摘要 I 摘要 張力控制是生產(chǎn)過程中極其重要的一環(huán)，良好的張力控制能夠確保產(chǎn)品質量，提高生產(chǎn)效率。本文 主要介紹了張力控制變頻收卷的控制原理。此技術能夠 保證 收卷的整個過程很穩(wěn)定 ,避免小卷時張力過大；大卷啟動時張力過小的現(xiàn)象。收卷中張力的控制就現(xiàn)在來說還是個難題，文章中基于建立的數(shù)學模型，介紹了變頻收卷的原理 ,按照一定的控制策略進行數(shù)據(jù)處理，實時調整控制信號 。 通過 PLC進行 卷徑的計算， 改變 變頻器 的 輸出頻率，對電機進行控制 。 對收卷而言，隨著卷徑的逐漸增大，轉矩的值也隨之增大，變頻器輸出的速度將隨之減少，符合收卷的基本原理， 同時張力也在控制之中。 系統(tǒng)實現(xiàn)了收卷張力的工藝定量化，完成了轉矩和速度的自動跟蹤轉變 。為了改進系統(tǒng)的控制性能，我們必須改進控制的 策略。 在收卷系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的 PI控制不能夠很好地滿足張力控制的精度，穩(wěn)定程度。所以文章在最后提出了模糊自適應 PID控制方法，應該是以后張力控制 算法 的主流研究方向。 關鍵詞 ： 變頻器，收卷，張力控制 Abstract II ABSTRACT Good tension control improves product quality and productivity。 The article introduces the control principle of tension controlled variable frequency。 This technology makes the whole winding process stable and avoids the over tension of small winding and keep tension not getting too small in big rolling。 The control of tension upon rolling-up is the conundrum at present。 This article not only based the math model， but also introduced the project of invariable tension control according PLC which calculated the rolling diameter and adjusted the output frequency of transducer。 And then, control the induction machine， for the winding machine， we use the vector controls torque function to solve the problem of the constant speed system。 The project achieved ideal that tension upon rolling-up is quantitative and torque with speed automatic follow conversion。 In order to improve the performance of project, we must modify the control strategy to meet the needs。 In this system, traditional PI control can not satisfy the requirements the precision of tension control and the stability of control system. Lastly, introduce the fuzzy learning PID which should be main control strategy in tension control。 Key Words： Transducer， rolling-up， tension control 目錄 III 目錄 第 1 章 緒論 . 5 1.1 引言 . 5 1.2 收卷特性與力矩電機 . 5 1.3 變頻器發(fā)展簡介 . 6 第 2 章 張力及其控制簡介 . 6 2.1 卷繞系統(tǒng)的張力及其控制 . 7 2.2 張力控制的發(fā)展歷史 . 8 第 3 章 收卷過程分析 . 9 3.1 收卷過程動態(tài)過程方程建立 . 9 3.2 張力控制的常用方式 . 11 第 4 章 電機的 選取 . 12 4.1 力矩電機和力矩控制器的發(fā)展 . 13 4.2 交流、直流電機控制方式的比較 . 13 第 5 章 張力控制變頻收卷 . 14 5.1 變頻器的控制原理 . 