內(nèi)容編輯一．引言
在金屬加工、紡織、造紙、橡膠、化工及電線(xiàn)電纜等工業(yè)中，當(dāng)處理一些如紙張、薄片、絲、布等長(zhǎng)尺寸材料或產(chǎn)品時(shí)，都會(huì)用上卷殼及滾筒組成的加工生產(chǎn)線(xiàn)，這有一個(gè)需要解決的問(wèn)題：如何在卷筒直徑從開(kāi)始階段至最后階段逐漸變化的整個(gè)過(guò)程中，張力和線(xiàn)速度的變化保持在所允許的范圍內(nèi)。以塑料薄膜為例，在放卷、收卷以及供料過(guò)程中，薄膜上要保持一定的張力（或者稱(chēng)之為拉伸力），過(guò)大的張力會(huì)導(dǎo)致料膜變形甚至斷裂，而過(guò)小的張力又會(huì)使薄膜松弛，導(dǎo)致褶皺，這就要求在薄膜的處理過(guò)程中要保持恒定的張力，抑制外來(lái)干擾引起的張力抖動(dòng)。安圣裕能源V3300系列變頻器以其獨(dú)特的性能和優(yōu)越的性?xún)r(jià)比，在拉絲機(jī)各個(gè)行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。
二．張力控制方案要求
對(duì)張力的控制有兩個(gè)途徑，一是可控制電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，二是控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，對(duì)于這兩個(gè)途徑，V3300設(shè)計(jì)了兩種張力控制模式。
1. 開(kāi)環(huán)轉(zhuǎn)矩控制模式
開(kāi)環(huán)是指沒(méi)有張力反饋信號(hào)，轉(zhuǎn)矩控制模式是指變頻器控制的是電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，而不是頻率，輸出頻率是跟隨材料的速度自動(dòng)變化。開(kāi)環(huán)轉(zhuǎn)矩控制模式就是指沒(méi)有張力反饋的條件下，變頻器僅靠調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)矩來(lái)達(dá)到材料恒張力控制。
根據(jù)公式F=T/R（其中F為材料張力，T為收放卷軸的扭矩，R為收放卷的半徑），可看出，如果能根據(jù)卷徑的變化調(diào)整放卷軸的轉(zhuǎn)矩，就可以控制材料上的張力，這就是開(kāi)環(huán)轉(zhuǎn)矩模式收放卷控制張力的根據(jù)，其可行性還有一個(gè)原因是材料上的張力只來(lái)源于收放卷軸的轉(zhuǎn)矩，收放卷軸的轉(zhuǎn)矩主要作用于材料上。HD系列變頻器在閉環(huán)矢量下可以準(zhǔn)確地控制電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，使用這種控制模式，必須加裝編碼器。
2. 閉環(huán)轉(zhuǎn)矩控制模式
閉環(huán)轉(zhuǎn)矩控制模式是指在開(kāi)環(huán)轉(zhuǎn)矩控制的基礎(chǔ)上再安裝張力反饋信號(hào)，形成張力控制閉環(huán)，這種方式不但能準(zhǔn)確控制電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩還能保持更穩(wěn)定的張力。
3. 閉環(huán)速度控制模式
閉環(huán)是指需要張力（位置）檢測(cè)反饋信號(hào)構(gòu)成閉環(huán)調(diào)節(jié)，速度控制模式是指變頻器根據(jù)反饋信號(hào)調(diào)節(jié)輸出頻率，而達(dá)到控制目的，速度模式變頻器可工作在無(wú)速度傳感器矢量控制、有速度傳感器矢量控制和V/F控制三種方式中的任何一種。該控制模式的原理是通過(guò)材料線(xiàn)速度與實(shí)際卷徑計(jì)算一個(gè)匹配頻率設(shè)定值f1，再通過(guò)張力（位置）反饋信號(hào)進(jìn)行PID運(yùn)算產(chǎn)生一個(gè)頻率調(diào)整值f2，最終頻率輸出為f=f1+f2。f1可以基本使收（放）卷輥的線(xiàn)速度與材料線(xiàn)速度基本匹配，然后f2部分只需稍微調(diào)整即可滿(mǎn)足控制需求，很好地解決了閉環(huán)控制中響應(yīng)快速性和控制穩(wěn)定性的矛盾。這種模式下，張力設(shè)定部分無(wú)效，在PID給定源中設(shè)定系統(tǒng)控制的目標(biāo)值，控制的結(jié)果是使張力（位置）的反饋信號(hào)穩(wěn)定在PID的給定值上。特別注意在用位置信號(hào)（如張力擺桿、浮動(dòng)輥）做反饋時(shí)，改變?cè)O(shè)定值（PID給定）不一定能夠改變實(shí)際張力的大小，改變張力的大小需要更改機(jī)械上的配置如張力擺桿或浮動(dòng)輥的配重。
4.與閉環(huán)速度模式有關(guān)的功能模塊
(1)PID部分：主要在F7組參數(shù)中設(shè)定。在確定其它部分都設(shè)定無(wú)誤后，最終的控制效果需要調(diào)整PID參數(shù)。
(2)線(xiàn)速度輸入部分：這部分比較重要，有兩個(gè)作用，一是通過(guò)線(xiàn)速度計(jì)算變頻器的匹配頻率，二是可通過(guò)線(xiàn)速度計(jì)算卷徑。
