收卷張力是多用于機(jī)械減速比較大，以及張力精度要求不高的場(chǎng)合。第二變頻電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制：變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制方式主要依賴于矢量變頻器的開(kāi)環(huán)矢量控制（SVC），和閉環(huán)矢量控制（FVC）這兩種控制模式，使得三相交流異步電機(jī)工作在可控的轉(zhuǎn)矩輸出狀態(tài)下（按照電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩的百分比進(jìn)行的轉(zhuǎn)矩給定）。在實(shí)際使用中，共計(jì)使用過(guò)五種品牌的矢量型變頻器，有匯川MD380系列，臺(tái)達(dá)200系列，三菱E700系列，藍(lán)海華騰V6-H，以及吉泰科，這幾種不同品牌的矢量變頻器開(kāi)環(huán)矢量控制的轉(zhuǎn)矩輸出精度±5%，穩(wěn)速精度±0.02%。但是在實(shí)際使用中各變頻器開(kāi)環(huán)矢量控制的精度差異較大，尤其在低轉(zhuǎn)矩給定的情況下，穩(wěn)速精度較低。（）匯川MD380通用矢量變頻器是幾種變頻器品牌中控制轉(zhuǎn)矩較好的，一般情況下也只用于張力控制精度不高的場(chǎng)合。閉環(huán)矢量控制（FVC），是矢量型變頻器控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的最佳方式。其變頻器的控制主要依賴于變頻器CPU的數(shù)學(xué)模型矢量計(jì)算，然后對(duì)電機(jī)實(shí)行的控制。因此無(wú)論是SVC控制，還是FVC控制,第一步需要做的是電機(jī)的矢量識(shí)別，或者叫做電機(jī)參數(shù)調(diào)諧，電機(jī)矢量識(shí)別的方式有三種：1靜態(tài)調(diào)諧，2電機(jī)空載動(dòng)態(tài)調(diào)諧，3電機(jī)帶載動(dòng)態(tài)調(diào)諧，其中電機(jī)空載動(dòng)態(tài)調(diào)諧的效果最佳，一般選擇電機(jī)空載動(dòng)態(tài)調(diào)諧。當(dāng)矢量識(shí)別后，變頻器可以得到相關(guān)的電機(jī)參數(shù)，如異步電機(jī)定子，轉(zhuǎn)子電阻，漏感抗等相關(guān)的值，作為在轉(zhuǎn)矩控制時(shí)的矢量計(jì)算參數(shù)。閉環(huán)矢量控制（FVC）的反饋是速度反饋，一般情況下選擇編碼器作為速度反饋原件。編碼器最好選擇差分增量編碼器，并選擇相匹配的編碼器PG卡。差分增量編碼器更能適應(yīng)工況環(huán)境，編碼器PG卡的使用在各變頻器說(shuō)明書(shū)中都有具體介紹。閉環(huán)矢量控制（FVC）做電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制時(shí)需要設(shè)置的參數(shù)也比較簡(jiǎn)單，而且不同品牌的變頻器的設(shè)置參數(shù)大致相同。以匯川MD380的矢量變頻器為例，列出了主要相關(guān)的參數(shù)設(shè)置值。根據(jù)實(shí)際使用的情況對(duì)不，不同品牌的矢量型變頻器做閉環(huán)矢量控制（FVC）轉(zhuǎn)矩控制時(shí)，控制轉(zhuǎn)矩的精度相差不大。綜述以上分析：1：變頻電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制時(shí)，閉環(huán)控制的精度遠(yuǎn)大于開(kāi)環(huán)的控制精度。一般情況下應(yīng)盡量采用閉環(huán)控制。與開(kāi)環(huán)控制比較，在造價(jià)方面相差一只增量編碼器，和變頻器編碼器PG卡的費(fèi)用。2：變頻器的設(shè)置參數(shù)比較簡(jiǎn)單，調(diào)試方便，目前市場(chǎng)上的主流變頻器品牌都能夠滿足控制要求，因此變頻器的選型空間大。