摘要：本文主要介紹了張力控制變頻收卷的控制原理，此技術(shù)能夠使得在紡織行業(yè)中收卷的整個過程很穩(wěn)定，避免小卷時張力過大；大卷啟動時松紗的現(xiàn)象。 一. 前言 : 　　 用變頻器做恒張力控制的實質(zhì)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(jī)的輸出轉(zhuǎn)距要由小到大變化。同時在不同的操作過程，要進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)距補(bǔ)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(jìn)行不同的轉(zhuǎn)距補(bǔ)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；大卷啟動時松紗的現(xiàn)象。 二．張力控制變頻收卷在紡織行業(yè)的應(yīng)用及工藝要求 2.1 傳統(tǒng)收卷裝置的弊端 紡織機(jī)械如：漿紗機(jī)、漿染聯(lián)合機(jī)、并軸機(jī)等設(shè)備都會有收卷的環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的收卷都是采用機(jī)械傳動，因為機(jī)械的同軸傳動對于機(jī)械的磨損是非常嚴(yán)重的，據(jù)了解，用于同軸傳動部分的機(jī)械平均壽命基本上是一年左右。而且經(jīng)常要維護(hù)，維護(hù)的時候也是非常麻煩的,不僅浪費人力而且維護(hù)費用很高,給客戶帶來了很多的不便。尤其是紡織設(shè)備基本上是開機(jī)后不允許中途停車的，如發(fā)生意外情況需要停車會造成很大的浪費。在這種情況下，張力控制變頻收卷開始逐漸取代傳統(tǒng)的機(jī)械傳動系統(tǒng)。 2.2 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。張力的單位為：牛頓或公斤力。 （2）在啟動小卷時，不能因為張力過大而斷紗；大卷啟動時不能松紗。 （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(shè)定張力的大?。Φ膯挝唬?，能顯示實際卷徑的大小?！　　　? 2.3 張力控制變頻收卷的優(yōu)點 （1）張力設(shè)定在人機(jī)上設(shè)定，人性化的操作，單位為力的單位：牛頓。 （2）使用先進(jìn)的控制算法：卷徑的遞歸運算；空心卷徑激活時張力的線性遞加；張力錐度計算公式的應(yīng)用；轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)膭討B(tài)調(diào)整等等。 （3）卷徑的實時計算，精確度非常高，保證收卷電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的平滑性能好。并且在計算卷徑時加入了卷徑的遞歸運算，在操作失誤的時候，能自己糾正卷徑到正確的數(shù)值。 （4）因為收卷裝置的轉(zhuǎn)動慣量是很大的，卷徑由小變大時。如果操作人員進(jìn)行加速、減速、停車、再激活時很容易造成爆紗和松紗的現(xiàn)象，將直接導(dǎo)致紗的質(zhì)量。而進(jìn)行了變頻收卷的改造后，在上述各種情況下，收卷都很穩(wěn)定，張力始終恒定。而且經(jīng)過PLC的處理，在特定的動態(tài)過程，加入一些動態(tài)的調(diào)整措施，使得收卷的性能更好。 （5）在傳統(tǒng)機(jī)械傳動收卷的基礎(chǔ)上改造成變頻收卷，非常簡便而且造價低，基本上不需對原有機(jī)械進(jìn)行改造。改造周期小，基本上兩三天就能安裝調(diào)試完成。 （6）克服了機(jī)械收卷對機(jī)械磨損的弊端，延長機(jī)械的使用壽命。方便維護(hù)設(shè)備。 [align=center] 圖1 系統(tǒng)構(gòu)成及系統(tǒng)框圖[/align]　 三． 變頻收卷的控制原理及調(diào)試過程 3.1 卷徑的計算原理 根據(jù)V1=V2來計算收卷的卷徑。因為V1=ω1＊R1, V2=ω2＊Rx。因為在相同的時間內(nèi)由測長輥走過的紗的長度與收卷收到的紗的長度是相等的。