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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(gè)過程很穩(wěn)定，避免小卷時(shí)張力過大；大卷啟動(dòng)時(shí)松紗的現(xiàn)象。

關(guān)鍵字：變頻收卷 張力控制 閉環(huán)矢量 卷徑計(jì)算

Abstract: 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 loose yam in big rolling.
Key words: Variable frequency winding Tension control Closed loop vector Winding radius calculation

一. 前言 :
　　用變頻器做恒張力控制的實(shí)質(zhì)是閉環(huán)矢量控制，即加編碼器反饋。對(duì)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(shí)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(dòng)的瞬間、加速、減速、停車，大卷啟動(dòng)時(shí)，要在不同卷經(jīng)時(shí)進(jìn)行不同的轉(zhuǎn)距補(bǔ)償，這樣就能使得收卷的整個(gè)過程很穩(wěn)定，避免小卷時(shí)張力過大；大卷啟動(dòng)時(shí)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(huì)有收卷的環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的收卷都是采用機(jī)械傳動(dòng)，因?yàn)闄C(jī)械的同軸傳動(dòng)對(duì)于機(jī)械的磨損是非常嚴(yán)重的，據(jù)了解，用于同軸傳動(dòng)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(shí)候也是非常麻煩的,不僅浪費(fèi)人力而且維護(hù)費(fèi)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(huì)造成很大的浪費(fèi)。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(dòng)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(gè)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(dòng)小卷時(shí)，不能因?yàn)閺埩�過大而斷紗；大卷啟動(dòng)時(shí)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)定張力的大小（力的單位），能顯示實(shí)際卷徑的大小。　　　　2.3 張力控制變頻收卷的優(yōu)點(diǎn)
（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(yùn)算；空心卷徑激活時(shí)張力的線性遞加；張力錐度計(jì)算公式的應(yīng)用；轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)膭?dòng)態(tài)調(diào)整等等。
（3）卷徑的實(shí)時(shí)計(jì)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(jì)算卷徑時(shí)加入了卷徑的遞歸運(yùn)算，在操作失誤的時(shí)候，能自己糾正卷徑到正確的數(shù)值。
（4）因?yàn)槭站硌b置的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是很大的，卷徑由小變大時(shí)。如果操作人員進(jìn)行加速、減速、停車、再激活時(shí)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(dòng)態(tài)過程，加入一些動(dòng)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(dòng)收卷的基礎(chǔ)上改造成變頻收卷，非常簡便而且造價(jià)低，基本上不需對(duì)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(duì)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。


圖1 系統(tǒng)構(gòu)成及系統(tǒng)框圖

三． 變頻收卷的控制原理及調(diào)試過程
3.1 卷徑的計(jì)算原理
根據(jù)V1=V2來計(jì)算收卷的卷徑。因?yàn)閂1=ω1*R1, V2=ω2*Rx。因?yàn)樵谙嗤�的時(shí)間內(nèi)由測(cè)長輥?zhàn)哌^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(shí)間內(nèi)牽引電機(jī)運(yùn)行的圈數(shù)、Δn2---單位時(shí)間內(nèi)收卷電機(jī)運(yùn)行的圈數(shù)、C1---測(cè)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?yàn)棣�n2=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(cè)長輥轉(zhuǎn)一圈，由霍爾開關(guān)產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)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(dòng)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(gè)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(yùn)行時(shí)要克服滑動(dòng)摩擦力產(chǎn)生地滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)矩，滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)矩在運(yùn)行當(dāng)中一直都存在，并且在低速、高速時(shí)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(shí)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(yùn)行的速度也有相應(yīng)的比例關(guān)系。在不同車速的時(shí)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(jì)算出的實(shí)時(shí)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(gè)過程的轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)倪^程。總結(jié):電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩=靜摩擦轉(zhuǎn)矩(激活瞬間)+滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)矩+負(fù)載轉(zhuǎn)矩。（1）在加速時(shí)還要加上加速轉(zhuǎn)矩；（2）在減速時(shí)要減去減速轉(zhuǎn)矩。（3）停車時(shí)，因?yàn)槭峭ㄟ^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?yàn)殪o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(jì)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(dòng)摩擦轉(zhuǎn)矩的補(bǔ)償
滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)矩的補(bǔ)償在系統(tǒng)運(yùn)行的整個(gè)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(yùn)行的速度有關(guān)系。所以在程序中處理時(shí)，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(jì)算當(dāng)中的公式計(jì)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?yàn)?V=π*D*n/i(對(duì)于收卷電機(jī))=>收卷電機(jī)在空芯卷徑時(shí)的轉(zhuǎn)速是最快的。所以:90=3.14*0.2*n/9=>n=1290r/min；
(2)因?yàn)槲覀冎�道變頻器工作在低頻時(shí),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(gè)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(gè)最低速度的限制。計(jì)算如下:對(duì)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(shí),可以求出收卷整個(gè)過程中運(yùn)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(shí),要對(duì)速度進(jìn)行限制,否則會(huì)出現(xiàn)飛車。因此要限速。
(3)張力及轉(zhuǎn)矩的計(jì)算如下:如果F*D/2=T/I=>F=2*T*i/D對(duì)于22KW的交流電機(jī),其額定轉(zhuǎn)矩的計(jì)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(duì)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(hào)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
啟停控制，觀察顯示的運(yùn)行頻率是否在設(shè)定頻率的左右波動(dòng)。因?yàn)檫\(yùn)用死循環(huán)矢量控制時(shí)，運(yùn)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(yùn)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(jì)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(duì)收卷電機(jī)的速度進(jìn)行限定，因?yàn)樽冾l器用作張力控制時(shí)，如果不對(duì)最高速進(jìn)行限定，一旦出現(xiàn)斷紗等情況，收卷電機(jī)會(huì)飛車的。最低脈沖量是為了避免收卷變頻器運(yùn)行在2Hz以下，因?yàn)樽冾l器在2Hz以下運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)距特性很差，會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)的現(xiàn)象。
●通過前面分析的整個(gè)收卷的動(dòng)態(tài)過程，在不同卷徑和不同運(yùn)行速度的各個(gè)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(diǎn)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(gè)動(dòng)力點(diǎn)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(shí)質(zhì)是對(duì)張力的PID控制，要加張力傳感器。而且在大小卷啟動(dòng)、停止、加速、減速、停車時(shí)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。肯定會(huì)影響生產(chǎn)出產(chǎn)品的質(zhì)量。

六．變頻收卷對(duì)變頻器性能的要求
（1）變頻收卷的實(shí)質(zhì)是要完成張力控制，即能控制電機(jī)的運(yùn)行電流，因?yàn)槿�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(shí)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。
（1）市場(chǎng)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(tái)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(diǎn)，加上臺(tái)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(cuò)的選擇。

參考文獻(xiàn)（略）

作者簡介：
李強(qiáng)（1978.11-） 男 中達(dá)電通股份有限公司高級(jí)技術(shù)工程師（FAE） 研究方向:向客戶提供自動(dòng)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(jì)。