14 5.2 變頻收卷的控制原理 . 15 5.2.2 張力控制變頻收卷的優(yōu)點 . 15 5.2.3 變頻收卷模型及其原理 . 15 5.3 控制系統(tǒng)實現(xiàn)的簡單分析 . 17 5.4 控制方案的實現(xiàn) . 18 5.4.1 本系統(tǒng)可以實現(xiàn)以下的幾個功能 . 18 5.4.2 PLC 的作用 . 18 5.5 系統(tǒng)硬件概況圖形如下 . 19 5.6 變頻器的選取及其控制模式的選取 . 19 5.6.1 各種不同種類，型號的變頻器的特點 . 19 5.6.2 轉矩控制方式 . 20 5.6.3 矢量控制原理 . 21 5.6.4 采用矢量控制方式的基本要領 . 22 5.6.5 變頻控制規(guī)律的分析 . 22 5.7 可編程控制器（ PLC）介紹 . 23 5.7.1 可編程控制器概述 . 23 目錄 IV 5.7.2 SIMATIC S7-200 簡介 . 25 5.8 電機選型所需數(shù)據(jù)計算 . 26 5.9 調試過程 . 26 5.10 張力控制未來發(fā)展趨勢 . 27 致謝 . 錯誤 !未定義書簽。 參考文獻 . 28 附錄 :轉徑計算部分程序 . 29 參考文獻 5 第 1 章 緒論 1.1 引言 在塑料、橡膠、金屬材料、纖維、造紙 、及電線電纜 、銅 箔 等生產(chǎn)加工時，卷繞是最后一道工序，也是一個重要的工序 1。隨著產(chǎn)品的不斷卷繞，卷筒的直徑逐漸增大。而在這個過程中，要求時刻保持著 一定 的張力。因為張力過大，會造成產(chǎn)品厚薄不均，或是 線徑發(fā)生變化 ；而張力過小，將使卷繞的產(chǎn)品松馳。 在收卷機的調速系統(tǒng)中， 張力是變化的主要因素 。隨著產(chǎn)品卷繞時卷徑的增大，卷繞的力矩隨卷徑增大而增加。而產(chǎn)品的主傳動的速度是固定不變的，為了使產(chǎn)品在收卷的過程中能夠保持恒定的線速度，就必須使用恒張力控制技術來控制收卷機。必須使卷盤轉速隨卷徑的增加而降低，通常要求卷繞電動 機的轉速隨卷筒直徑的增加而減少 2。 1.2 收卷特性與力矩電機 卷繞過程中的恒張力 的 特性，叫做卷繞特性，即 P=FV為 常數(shù) (P：功率； F:張力； V:線速度 )3。但 收卷輥從空盤到滿盤的收卷 過程中，卷繞直徑是逐漸增加的，由于收卷張力 要保持 恒定， 作用在卷 盤上的卷繞力矩 T必須隨卷繞直徑的增加而增大。卷繞特性要求收卷的線速度恒定，這樣，收卷棍 的轉速就必須隨卷徑的增加而降低，以滿足卷繞特性，保持線速度恒定。 在工藝上往往要求張力是變 化 的，那么張力 T就要根據(jù)工藝的要求而 做出改變 ,一般情況保持恒定即可 。 反映卷繞過程中力矩 和轉速關系的曲線為一雙曲線，稱為卷繞特性曲線，如下圖 。 圖 1.1 卷繞特性曲線 力矩電機的力矩與速度的特性很符合卷繞的特性曲線，在一定的系統(tǒng)精度要求下，往往選取力矩電機直接控制驅動收卷輥，也能有比較好的控制 效果 .但速度的范圍會有一定的限制， 從 圖 1.1中可以看到 在 1/3到 2/3的最大要求速度內有比較好的效果。也就是調速范圍不是很大，在啟動和停止的時候不一定能有好的控制效果，所以現(xiàn)在的控制往往目錄 6 改用一般的電機，采用變頻器控制。 1.3 變頻器發(fā)展簡介 變頻器的產(chǎn)生是現(xiàn)代電力電子技術、自動化控制技術和計算機技 術高度發(fā)展的產(chǎn)物。自從二十世紀九十年代開始，變頻器陸續(xù)進入商用階段。隨著科研人員及各行各業(yè)人力、物力的不斷投入，開始研制出了大規(guī)模的 GTO、 GTR、 IGBT和 IMP的晶體管開關模塊，使變頻器的應用范圍越來越廣，使其低電壓等級向高電壓等級發(fā)展電流由幾安培擴大到幾千安培，成本大幅度降低，體積減小，可靠性增強，技術日趨完善 4。伴隨著計算機E2PLD、 CPU速度、集成度的提高，出現(xiàn)了新型的帶有通訊功能，智能高性能磁場定向控制技術和直接轉矩控制技術的矢量變頻器，使得變頻器技術在各個領域得中到更廣泛的應用。尤其是 能 耗大 的企業(yè)，使用變頻器來降低工廠用電的損耗是人們考慮節(jié)能降耗的一個重要課題。 第 2 章 張力及其控制簡介 卷繞機構對控制系統(tǒng)的基本要求是保持卷材的張力恒定，所以有必要知道張力是怎 參考文獻 7 么產(chǎn) 生的，這樣才能找到設計恒張力控制系統(tǒng)的正確途徑。還應當了解當前 常用的張力控制方法。 2.1 卷繞系統(tǒng)的張力及其控制 收卷輥放卷輥基體走向基體放卷圖 2.1 卷繞系統(tǒng)示意圖 圖 2.1所示為卷繞系統(tǒng)收卷放卷示意圖。設卷材張力為 T ，卷輥直徑為 D ， 放卷 輥 在運行 中卷材的線速度為 V1，收卷輥 運行的線速度為 V2。如果 V2 V1 ，則卷材將被拉伸，卷材張力變大；如果 V21V，以使卷材內產(chǎn)生一定的張力，當卷材達到合適張力后，應該及 時調節(jié)動力機構使 V2穩(wěn)定，這樣，卷材就在此張力下穩(wěn)定運行。 