(3)卷徑計(jì)算部分：計(jì)算實(shí)際卷徑，變頻器獲取線(xiàn)速度和實(shí)際卷徑后可以獲取變頻器的匹配頻率。當(dāng)用線(xiàn)速度計(jì)算卷徑時(shí)，若變頻器算得的卷徑與實(shí)際卷徑有偏差，說(shuō)明線(xiàn)速度輸入有偏差，通過(guò)卷徑計(jì)算結(jié)果可以修正線(xiàn)速度輸入。注意一點(diǎn)的是用線(xiàn)速度和卷徑計(jì)算的匹配頻率值并非變頻器的實(shí)際輸出頻率，用線(xiàn)速度和運(yùn)行頻率計(jì)算卷徑時(shí)用到的運(yùn)行頻率是變頻器的實(shí)際輸出頻率，所以邏輯上并不矛盾。幾種張力控制對(duì)比如下表：
| 張力開(kāi)環(huán)轉(zhuǎn)矩 | 張力閉環(huán)轉(zhuǎn)矩 | 張力閉環(huán)速度 |
典型應(yīng)用場(chǎng)合 | 只適于開(kāi)卷及收卷 | 整個(gè)工作過(guò)程。精度高，抗擾能力強(qiáng)。一臺(tái)卷曲機(jī)處理多種帶材，是對(duì)張力開(kāi)環(huán)轉(zhuǎn)矩方案的全面優(yōu)化 | 整個(gè)工作過(guò)程。高精度要求，抗擾能力強(qiáng)。應(yīng)用于拉絲機(jī)，鋼鐵高速線(xiàn)材等 |
局限性 | 僅限收/放卷 | 傳感器成本較高，且有些場(chǎng)合安裝不便 | PID參數(shù)有一定依賴(lài) |
系統(tǒng)構(gòu)成 | 必須安裝測(cè)速編碼器 | 必須安裝測(cè)速編碼器，張力傳感器 | 張力檢測(cè)裝置(測(cè)速編碼器可選) |
成本 | 高 | 最高 | 低 |
變頻器工作模式 | 閉環(huán)矢量 | 閉環(huán)矢量 | 開(kāi)環(huán)矢量（閉環(huán)矢量） |
PID | 不選 | 必選 | 必選 |
卷徑計(jì)算 | 必選 | 必選 | 僅開(kāi)卷/收卷場(chǎng)合，需卷徑計(jì)算 |
備注 | 對(duì)變頻器的轉(zhuǎn)矩精度要求較高 | 對(duì)變頻器的轉(zhuǎn)矩精 度要求最高 | 1.設(shè)置PID參數(shù)，可以選擇隨卷徑、頻率或線(xiàn)速度調(diào)整，使工作全過(guò)程取得比較好的控制效果。 2.線(xiàn)速度檢測(cè)的準(zhǔn)確性很重要 |
建議：能使用張力開(kāi)環(huán)控制的場(chǎng)合盡量選用張力開(kāi)環(huán)控制，要求高精度時(shí)，盡量采用張力閉環(huán)速度控制。
（1）張力開(kāi)環(huán)控制不需要張力反饋，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，能夠獲得更平穩(wěn)的張力，但變頻器必須選用閉環(huán)矢量控制，必須安裝測(cè)速編碼器。張力開(kāi)環(huán)控制只能用于收放卷等末級(jí)控制，對(duì)于多級(jí)連接中間級(jí)的張力控制只能選擇張力閉環(huán)控制方案。張力開(kāi)環(huán)控制需要對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)行補(bǔ)償，如果系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很大，而所控制的張力很小時(shí)，不宜選用張力開(kāi)環(huán)控制。雖然張力開(kāi)環(huán)控制使用場(chǎng)合有限制，但使用張力開(kāi)環(huán)控制可以省卻張力反饋裝置，使機(jī)械系統(tǒng)更簡(jiǎn)潔，可以不依賴(lài)PID參數(shù)，張力控制更平穩(wěn)，所以建議能使用張力開(kāi)環(huán)控制的場(chǎng)合盡量選用張力開(kāi)環(huán)控制。
（2）張力閉環(huán)控制（速度模式）需要張力反饋構(gòu)成閉環(huán)，控制效果對(duì)PID參數(shù)有一定依賴(lài)性，但變頻器可以選用開(kāi)環(huán)矢量控制，可以不裝測(cè)速編碼器。
三．V3300在拉絲機(jī)中的應(yīng)用方案1. 控制框圖
拉伸部分用一臺(tái)V3000通用型變頻器驅(qū)動(dòng)，工作在開(kāi)環(huán)矢量普通速度控制模式，用外部電位器模擬設(shè)定頻率，AO1功能設(shè)置為運(yùn)行頻率模擬輸出，0~20mA對(duì)應(yīng)0到最大頻率。拉伸部分控制系統(tǒng)的運(yùn)行速度。
收線(xiàn)部分采用V3300變頻器，選用張力閉環(huán)控制模式1，卷徑計(jì)算采用線(xiàn)速度計(jì)算法，線(xiàn)速度信號(hào)由AI2輸入，最高線(xiàn)速度設(shè)為拉伸部分V3300運(yùn)行最高頻率時(shí)對(duì)應(yīng)的線(xiàn)速度，因?yàn)闄C(jī)械原因，銅線(xiàn)在拉伸過(guò)程中存在滑差，所以最高線(xiàn)速度應(yīng)比通過(guò)機(jī)械計(jì)算出的偏低。張力反饋信號(hào)由張力擺桿檢測(cè)，通過(guò)AI1輸入。設(shè)置一個(gè)合理的最低線(xiàn)速度參數(shù)。
2.閉環(huán)速度控制模式收卷變頻器接線(xiàn)圖
接線(xiàn)端子功能說(shuō)明：K1點(diǎn)動(dòng)，K2卷徑復(fù)位，K3初始卷徑選擇，K4故障復(fù)位，K5運(yùn)行，K6高速脈沖輸入（現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用選用），AI1張力設(shè)定，AI2線(xiàn)速度信號(hào)，PG接編碼器，TA/TC故障輸出。