即L1/Δt=L2/Δt，Δn1＊C1=Δn2＊C2/i（Δn1——-單位時間內(nèi)牽引電機(jī)運行的圈數(shù)、Δn2——-單位時間內(nèi)收卷電機(jī)運行的圈數(shù)、C1——-測長輥的周長、C2——-收卷盤頭的周長、i——-減速比） Δn1＊π＊D1=Δn2＊π＊D2/i D2=Δn1＊D1＊i/Δn2，因為Δn2=ΔP2/P2（ΔP2——-收卷編碼器產(chǎn)生的脈沖數(shù)、P2——-收卷編碼器的線數(shù)）。Δn1=ΔP1/P1取Δn1=1，即測長輥轉(zhuǎn)一圈，由霍爾開關(guān)產(chǎn)生一個信號接到PLC。那么D2=D1＊i＊P2/ΔP2，這樣收卷盤頭的卷徑就得到了。 3.2收卷的動態(tài)過程分析 要能保證收卷過程的平穩(wěn)性，不論是大卷、小卷、加速、減速、激活、停車都能保證張力的恒定。需要進(jìn)行轉(zhuǎn)矩的補(bǔ)償。整個系統(tǒng)要激活起來，首先要克服靜摩擦力所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，簡稱靜摩擦轉(zhuǎn)矩，靜摩擦轉(zhuǎn)矩只在激活的瞬間起作用；正常運行時要克服滑動摩擦力產(chǎn)生地滑動摩擦轉(zhuǎn)矩，滑動摩擦轉(zhuǎn)矩在運行當(dāng)中一直都存在，并且在低速、高速時的大小是不一樣的。需要進(jìn)行不同大小的補(bǔ)償，系統(tǒng)在加速、減速、停車時為克服系統(tǒng)的慣量，也要進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，補(bǔ)償?shù)牧颗c運行的速度也有相應(yīng)的比例關(guān)系。在不同車速的時候，補(bǔ)償?shù)南禂?shù)是不同的。即加速轉(zhuǎn)矩、減速轉(zhuǎn)矩、停車轉(zhuǎn)矩、激活轉(zhuǎn)矩；克服了這些因素，還要克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩，通過計算出的實時卷徑除以2再乘以設(shè)定的張力大小，經(jīng)過減速比折算到電機(jī)軸。這樣就分析出了收卷整個過程的轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)倪^程?？偨Y(jié):電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩=靜摩擦轉(zhuǎn)矩（激活瞬間）+滑動摩擦轉(zhuǎn)矩+負(fù)載轉(zhuǎn)矩。（1）在加速時還要加上加速轉(zhuǎn)矩；（2）在減速時要減去減速轉(zhuǎn)矩。（3）停車時，因為是通過程控減速至設(shè)定的最低速，所以停車轉(zhuǎn)矩的補(bǔ)償同減速轉(zhuǎn)矩的處理。 3.3轉(zhuǎn)矩的補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn) （1）靜摩擦轉(zhuǎn)矩的補(bǔ)償 因為靜摩擦轉(zhuǎn)矩只在激活的瞬間存在，在系統(tǒng)激活后就消失了。因此靜摩擦轉(zhuǎn)矩的補(bǔ)償是以計算后電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩乘以一定的百分比進(jìn)行補(bǔ)償。 （2）滑動摩擦轉(zhuǎn)矩的補(bǔ)償 滑動摩擦轉(zhuǎn)矩的補(bǔ)償在系統(tǒng)運行的整個過程中都是起作用的。補(bǔ)償?shù)拇笮∫允站黼姍C(jī)的額定轉(zhuǎn)矩為標(biāo)準(zhǔn)。補(bǔ)償量的大小與運行的速度有關(guān)系。所以在程序中處理時，要分段進(jìn)行補(bǔ)償。 （4）加減速、停車轉(zhuǎn)矩的補(bǔ)償 補(bǔ)償硬一收卷電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩為標(biāo)準(zhǔn)，相應(yīng)的補(bǔ)償系數(shù)應(yīng)該比較穩(wěn)定，變化不大。 3.4計算當(dāng)中的公式計算 （1）已知空芯卷徑Dmin=200mm,Dmax=1200mm；線速度的最大值Vmax=90m/min,張力設(shè)定最大值Fmax=50kg（約等于500牛頓）；減速比i=9；速度的限制如下:因為:V=π＊D＊n/i（對于收卷電機(jī)）=>收卷電機(jī)在空芯卷徑時的轉(zhuǎn)速是最快的。