收卷張力控制

收卷張力控制摘要：一：力矩電機，力矩控制器。力矩電機是一種具有軟件機械特性，和寬調(diào)速范圍的特種電機。并且以恒轉(zhuǎn)矩輸出。二：變頻電機，利用矢量型變頻器做變頻電機的轉(zhuǎn)矩控制，使變頻電機處于恒轉(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，或者位置傳感器來檢測傳動負載的張力，作為反饋信號通過PID過程控制的計算，使放卷與收卷保持相對應(yīng)的速度來達到傳動負載恒張力的控制。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，在實際生產(chǎn)中各有優(yōu)缺點，現(xiàn)將這三種電氣控制的方法進行闡述和比較。關(guān)鍵詞：力矩電機，變頻矢量轉(zhuǎn)矩控制，過程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，木盤）上。卷繞的直徑從始至末由小變大，為保持傳動負載（被卷繞產(chǎn)品）張力均衡（機線速度不變）就要求卷筒的轉(zhuǎn)速越越小，卷繞力越卷越大,。產(chǎn)品繞卷時卷筒的直徑逐漸增大（負載轉(zhuǎn)矩增大）。在整個過程中保持被卷產(chǎn)品的張力不變十分重要，若張力過大會將產(chǎn)品（如線材，紙制品）拉細或者斷裂亦或者產(chǎn)品厚度，直徑等不均勻工藝要求達不到要求。而張力過小則可造成卷繞松弛不能保證產(chǎn)品的收卷。為了使產(chǎn)品在卷繞過程中張力保持不變必須在產(chǎn)品卷繞到卷盤上的盤徑增大時驅(qū)動卷盤的電機的輸出力矩也要增大，同時保持卷繞的線速度不變，那么電機的轉(zhuǎn)速也要逐步減小。需要達到上述要求的控制，在實際應(yīng)用中通常采用力矩電機控制，變頻電機轉(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際應(yīng)用中的優(yōu)缺點進行比較，并且分析這三種控制方式在使用過程中的注意點。第一力矩電機：力矩電機是一種具有軟機械特性和寬調(diào)速范圍的特種電機。這種電機的軸不是以恒功率輸出動力而是以恒力矩輸出動力,當(dāng)負載增加時，電動機的轉(zhuǎn)速能自動的隨之降低，而輸出力矩增加，保持與負載平衡。力矩電機的堵轉(zhuǎn)矩高，堵轉(zhuǎn)電流小，能承受一定時間的堵轉(zhuǎn)運行。在實際應(yīng)用中力矩電機控制卷繞恒張力存在如下幾個問題：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，更為嚴重。因此力矩電機的能耗較大并且需要強制風(fēng)冷。為了保證風(fēng)冷的效果，一般力矩電機的后端蓋上開孔，風(fēng)冷可直接冷卻定子以及轉(zhuǎn)子，這樣來保證冷卻效果。但是會導(dǎo)致力矩電機內(nèi)部粉塵大，甚至有異物。從而減少電機的使用壽命。力矩電機控制器是一種電子調(diào)壓裝置，是力矩電機的控制元件，在恒轉(zhuǎn)矩負載情況下，可以通過改變加在定子繞組上的電壓來改變轉(zhuǎn)速；在卷繞控制中，由于負載不斷增加，電機輸出的轉(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的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩成反比。在要求張力恒定的場合，要求這種反比關(guān)系是呈線性的。但是在實際使用中，由于空載減速機的阻力等因素嗎，這種反比關(guān)系不可能是線性關(guān)系，因此單純的開環(huán)電壓控制并不能保證力矩電機的輸出轉(zhuǎn)矩恒定不變。因此可以選擇帶轉(zhuǎn)速反饋的力矩控制器。對于卷繞盤空盤直徑與滿盤直徑相差比較大的情況下，就要求電機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍比較寬。而力矩電機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)只能從最高額定轉(zhuǎn)速做降速運行。因此調(diào)速范圍相對不寬。根據(jù)某電機廠家提供的交流三相力矩電機的技術(shù)資料情況可以知道常用三相交流力矩電機的功率大約在1.5KW-7.5KW之間最大的輸出力矩是40NM。綜述以上分析的幾點，用三相交流力矩電機控制收卷張力控制時造價經(jīng)濟，安裝方便，但是能耗較大，開環(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)速范圍相對低，電機功率選擇性小。因三相交流力矩電機控制收卷張力是多用于機械減速比較大，以及張力精度要求不高的場合。