張力控制系統(tǒng)是現(xiàn)代工業(yè)中廣泛應用的控制系統(tǒng)之一。所謂張力控制，是指在一般的造紙、冶金等卷材控制及生產(chǎn)設備中，在生產(chǎn)時對材料的張緊度進行控制 ，過大的張力會導致材料的變形、甚至斷裂，過小的張力又會因為松弛導致跑偏；張力控制不穩(wěn)也會造成切斷長度不穩(wěn)定等現(xiàn)象。工業(yè)實際生產(chǎn)過程中的張力控制是一個大時變、非線性的系統(tǒng)，具有變參數(shù)、變負載、強擾動等一系列特點。本文以片材卷取時的張力控制為研究對象，在片材 ，管材等 的生產(chǎn)過程中，卷取作為生產(chǎn)工藝中的最后一道工序直接影響著產(chǎn)品的質量。 自從上個世紀二十年代第一卷熱軋鋼卷在 Armco Butler 熱軋廠生產(chǎn)出，金屬 鋼的生產(chǎn)就出現(xiàn)了新的領域。然而在隨后的幾十年里，人們對板帶的卷取技術似乎一直不太關目錄 8 注。直到客戶對鋼材 的外觀質量與表面質量提出更高的要求時，卷取技術才納入工程師們的 研究范圍。卷取作為生產(chǎn)工藝中的最后一道工序直接影響產(chǎn)品的量。 在歷史上，由于卷取技術的原因，曾出現(xiàn)過高達 10%的次品率。為了解決卷取技術中的難題，各國 都花費了大量的人力、物力、財力進行技術研究及技術改造。然而，卷取過程中造成次品的原因一般都不能很好的得到解釋，原因就是人們缺少直接檢測和分析的手段，人們現(xiàn)在唯一能進行的就是對卷取過程中的張力進行控制。我們都知道，一張紙如果沒有繃緊，是沒有辦法卷緊的；如果張力不恰當，紙卷的邊緣將不齊，紙卷就會有的緊有的 松散；張力過大，紙張就很容易被拉斷。在冶金，塑料等行業(yè)中，對板片等的卷取，也具有相同的問題。為了提高片材的成材率，根據(jù)不同的加工工藝及被卷取的物料的特性，我們應該設置相應的張力，然后在卷取過程中，保持該張力值恒定，才能得到好的產(chǎn)品?？傊?，恒張力控制是卷取技術的關鍵 6。 2.2 張力控制的發(fā)展歷史 恒張力卷取控制 般分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩大類。開環(huán)控制就是利用有些電機的本身所具有的與卷繞特性相似的軟 機械特性，直接用這類電機來傳動卷繞機構，以獲取近似的恒張力控制。 力矩電機就是一種這樣的電機。閉環(huán)控制又分為直 接 、 間接和復合張力控制三種方式 7： （ 1）直接張力控 制是一種最直接、最有效的控制方式之一。 直接張力控制方式中，設置有張力檢測元件、張力輥和張力控制環(huán)，利用張力檢測元件的檢測信號與給定張力值比較，經(jīng)張力控制環(huán)后去驅動執(zhí)行機構，控制張力輥的位置，達到控制張力的目的，這種張力控制方式優(yōu)點是張力控制精度高，從理論上可以實現(xiàn)零誤差控制 ；缺點是控制精度依賴于張力檢測元件的精度。如果 現(xiàn)場環(huán)境比較惡劣，如酸霧對檢測元件的腐蝕，就可能導致張力控制失效。 （ 2）由于引起張力 T或者線速度 V變化的主要擾動量是卷徑 D的變化，所以 在實際加工過程中，通過不斷檢測卷徑 D的變化來調節(jié)控制信號以保持張力恒定。在這種情況下，卷徑 D的變化是引起張力波動的主要因素，是一種擾動量，所以在卷繞過程中要按照擾動量的變化不斷調節(jié)其他電參量，以抵消卷徑 D的變化對張力的影響，這種方式稱為擾動補償控制，又稱為間接法張力控制。但是在實際卷繞系統(tǒng)中，擾動量不只卷徑一個，只有在簡單的、要求不高的系統(tǒng)中，才只設法補償卷徑 D對張力的影響。在要求較高的場合，還需要對其他的擾動量進行補償控制。嚴格來說，這種控制只能是一種近似的恒張力控制。 間接張力控制系統(tǒng)中沒有張力檢測元件 ，對張力的控制是通過對卷取機構的物理方程進行靜態(tài)、動態(tài)分析，從中找出影響張力的所有電氣物理量，對這些物理量進行控制，從而達到恒張力控制的目的。根據(jù)不同的物理量采用不同的方法 ，一般有電流反饋、電樞反電勢反饋、卷徑反饋等 。由于間接張力控制涉及多個參數(shù)的控制，一般需采用多閉環(huán)的控制方式來實現(xiàn)。這種恒張力控制方式的優(yōu)點是減少了張力輥及相應的檢測元件，降低了系統(tǒng)成本，缺點是控制方式更為復雜，控制精度相對地比直接張力控制方式的低， 參考文獻 9 并且完全依賴于控制器的精度。 （ 3）復合恒張力控制方式是在間接張力控制方式的基礎上，再 增加一個張力閉環(huán)，形成一個三環(huán)控制系統(tǒng)，該控制方式優(yōu)點是不僅具有直接張力控制的精度，還具有間接張力控制方式的快速性能和跟隨性能，缺點是投資成本大，控制方式更為復雜 。 為了更好的獲得控制精度和更好的動態(tài)過程，有時可采用復合控制方法。