普通的三相交流異步電機(jī)能夠滿足使用，同樣電機(jī)的選型空間也較大。3:與力矩電機(jī)控制相比較，使用變頻器控制具有控制方法靈活，比如轉(zhuǎn)矩給定的方式模量電壓信號(hào)，模擬量電流信號(hào)，通訊等等，控制電機(jī)的啟停方式同樣也有多種方式，還具備轉(zhuǎn)矩控制與轉(zhuǎn)速控制的切換功能，在實(shí)際電氣控制中多樣化的功能設(shè)計(jì)，滿足不同的應(yīng)用場(chǎng)合。并且變頻器經(jīng)過(guò)矢量識(shí)別后對(duì)電機(jī)的保護(hù)功能強(qiáng)大，靈敏度高。并且變頻調(diào)速的范圍較寬，通常情況下最高轉(zhuǎn)速可以設(shè)置到100HZ。4：在采用閉環(huán)矢量控制（FVC）時(shí)，其控制是建立在數(shù)學(xué)矢量模型的計(jì)算上的，決定其轉(zhuǎn)矩控制精度的主要是兩個(gè)方面，矢量識(shí)別參數(shù)的準(zhǔn)確性，以及增量編碼器的脈沖信號(hào)的質(zhì)量。所以電機(jī)空載動(dòng)態(tài)識(shí)別的效果最佳。增量編碼需要選擇差分形式的，編碼器的線盡量使用雙屏蔽的雙絞線，并且屏蔽層單端可靠接地。變頻FVC的控制轉(zhuǎn)矩輸出精度是±5%，穩(wěn)速精度±0.02%。但是其控制的實(shí)質(zhì)與力矩電機(jī)控制是一樣的，尤其在轉(zhuǎn)矩給定低于5%時(shí)，轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩成非線性反比關(guān)系。所以一般情況下變頻器的轉(zhuǎn)矩給定要大于5%。綜述以上幾點(diǎn)，使用變頻器閉環(huán)矢量控制電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩時(shí)具有控制簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)矩輸出精度高，速度調(diào)整范圍寬，應(yīng)用靈活，恒張力控制效果較好。機(jī)械減速比的調(diào)整范圍比較寬（可選擇不同功率的電機(jī)），有利于機(jī)械設(shè)計(jì)加工。適用于對(duì)恒張力要求較高的場(chǎng)合，多用于股繩的收卷。但是不適合要求張力絕對(duì)恒定，以及穩(wěn)速精度極高的場(chǎng)合。第三利用壓力傳感器，或者位置傳感器做反饋信號(hào)的PID轉(zhuǎn)速控制：PID控制是過(guò)程控制的常用方法，通過(guò)對(duì)被控量的反饋信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)的差量進(jìn)行比例，積分，微分運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果來(lái)調(diào)整控制變頻器的輸出頻率（或者利用PLC的模擬量，數(shù)字量的形式輸出），構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)，使被控物理量（張力）穩(wěn)定在目標(biāo)值。其控制原理框圖如下：離散化處理的PID的計(jì)算公式如下：Mn=Kc*En+（Ki*En+Mx）+Kd*（En-（En-1））,也就是說(shuō)PID的輸出值二比例項(xiàng)+積分項(xiàng)+微分項(xiàng)。Mn：PID回路的輸出值；KC：增益；En:偏差值;En-1：上一時(shí)刻的偏差值；Ki：積分項(xiàng)的比例：Kd微分項(xiàng)的比例;Mx：積分項(xiàng)前值。在要求張力的值絕對(duì)恒定時(shí)，將壓力變送器，或者位置傳感器的這標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)作為反饋值。經(jīng)過(guò)PID運(yùn)算后，結(jié)果以變頻器頻率輸出或者PLC的模擬量數(shù)字量形式輸出。