第二變頻電機轉(zhuǎn)矩控制：變頻電機的轉(zhuǎn)矩控制方式主要依賴于矢量變頻器的開環(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工作在可控的轉(zhuǎn)矩輸出狀態(tài)下（按照電機的額定轉(zhuǎn)矩的百分比進行的轉(zhuǎn)矩給定）。在實際使用中，共計使用過五種品牌的矢量型變頻器，有匯川MD380系列，臺達200系列，三菱E700系列，藍海華騰V6-H，以及吉泰科，這幾種不同品牌的矢量變頻器開環(huán)矢量控制的轉(zhuǎn)矩輸出精度±5%，穩(wěn)速精度±0.02%。但是在實際使用中各變頻器開環(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合。閉環(huán)矢量控制（FVC），是矢量型變頻器控制電機轉(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)模型矢量計算，然后對電機實行的控制。因此無論是SVC控制，還是FVC控制，第一步需要做的是電機的矢量識別，或者叫做電機參數(shù)調(diào)諧，電機矢量識別的方式有三種：1靜態(tài)調(diào)諧，2電機空載動態(tài)調(diào)諧，3電機帶載動態(tài)調(diào)諧，其中電機空載動態(tài)調(diào)諧的效果最佳，一般選擇電機空載動態(tài)調(diào)諧。當(dāng)矢量識別后，變頻器可以得到相關(guān)的電機參數(shù)，如異步電機定子轉(zhuǎn)子電阻，漏感抗等相關(guān)的值，作為在轉(zhuǎn)矩控制時的矢量計算參數(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明書中都有具體介紹。閉環(huán)矢量控制（FVC）做電機的轉(zhuǎn)矩控制時需要設(shè)置的參數(shù)也比較簡單，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。序;功能碼定義設(shè)定值備注

F0-01234F1-27F1-30電機控制方式電機額定電流編碼器線數(shù)ABZ編碼器相序電機額定功率設(shè)定根據(jù)電機銘牌電機額定轉(zhuǎn)速牌設(shè)定設(shè)定根據(jù)編碼器銘根據(jù)實際方向F0-01234F1-27F1-30電機控制方式電機額定電流編碼器線數(shù)ABZ編碼器相序電機額定功率設(shè)定根據(jù)電機銘牌電機額定轉(zhuǎn)速牌設(shè)定設(shè)定根據(jù)編碼器銘根據(jù)實際方向7A0-00速度/轉(zhuǎn)矩方式選擇1轉(zhuǎn)矩控制方式8A0-01轉(zhuǎn)矩設(shè)定源0根據(jù)具體的控制方式選擇9A0-03轉(zhuǎn)矩設(shè)定值15%可根據(jù)轉(zhuǎn)矩要求更改根據(jù)實際使用的情況對不，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，控制轉(zhuǎn)矩的精度相差不大。綜述以上分析：1：變頻電機轉(zhuǎn)矩控制時，閉環(huán)控制的精度遠大于開環(huán)的控制精度。一般情況下應(yīng)盡量采用閉環(huán)控制。與開環(huán)控制比較，在造價方面相差一只增量編碼器，和變頻器編碼器PG卡的費用。2：變頻器的設(shè)置參數(shù)比較簡單，調(diào)試方便，目前市場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能夠滿足使用，同樣電機的選型空間也較大。3:與力矩電機控制相比較，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，模擬量電流信號，通訊等等，控制電機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，在實際電氣控制中多樣化的功能設(shè)計，滿足不同的應(yīng)用場合。并且變頻器經(jīng)過矢量識別后對電機的保護功能強大，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，其控制是建立在數(shù)學(xué)矢量模型的計算上的，決定其轉(zhuǎn)矩控制精度的主要是兩個方面，矢量識別參數(shù)的準(zhǔn)確性，以及增量編碼器的脈沖信號的質(zhì)量。所以電機空載動態(tài)識別的效果最佳。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%。但是其控制的實質(zhì)與力矩電機控制是一樣的，尤其在轉(zhuǎn)矩給定低于5%時，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，使用變頻器閉環(huán)矢量控制電機輸出轉(zhuǎn)矩時具有控制簡單，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。機械減速比的調(diào)整范圍比較寬（可選擇不同功率的電機），有利于機械設(shè)計加工。適用于對恒張力要求較高的場合，多用于股繩的收卷。但是不適合要求張力絕對恒定，以及穩(wěn)速精度極高的場合。