在控制過程中，不僅設置有擾動補償控制，還有張力閉環(huán)控制等其他控制方式，這樣的控制效果較一般的單一控制方式而言，效果會好一些，但是由于成本較高，而且控制起來也很復雜，所以常常使用于要求較高的場合。 在實際中，應用最為廣泛的是間接張力控制方式，其控制精度完全取決于控制器。在上世紀八十年 代以前，控制系統(tǒng)一般以模擬器件為主，系統(tǒng)的精度一般都不高。進入九十年代后，隨著機電制造技術、電力電子技術、計算機技術、檢測技術的發(fā)展，專用張力控制設備 (器件 )有了飛速的發(fā)展，張力控制的精確度也得以不斷提高。傳統(tǒng)的張力控制主要采用常規(guī)的 PID控制， PID控制是基于偏差的比例、積分和微分的集成式控制方法，具有原理簡單、易于實現(xiàn)、魯棒性強和適用面廣，可以改善系統(tǒng)的動態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性等優(yōu)點，只要正確的設定其參數(shù)便可以實現(xiàn)其控制作用，因而被廣泛的作為控制器應用于張力控制系統(tǒng)中。我們在進行 PID控制器的參數(shù)整定時，一般 認為被控制對象的參數(shù)是恒定不變的， 即假設系統(tǒng)是一個時不變系統(tǒng)，通過對動慣量的補償和卷徑的擾動補償，實現(xiàn)恒張力控制。 第 3 章 收卷過程分析 3.1 收卷過程動態(tài)過程方程建立 在收卷過程中，假定 V1恒定，卷繞線速度 V2=D2n2 ,則 V2 將隨卷徑 D2的增大正比的增大，張力 T也成正比的增大，卷繞軸上的卷繞力矩 M2=TD2/2將以更快的速率增大，這樣很容易引起卷繞過程中卷材的過度拉伸而導致卷材變形甚至斷裂。所以，在啟動結束后應該立即保持 V2不變，使卷材張力恒定，由式 n2=V2/（ D2） 知， n2應隨卷徑 D2的增加目錄 10 而成反比地減小。在收卷 中，根據(jù)動態(tài)力矩平衡有 7。 2 2 22 2 2() ()2d J W T DM B f t Wdt （ 3.1） 式 中： M2為作用在收卷輥上的等效拖動力矩 ; D2為收卷卷徑 ; W2為收卷輥的角速度 ; Bf2(t)為阻尼系數(shù) ; J2為收卷輥的轉動慣量 。 （ J2= J2K +J20 , J2 K為收卷筒上卷材的轉動慣量， J20為收卷輥芯軸的轉動慣量 ） . 由于在卷繞過程中，收卷輥的轉動慣量隨時間的變化而變化，即 J 2K 是時間的函數(shù)，對于這種非線性的時變系統(tǒng)又增 加了控制難度。 對式 (3.1)加以分析，如果卷輥勻速轉動，且不考慮阻尼系數(shù)的變化，而且在實際生產(chǎn)過程中，卷軸軸心的轉動慣量 J20往往要遠遠大于薄膜這樣密度較小的卷材的轉動慣量J2K ， 所以可以將總轉動慣量 J2認為是 一個恒定值。 由此可得到卷繞系統(tǒng)的靜態(tài)力矩平衡方程 7。 22 2 2()2TDM B f t W . （ 3.2） 由 式 (3.2)變化得到張力表達式 。 2 2 222 * ( ( ) )M B f t WT D （ 3.3） 所以在靜態(tài)時，只要控制好2 2 2()M B f t W，使其跟隨卷徑 D2的變化而變化，即可保證卷材張力 T為恒定，控制起來 要 簡單方便。 顯然，在實際卷繞過程中，總要受到外界因素的干擾，所以，靜態(tài)卷繞只是一種最為理想的情況，在實際過程中很難實現(xiàn)。對于動態(tài)力矩方程 ,可以看到影響力矩平衡的因素很多，如卷材質量 m ，實時卷徑 D2 ，轉動慣量 J 2K ，阻尼系數(shù) Bf2(t)， 角速度 W2等，所以有必要作進一步的討論。設 卷材 的密度為 ，寬度為 b，收卷輥軸心直徑為 D20，則有 ： 220 2 022 442 2 22 2 2 2 01( ) ( ) * ( )4 2 4 3 2DDKD D DJ R d m b d D b D D （ 3.4） 把（ 3.4）代入公式 J2=J2K +J20 可得 。 32 2 2 2*8Kd J d J b D d Dd t d t d t （ 3.5） 由公式2222Vw D 得： 2 2 2 2 2 2222( / ) 222 * * *d w d V D d V V d Dd t d t D d t D d t . . （ 3.6） 將公式（ 3.5）（ 3.6）（ 3.7）代入公式（ 3.2）中有： 參考文獻 11 32 2 2 2 2 2 2 22 2 2 222 2 2 2 22 2 2 2( ) ( ) ( )28T D V d V V d D V b D d DM B f t JD D D D d t D d t . .（ 3.7） 力矩方程 (3.7)中包含有線速度 V2和卷徑 D2的微分，顯然 ，這兩者之間是有密切的聯(lián)系的。