所以:90=3.14＊0.2＊n/9=>n=1290r/min； （2）因為我們知道變頻器工作在低頻時,交流異步電機(jī)的特性不好,激活轉(zhuǎn)矩低而且非線性。因此在收卷的整個過程中要盡量避免收卷電機(jī)工作在2HZ以下。因此:收卷電機(jī)有個最低速度的限制。計算如下:對于四極電機(jī)而言其同步轉(zhuǎn)速為:n1=60f1/p=>n1=1500r/min。 =>2HZ/5HZ=N/1500=>n=60r/min。當(dāng)達(dá)到最大卷徑時,可以求出收卷整個過程中運行的最低速。V=π＊D＊n/i=>Vmin=3.14＊1。2＊60/9=25.12m/min。張力控制時,要對速度進(jìn)行限制,否則會出現(xiàn)飛車。因此要限速。 （3）張力及轉(zhuǎn)矩的計算如下:如果F＊D/2=T/I=>F=2＊T＊i/D對于22KW的交流電機(jī),其額定轉(zhuǎn)矩的計算如下:T=9550＊P/n=>T=140N。m。所以Fmax=2＊140＊9/0.6=4200N。（其中P為額定功率,n為額定轉(zhuǎn)速）。 （4）調(diào)試過程： ●先對電機(jī)進(jìn)行自整定，將電機(jī)的定子電感、定子電阻等參數(shù)讀入變頻器。 ●將編碼器的信號接至變頻器，并在變頻器上設(shè)定編碼器的線數(shù)。然后用面板給定頻率和啟?？刂?，觀察顯示的運行頻率是否在設(shè)定頻率的左右波動。因為運用死循環(huán)矢量控制時，運行頻率總是在參考編碼器反饋的速度，最大限度的接近設(shè)定頻率，所以運行頻率是在設(shè)定頻率的附近震蕩的。 ●在程序中設(shè)定空芯卷徑和最大卷徑的數(shù)值。通過前面卷徑計算的公式算出電機(jī)尾部所加編碼器產(chǎn)生的最大脈沖量（P2）和最低脈沖量 （ P2 ）。通過算出的最大脈沖量對收卷電機(jī)的速度進(jìn)行限定，因為變頻器用作張力控制時，如果不對最高速進(jìn)行限定，一旦出現(xiàn)斷紗等情況，收卷電機(jī)會飛車的。最低脈沖量是為了避免收卷變頻器運行在2Hz以下，因為變頻器在2Hz以下運行時，電機(jī)的轉(zhuǎn)距特性很差，會出現(xiàn)抖動的現(xiàn)象。 ●通過前面分析的整個收卷的動態(tài)過程，在不同卷徑和不同運行速度的各個階段，進(jìn)行一定的轉(zhuǎn)距補(bǔ)償.補(bǔ)償?shù)拇笮?，可以以電機(jī)額定轉(zhuǎn)距的百分比來設(shè)定。 五．真正的張力控制 5.1 張力控制的定義 所謂的張力控制，通俗點講就是要能控制電機(jī)輸出多大的力，即輸出多少牛頓。反應(yīng)到電機(jī)軸即能控制電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)距。 5.2 真正的張力控制不同于靠前后兩個動力點的速度差形成張力的系統(tǒng)，靠速度差來調(diào)節(jié)張力的實質(zhì)是對張力的PID控制，要加張力傳感器。而且在大小卷啟動、停止、加速、減速、停車時的調(diào)節(jié)不可能做到象真正的張力控制的效果，張力不是很穩(wěn)定?？隙〞绊懮a(chǎn)出產(chǎn)品的質(zhì)量。 六．變頻收卷對變頻器性能的要求 （1）變頻收卷的實質(zhì)是要完成張力控制，即能控制電機(jī)的運行電流，因為三相異步電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)距T=CmφmIa，與電流成正比。并且當(dāng)負(fù)載有突變時能夠保證電機(jī)的機(jī)械特性曲線比較硬.所以必須用矢量變頻器，而且必須要加編碼器死循環(huán)控制。 （2）市場上能進(jìn)行張力控制變頻收卷的變頻器主要有: 安川、艾默生、倫次等。艾默生TD3300就是一款收放卷專用的變頻器，臺達(dá)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(jié)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，加上臺達(dá)在全國的聯(lián)保服務(wù)能夠解決客戶的后顧之憂。應(yīng)該是客戶不錯的選擇。 作者簡介： 李強(qiáng)（1978.11-） 男 中達(dá)電通股份有限公司高級技術(shù)工程師（FAE） 研究方向:向客戶提供自動化解決方案，用組態(tài)軟件、人機(jī)、PLC、變頻器、伺服完成系統(tǒng)設(shè)計。