PID的運(yùn)算一般是通過(guò)兩種方式：第一通過(guò)PLC程序執(zhí)行，第二通過(guò)變頻器的PID應(yīng)用來(lái)實(shí)現(xiàn)的控制。以MD380變頻器內(nèi)置有PID調(diào)節(jié)器為例，通過(guò)頻率源輸出功能的選擇，可將變頻器設(shè)置成PID控制模式，具體的控制框圖如下：使用變頻器PID控制模式時(shí)具有參數(shù)設(shè)置簡(jiǎn)單，可以頻率的形式直接輸出，設(shè)計(jì)控制方法簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。使用PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)PID控制也比較方便，并且應(yīng)用靈活，以西門(mén)子200系列的PLC為例可以調(diào)用其指令向?qū)?，生成PID程序。當(dāng)然也可以自行編寫(xiě)PID的運(yùn)算程序。使用PLC向?qū)?shí)現(xiàn)PID控制時(shí)最大的優(yōu)點(diǎn)是可以使用PID控制調(diào)節(jié)面板，方便PID的相關(guān)參數(shù)調(diào)節(jié)，便于工程調(diào)試。同樣可以使用自己在PLC內(nèi)部編寫(xiě)PID程序。主要用的的計(jì)算公式如下1.增益公式MPn=Kc*（Spn-PVn）2.積分公式MIn=Kc*Ts/Ti*（Spn-PVn）+Mx3微分公式MDn=KC*Td/Ti*（PVn-1-PVn）。Ts：周期采樣時(shí)間，Ti：積分時(shí)間，Td：微分時(shí)間。在使用離散量的PID控制時(shí)優(yōu)點(diǎn)是控制方式簡(jiǎn)單，并且能夠保證放卷與收卷的張力恒定。但是比例參數(shù)，積分時(shí)間的參數(shù)值比較難調(diào)整。周期時(shí)間可以根據(jù)需要的最快響應(yīng)速度計(jì)算出來(lái)。比例，積分時(shí)間，微分時(shí)間需要?jiǎng)討B(tài)時(shí)不斷的調(diào)整需要一定的時(shí)間來(lái)調(diào)試，才能得出相對(duì)準(zhǔn)確的設(shè)定值。利用PLC的向?qū)傻腜ID調(diào)節(jié)器具有PID調(diào)節(jié)控制面，使用這個(gè)調(diào)節(jié)面板可以方便的看到實(shí)際值的變化趨勢(shì)，以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，并且具備手動(dòng)，和自動(dòng)調(diào)整模式，給比例，積分時(shí)間，微分時(shí)間的調(diào)整設(shè)定提供了方便。如下圖：在實(shí)際使用中，固定的放卷速度可以相對(duì)容易調(diào)整出比例參數(shù)，積分時(shí)間等參數(shù)，但是在加速狀態(tài)（比如啟動(dòng)時(shí)）或者加速狀態(tài)（比如停車(chē)時(shí)）并且加減速時(shí)間變化較快時(shí)，定速時(shí)所整定出的比例，積分時(shí)間可能滿足不了動(dòng)態(tài)的調(diào)節(jié)功能，可能造成加速是PID輸出值偏小，調(diào)節(jié)速度偏慢，減速時(shí)PID輸出值過(guò)大，調(diào)節(jié)速度過(guò)快或者在加減速時(shí)造成反饋的振蕩。為例解決這一問(wèn)題通常會(huì)將放卷的速度與收卷的速度計(jì)算出基準(zhǔn)速比。收卷的最終速度由基準(zhǔn)速比算出的速度值與PID調(diào)節(jié)的輸出相加。收卷在使用變頻器張力控制時(shí)，將放卷變頻器的模量輸出按照一定減速比例給定于收卷變頻器，在收卷變頻器內(nèi)做主加輔的控制方式。收卷在使用PLC控制時(shí)，可在編寫(xiě)程序時(shí)用減速比的值與PID輸出值相加，結(jié)果以數(shù)字量，或者模擬量的形式