設 卷材 厚度為 ，已 知卷材 長為 L ，由面積相等可得： 2222Dd S d D d L 可推出：2 22d D d LD 可以得到：2 22222dD dL Vd t D d t D .（ 3.8） 將式（ 3.8）代入（ 3.7）中，即可得到張力 T的表 達式： 442 4 2 22 0 2 0 2 2 02 2 2 22 0 2 2 24 2 22 2 2 2 24 ( ) / 3 2 2483* ( ) ( )4 fD J b D DM V V d VT J V b V B tD D D D D d t .（ 3.9） 由于 卷材 厚度一般很小，所以在卷繞過程中，卷徑的變化一般不會很快。所以在較短的時間內，可以將卷徑 D2看作是一個常數(shù)，同時在進行動態(tài)分析時，可以考慮摩擦轉矩是一恒定值，則上式表明了卷材張力 T與線速度 V2的關系。由于線速度 V2有平方項和導數(shù)項存在，所以線速度 V2的較小變化必將引起卷材張力 T 的較大變化，反過來，卷材張力 T有較小變化時，線速度 V2 的變化不是很明顯，即兩者之間的相互影響力是不一樣的。如果將卷徑 D2的變化考慮在內，由式（ 3.9）可以看出卷 徑 D2對于卷材張力 T的影響也較為顯著和激烈。 收卷輥半徑和收卷輥角速度的變化是影響片材張力的主要因素。在片材收卷時片材運動速度一般保持不變，要求片材張力恒定，因此需要根據(jù)收卷輥角速度變化及時調整輸出控制力矩 M(t)。 通過計算機補償計算后，把收卷輥角速度的變化轉變?yōu)榱仉姍C電樞上電壓的變化，從而實現(xiàn)對張力的及時調整控制。 3.2 張力控制的常用方式 根據(jù)執(zhí)行機構的不同張力控制方式可以分為電機張力控制系統(tǒng)、電液張力控制系統(tǒng)、磁粉張力控制系統(tǒng)以及其他的如杠桿搖擺式張力控制系統(tǒng)等 8。這里僅論述電機張力控制系統(tǒng)和 磁粉張力控制系統(tǒng)兩種。 電機張力控制系統(tǒng)是目前應用最為廣泛的一種，其中，執(zhí)行電機又有直流電機和交流電機兩種。這兩種電機都有各自的優(yōu)點和缺點，到底使用那種電機，這要根據(jù)實際需要來決定，而不能一概而論。但是，不論使用那一種電機，其控制原理框圖均可以用下圖來表示： 目錄 12 圖 3.1 張力控制系統(tǒng)原理圖 第 4 章 電機的選取 作為收卷動力的任何裝置，根據(jù)其 機械特性 在 不同的 應用場合，均應滿足卷繞特性?？勺鍪站€動力的裝置很多，如力矩電機、直流電機和 滑差電動 。 通過電控系統(tǒng)，均能 不同程度地滿足卷繞特性。 下面簡單介紹以下三種電機，并做出選擇。 參考文獻 13 4.1 力矩電機和力矩控制器的發(fā)展 力矩電機是其中最簡單、 經(jīng)濟的一種傳動方式，它的特殊設計的結構，能使其在卷繞過程保持張力恒定，尤其在額定轉速的 1 3到 2 3之間 9，機械特性曲線 和 卷繞特 性曲線 非常接 近 (見圖 1.1)， 相對功率近似不變，而張力則正比于功率。因此，在使用力矩電機做收線動力時恰當?shù)剡x擇和計算其輸出 力 矩和額定轉速并與收線張力和收線速度匹配好，是用好力矩電機的要求 。 隨著科技的發(fā)展，尤其是電力電子技術，計算機控制技術和各種各樣的控 制算法的出現(xiàn)，張力控制器的性能已經(jīng)越來越好了。比如上海浩正電氣有限公司的 YLJ-K-3F系列力矩電機控制器就是其中一種。 其主要特點 是在線速度變化以后，張力仍能保持在所允許的范圍內，電機性能與卷繞 性能協(xié)調匹配，因此能代替?zhèn)鹘y(tǒng)復雜的設備系統(tǒng)，大大節(jié)省投資。是機電一體化 中 力矩電機的理想配套裝備?？刂破鞑捎每煽毓鑼﹄姍C無級調速、電壓調節(jié)平穩(wěn)，啟動性能好。該控制器有開環(huán)、閉環(huán)兩種控制模式。開環(huán)控制模式系統(tǒng)簡單，調整方便，但想要得到比較高的控制精度還是要選用閉環(huán)控制模式。閉環(huán)控制模式是指系統(tǒng)中有檢測傳感器，如張力傳感器 ，速度傳感器，電流傳感器，溫度傳感器，等能將所需控制的物理量轉換成電壓訊號反 饋到控制器中，然后控制器通過調節(jié)電壓的方式對這些物理量實現(xiàn)閉環(huán)控制 。 在產(chǎn)品的卷取過程中，要求 卷材 的張力保持恒定，不能隨著卷徑的變化而變化，有時因張力的變化會影響產(chǎn)品的質量。采用什么樣的力矩電機和什么樣的控制器是這個控制方案的關鍵。但因為力矩控制器的控制精度相對變頻控制而言還是要低些。而且調節(jié)速度的范圍受到力矩電機自身特性的限制，調速的范圍不夠寬，并且要想取得比較高的控制精度還是要加傳感器，這樣價格就比較高了。 4.2 交流、直流電機 控制方式的比較 長期以來，直流電機由于具有良好的起制動性能和容易實現(xiàn)大范圍內平滑調 速度 的優(yōu)點，在卷繞機構傳動控制中一直占據(jù)著主導地位。