第三利用壓力傳感器，或者位置傳感器做反饋信號的PID轉(zhuǎn)速控制：PID控制是過程控制的常用方法，通過對被控量的反饋信號與目標(biāo)信號的差量進行比例積分，微分運算，運算結(jié)果來調(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離散化處理的PID的計算公式如下：Mn二Kc*En+(Ki*En+Mx)+Kd*(En-(En-l)),也就是說PID的輸出值二比例項+積分項+微分項。Mn：PID回路的輸出值；KC:增益；En：偏差值;En-l：上一時刻的偏差值；Ki：積分項的比例：Kd微分項的比例；Mx：積分項前值。在要求張力的值絕對恒定時，將壓力變送器，或者位置傳感器的這標(biāo)準(zhǔn)模擬信號作為反饋值。經(jīng)過PID運算后，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的運算一般是通過兩種方式：第一通過PLC程序執(zhí)行，第二通過變頻器的PID應(yīng)用來實現(xiàn)的控制。以MD380變頻器內(nèi)置有PID調(diào)節(jié)器為例，通過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：K3mi器PID控制模式時具有參數(shù)設(shè)置簡單，可以頻率的形式直接輸出，設(shè)計控制方法簡單等優(yōu)點。過程找制的頻岀関環(huán)控制使用變頻i-A-t'imfRturn1內(nèi)賈NDK3mi器PID控制模式時具有參數(shù)設(shè)置簡單，可以頻率的形式直接輸出，設(shè)計控制方法簡單等優(yōu)點。過程找制的頻岀関環(huán)控制使用變頻i-A-t'imfRturn1內(nèi)賈ND調(diào)布髀—d 1J_1嚴狂卄 J*1Efl ；fta：*r*P1D2:IIHrI￡lJt-li使用PLC來實現(xiàn)PID控制也比較方便，并且應(yīng)用靈活，以西門子200系列的PLC為例可以調(diào)用其指令向?qū)В蒔ID程序。當(dāng)然也可以自行編寫PID的運算程序。使用PLC向?qū)崿F(xiàn)PID控制時最大的優(yōu)點是可以使用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PID程序。主要用的的計算公式如下1?增益公式MPn二Kc*(Spn-PVn)2.積分公式Mln二Kc*Ts/Ti*(Spn-PVn)+Mx3微分公式MDn二KC*Td/Ti*(PVn-1-PVn)。Ts：周期采樣時間，Ti：積分時間，Td：微分時間。在使用離散量的PID控制時優(yōu)點是控制方式簡單，并且能夠保證放卷與收卷的張力恒定。但是比例參數(shù)，積分時間的參數(shù)值比較難調(diào)整。周期時間可以根據(jù)需要的最快響應(yīng)速度計算出來。比例，積分時間，微分時間需要動態(tài)時不斷的調(diào)整需要一定的時間來調(diào)試，才能得出相對準(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，使用這個調(diào)節(jié)面板可以方便的看到實際值的變化趨勢，以及動態(tài)響應(yīng)速度，并且具備手動，和自動調(diào)整模式，給比例，積分時間，微分時間的調(diào)整設(shè)定提供了方便。如下圖：在實際使用中，固定的放卷速度可以相對容易調(diào)整出比例參數(shù)，積分時間等參數(shù)，但是在加速狀態(tài)(比如啟動時)或者加速狀態(tài)(比如停車時)并且加減速時間變化較快時，定速時所整定出的比例，積分時間可能滿足不了動態(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PID輸出值過大，調(diào)節(jié)速度過快或者在加減速時造成反饋的振蕩。為例解決這一問題通常會將放卷的速度與收卷的速度計算出基準(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,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，可在編寫程序時用減速比的值與PID輸出值相加，結(jié)果以