直流電機用于卷繞傳動時，由于卷繞過程中一般要求速度和張力均恒定，根據(jù)前面 的分析知道，卷輥的轉速應該與卷徑成反比，這就要求調節(jié)帶動此輥軸 電機的轉速，僅僅只需要調節(jié)器勵磁電流即可實 現(xiàn)直流調速，實現(xiàn)起來非常簡單。但是直流電機也有其自身致命的弱點既 機械式換向器，同時直流電機價格也非常昂貴。交流變頻技術出現(xiàn)前，交流調速一直比較困難，不如直流調速控制簡單方便，所以限制了交流電機的大范圍應 用。隨著變頻調速技術的出現(xiàn)，交流電機在傳動控制方面的優(yōu)越性漸漸顯露出來，不但能夠取得良好的起制動性能，還能夠在一定的范圍內實現(xiàn)平滑調速，而且交流電機較直流電機而言，還具有結構簡單、價格便宜、制造方便及維修容易等特點，所以將會逐漸取代直流電機在卷繞機構的速度調節(jié)和張力控制中的主導地位，成為眾多生產(chǎn)廠家的首選調速機械。 目錄 14 第 5 章 張力控制變頻收卷 5.1 變頻器的控制原理 異步電機的轉速是由電源頻率和極數(shù)決定的。因此改變電機電源的頻率就會改變電機 的轉速 10。但是隨 著頻率的改變，電機的內部阻抗也會隨之改變，這樣就會引起電機的 轉矩不足，同時出現(xiàn)過勵磁飽和現(xiàn)象。而變頻器的優(yōu)越性就在于改變輸出頻率的 同時，也調整了輸出電壓，從而保證了電機 磁通為額定值，這樣就可對電機的轉矩、速度進行 參考文獻 15 很好的控制。 如今最先進的無速度傳感器矢量控制型變頻器原理是將供給異步電機的定子電流分成互相垂直的兩個電流矢量，即：產(chǎn)生勵磁磁場的電流分量和產(chǎn)生輸出轉矩的電流分量，對它們分別進行控制。同時將兩者合成的定子電流供給電機，這樣就可得到與控制直流電機相同的速度、轉矩的效果。在變頻器帶 動電機起動時，由于頻率和電壓是按需要隨時間遞增的，故起動電流一般都較小，所以不需要其它起動裝置，也不會造成電流沖擊。這也是變頻器變得越來越受歡迎的原因之一。 另外，變頻器的控制回路提供了工業(yè)標準控制數(shù)字的輸入、輸出，模擬的輸入、輸出及通訊接口等等，能全方位的接收并控制，又為用戶提供了一個很大方便。 5.2 變頻收卷的控制原理 用變頻器 實現(xiàn) 恒張力控制的實質是閉環(huán)矢量控制，即加編碼器反饋。對收卷來說，收卷的卷經(jīng)是由小到大變化的，為了保證恒張力，所以要求電機的輸出轉距要由小到大變化。同時在不同的操作過程，要進行相應 的轉距補償。即小卷啟動的瞬間、加速、減速、停車，大卷啟動時，要在不同卷經(jīng)時進行不同的 轉矩 補償，這樣就能使得收卷的整個過程很穩(wěn)定，避免小卷時張力過大；大卷啟動時張力過大的現(xiàn)象。 5.2.1 張力控制變頻收卷的工藝要求 (1)在收卷的整個過程中都保持恒定的張力； (2)在啟動小卷時，不能因為張力過大而扯斷；大卷啟動時不能太松； (3)在加速、減速、停止的狀態(tài)下也不能有上述情況出現(xiàn)； (4)要求將張力量化，即能設定張力的大小 (力的單位 )。 5.2.2 張力控制變頻收卷的優(yōu)點 (1)卷徑的實時計算，精確度 比較高， 保證收卷電機輸出轉矩的平滑性能 ； (2)因為收卷裝置的轉動慣量是很大的，卷徑由小變大時。如果操作人員進行加速、減速、停車、再激活時很容易造成太緊和太松的現(xiàn)象，將直接 影響卷 材的質量。經(jīng)過 PLC的處理，在特定的動態(tài)過程，加入一些動態(tài)的調整措施，使得收卷的性能更好。 5.2.3 變頻收卷模型及其原理 分別用 V1和 V2來表示 放卷 輥和收卷輥的速度（見圖 1.1），則在時間 T內傳動輥收取的基體長度為 T*V2，放卷輥放出的基體長度即基體的原始長度為 T*V1，則基體在運行期間的應變?yōu)椋?2 1 2 111V T V T V VL KL V T V .（ 5.1） 可見， 式 (5.1)體 現(xiàn)了基體應變與其線速度的關系，基體應變等同于傳動輥與放卷輥的速度差。 根據(jù)虎克定律，材料在受到拉力時，其應變力與材料的應變和橫截面積成正比，有如下關系式： 目錄 16 *LF E A L .（ 5.2） 式中： F-表示材料的張力； E-材料的彈性模量； A- 材料的橫截面積； L- 材料的原始長度； L- 材料的變形量。 由于材料的橫截面積變化很小，可視為不變，則可 以認為：應變只是發(fā)生在材料的長度方向上，只與張力相關，也即應變的恒定等價于張力的恒定。 由（ 5.1）（ 5.2）可計算得：211*VVLFK L E A V .（ 5.3） 線速度與轉速之間的關系，在圖 1.1所示，傳動輥半徑固定不變，線速度 V1與其電動機轉速 n1之間應是嚴格的正比關系，所以 V2可通過對轉速 n1的測量計算得到。而收卷輥半徑在逐漸增加，若要求得線速度 V2，不僅需要測量傳動輥驅動電機的轉速，更為關鍵的是對 收卷輥半徑大小的計算。 設材料當前直徑為 D，材料厚度為 h，傳動輥的轉速為 n1(r/min)，減速比為 A。 卷徑的大小是一個離散的數(shù)值，當傳動輥傳送了 X長度的基體時，實時卷徑的大小Di的計算公式如下： 0D i D K h* * ( 1 ) * *K D X K D (5.4) 上式中 K表示片材在收卷輥上 運行 的圈數(shù)， K=0， 1， 2， 可見卷徑的變化是離散的，可由編碼器測出收卷機的卷數(shù)，然后可以根據(jù)電機 轉動圈 數(shù)改變的時間點對卷徑的大小進行分段計算 。 在卷徑計算出來以后，就要確定在相應的卷徑（也就是相應的時間段） 收卷機的 轉速 。在卷徑?jīng)]有發(fā)生變化的一整個事件段內，傳動棍傳送 基體的速度和收卷機的速度應該是相同的，這樣才能保障使受控制的基體的張力的是恒定的，而在卷徑改變的時候，速度要有一個小的下降，這個要看基體的厚度的大小。厚度越大，速度的改變值也就越大。厚度越小，速度的改變值就越大。當厚度很小的時候，還要做另外的討論。 有關計算如下： 對于傳動輥，有： 1 1 12 * * / 6 0 * * / 3 0ccV R n R n .(5.5) 其中cR是傳動輥的輥徑，是已知的，1n是傳動輥的電機的轉速，可以通過測速機測得，或是通過其他手段間接獲得 對于收卷輥，有： 2 2 22 * * / 6 0 * * / 3 0iiV R n R n . .(5.6) 其中iR是收卷輥的實時輥徑，可由輥徑計算公式（ 5.4） 求得，2n是收卷輥電機的速度，這個量是需要控制的量。把（ 5.5）（ 5.6）代入（ 5.1）可計算得： 參考文獻 17 12 * * (1 )ciR n Kn R .(5.7) 當 (5.2)式中的 F取張力給定值時，則參數(shù) K就是根據(jù)張力要求，需要材料達到的應變。當張力恒定時， K值也固定。 5.3 控制系統(tǒng)實現(xiàn)的簡單分析 目前成熟的收卷只要是被動收卷 (以高速造紙和塑料收卷居多 )或是以直流調速器控制的中心收卷 (以冶金行業(yè)居多 )，而交流變頻器在中心收卷中的應用并沒有像在其他行業(yè) (如風機等 )那么普及，究其原因在于收卷的控制難度和復雜性。 經(jīng)典的收卷都是采用張力閉 環(huán)，它是通過張力檢測裝置反饋張力信號與張力的設定值構成 PID閉環(huán)，然后調整變頻器的輸出頻率命令 (速度模式 )或輸出轉矩指令 (轉矩模式 )。此方案可以適用于高精度的張力收卷場合，但對要求并不要求嚴格、又要求性價比高的收卷來說，比較實用的矢量變頻器限轉矩方法，可以省去張力傳感器、 PID控制器，而只需要簡單的變頻器加 PLC控制即可。當前的變頻器已經(jīng)有 PID控制算法集成在變頻器內部了，對控制精度的提高起到了很好的作用。 1.轉矩計算 由設定的張力和卷筒的卷徑可以計算出變頻器的轉矩指令，其公式如下： *FDT I （ 5.8） 式 中： T為變頻器的輸出轉矩指令； F為張力設定指令； D為卷筒的卷徑； I為機械傳動比。 在實際的使用中，卷取控制通常都需要材料張力隨著卷徑增大而相應降低，以防止損傷卷軸和提高產(chǎn)品的卷取質量，這樣的控制就叫“錐度控制”。 張力錐度為： 00 (1 / )* (1 )K D DFF D .（ 5.9） 其中： F 為實際輸出張力；0F為張力設定指令； K 為張力錐度系數(shù)； D為卷筒實時卷徑；0D為空心卷筒卷徑。綜合以上兩公式可以得出 T是 D的一次函數(shù) . 2 卷徑測量 在轉矩控制中已經(jīng)看出，轉矩是直接跟卷徑有關，并且是卷徑的一次函數(shù)，因此卷徑的計算是比較重要的。最簡單的當然是直接測量，但實際中我們都會考慮采用間接計算法，以減少成本。 通常計算卷徑有的方法有：線速度計算和厚度積分。前者是利用線速度除以電機角速度就是卷徑的相對比例，方法 比較簡單，但必須注意當線速度運行在低速時由于卷材的線速度和電機的運行頻率都比較低，所以導致誤差比較大，因此通常要采用彌補的方法 (比方設定一個最低線速度下限值 )。后者按卷筒的旋轉圈數(shù)進行卷徑累積，必須注意的是一定要準確知道厚度，在換品種時必須輸入厚度系數(shù)。 目錄 18 但是當材料的厚度比較大時，采用積分的方法就不合適了，所以應當采用分段函數(shù)的方法來計算卷徑。由于本方案是對片材的控制，選用分段函數(shù)的方法來計算。 5.4 控制方案的實現(xiàn) 5.4.1 本系統(tǒng)可以實現(xiàn)以下的幾個功能 （ 1）通過變頻器設置 傳動輥 的主速度； （ 2）通 過變頻器可以設定 收卷的速度給定和轉矩限定值； （ 3）根據(jù) 收卷電機的轉動圈數(shù) 來計算收卷的卷徑值； （ 4）其他必要啟動連鎖條件等 。 5.4.2 PLC 的作用 系統(tǒng)中 PLC的作用除了數(shù)據(jù)的傳遞之外，最重要 的是計算出卷徑，然后再根據(jù)轉矩和卷徑的函數(shù)關系，計算出轉矩限值。 其中卷徑計算由分段函數(shù)計算得到?？刂品绞讲捎脧埩﹂g接控制，采用張力擾動補償方式。并利用變頻器的強大功能提高其應對其 它 波動的能力。變頻器采用矢量控制模式。 對收卷變頻器而言，有兩個模擬量： a、速度指令 根據(jù) V2V1的目標，使收卷輥的速度和牽引輥的 速度基本一致 ,在 V1達到一定值后 ,保持 V2和 V1的速度差恒定 。這個指令可以由 PLC通過 PID算法給出。 b、轉矩限制 PLC通過對卷徑的計算，給出收卷電機力矩的大小，并把這個模擬量的值傳輸給變頻器，通過變頻器控制電機力矩的輸出值。 即 PLC將給出相當張力命令 的 轉矩值作為轉矩限制值，同時 PLC將對收卷機和牽引機速度的差值進行 PID控制。這種控制方案成本不高，而且控制比較簡單，是一般精度要求工業(yè)控制的比較好的選擇。 變頻收卷對變頻器性能的要求 (1) 變頻收卷的實質是要完成張力控制，即能控制電機的運行電流，因為三相 異步電機的輸出轉矩 T=CT I，與電流成正比。并且當負載有突變時能夠保證電機的機械特性曲線比較硬。所以 選 用矢量變頻器 比較好 。 (2) 市場上能進行張力控制變頻收卷的變頻器主要有： ABB、安川、艾默生、倫茨等。臺達 V+系列的變頻器正在推出自己的收放卷專用的變頻器，總結收放卷專用變頻器的很多主要功能和參數(shù)并且加入了自己的算法，具有自己的特點。 參考文獻 19 5.5 系統(tǒng)硬件概況圖形如下 圖 5.1 系統(tǒng)硬件圖形 圖形中 只畫出轉矩實時計算部分 ，對其他部分 不做研究。計算的轉矩值通過 模擬模塊的輸出口 AQ0.0和 AQ0.1傳送給變頻器標準的電壓 0到 10V的電壓信號或是 4到 20mA的電流信號，并在變頻器中對輸入輸出信號的基準進行設置，就可以使電機輸出計算的力矩值或是速度值。 初步選擇變頻器為 ABB公司的 ACS550系列變頻器， PLC選用西門子公司的 200系列的 CPU224，有 14個輸入點， 10個輸出點。模擬模塊選用 EM232有兩個模擬輸出點。下面對變頻器、 PLC和模擬模塊進一步分析 ，并對所需電機進行簡單的 選型。 5.6 變頻器的選取及其控制模式的選取 5.6.1 各種不同種類，型號的變頻器 的特點 I0.0 I0.1 I0.2 I0.5 I0.8 I0.3 I0.4 I0.6 I0.7 I0.9 Q0.0 Q1.3 AQ0.0 AQ0.1 AI0.0 AQ0.3 變頻器 U V W R S T 1 2 3 4 1-AO0 2-AO1 3-AIO 4-AI1 其他控制線接口未畫出 接編碼器 CPU 模塊 模擬模塊 目錄 20 圖 5.2 各種變頻器型號及其功能 5.6.2 轉矩控制方式 1 轉矩控制的含義，見圖 5.3。 2 轉矩控制的特點： 見 圖 5.4。 當給定的轉矩保持恒定的時候，如 果負載轉矩的大小線性變化，則速度保持恒定值。這樣的情況和收卷機 在一段時間內的工作情況是相同的。從前文的分 析也可以知道，在收卷機收卷的工作狀態(tài)中，有一段時間，收卷的卷徑因為采用的是分段函數(shù)的算法， 在一卷 之內是沒有變化的。也就是在這段時間內，電機速度的輸出是恒定的。速度恒定也要求力矩的恒定 。 因為收卷輥的 卷材 的增加，要使張力保持恒定，又必須要使電機力矩增加 。由于張力的控制采用的是錐度控制，也就是張力是隨著 卷材 的增加而相對地減少的 。 當然，這個關系不可能和圖 5.4 中輸出力矩與負載關系的曲線是一致的 。 利用轉矩控制方式下變頻器的控制特性，在一定的時間內，電機速度保持恒定，而且電機輸出力矩保持恒定，在控制精 度要求內假定電機力矩的輸出基本符合錐度控制的要求，那么控制系統(tǒng) 在這段時間內就能實現(xiàn)設定的要求。當力矩的輸出不能達到錐度控制的要求的時候，由 T=F*D/I 可知道：需要 提高力矩（由于負載的增加，即 卷材 的 增加，卷徑加大而使力矩要增加）然后通過變頻控制提高力矩。這個給定信號當然是由 PLC 通過計算， 并調整變頻器的控制模式為轉矩模式。 然后給出張力控制所需要的值。在力矩給定信號給出以后，立即切換到速度控制模式下，通過 PID 控制保持速度達到要求。 交 直 交 低壓 變 頻 器 通用型 一般通用型 無矢量控制功能 高功能通用型 只有無反饋矢量控制功能 有帶轉速反饋的矢量控制功能 專用型 風機 水泵用變頻器 過載能力低 有 PID 功能 有睡眠和喚醒功能 有一控 X 功能 起重機械專用變頻器 具有四象限運行功能 具有防止溜勾功能 可配置向電網(wǎng)反饋電 能功能 張力控制專用變頻器 具有轉矩和速度控制切換功能 具有收卷和放卷功能 具有計數(shù)功能 參考文獻 21 圖5.3 轉矩控制示意圖 5.6.3 矢量控制原理 矢量控制的出發(fā)點是，考慮到異步機是一個多變量、強耦合、非線性的時變的參數(shù)系統(tǒng)，很難直接通過外加信號準確控制電磁轉矩，但若以轉子磁通這一旋轉的空間矢量為參考坐標，利 用靜止坐標系到旋轉坐標系之間的變換，可以把定子電流中的勵磁電流分量與轉矩電流分量變成標量獨立開來，進行分別控制。這樣異步機與直流電動機有相同的轉矩產(chǎn)生機理，這樣就可以把交流電機等效為直流電機來進行