變頻矢量技術(shù)在張力控制中應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)

引言：

　　在工業(yè)生產(chǎn)的很多行業(yè)，都要進(jìn)行精確的張力控制，保持張力的恒定，以提高產(chǎn)品的質(zhì)量。諸如造紙、印刷印染、包裝、電線電纜、光纖電纜、紡織、皮革、金屬箔加工、纖維、橡膠、冶金等行業(yè)都被廣泛應(yīng)用。在變頻技術(shù)還沒有成熟以前，通常采用直流控制，以獲得良好的控制性能。隨著變頻技術(shù)的日趨成熟，出現(xiàn)了矢量控制變頻器、張力控制專用變頻器等一些高性能的變頻器。其控制性能已能和直流控制性能相媲美。由于交流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)、性價比、使用、維護(hù)等很多方面都優(yōu)于直流電動機(jī)，矢量變頻控制正在這些行業(yè)被越來越廣泛的應(yīng)用，有取代直流控制的趨勢。

　　張力控制的目的就是保持線材或帶材上的張力恒定，矢量控制變頻器可以通過兩種途徑達(dá)到目的：一、通過控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)；另一種是通過控制電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩來實(shí)現(xiàn)。

速度模式下的張力閉環(huán)控制

　　速度模式下的張力閉環(huán)控制是通過調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到張力恒定的。首先由帶（線）的線速度和卷筒的卷徑實(shí)時計算出同步匹配頻率指令，然后通過張力檢測裝置反饋的張力信號與張力設(shè)定值構(gòu)成PID閉環(huán)，調(diào)整變頻器的頻率指令。

同步匹配頻率指令的公式如下：
F=（V×p×i）/（π×D）
其中：F 變頻器同步匹配頻率指令 V 材料線速度 p 電機(jī)極對數(shù)（變頻器根據(jù)電機(jī)參數(shù)自動獲得） i 機(jī)械傳動比 D 卷筒的卷徑

　　變頻器的品牌不同、設(shè)計者的用法不同，獲得以上各變量的途徑也不同，特別是材料的線速度（V）和卷筒的卷徑（D），計算方法多種多樣，在此不一一列舉。

　　這種控制模式下要求變頻器的PID調(diào)節(jié)性能要好，同步匹配頻率指令要準(zhǔn)確，這樣系統(tǒng)更容易穩(wěn)定，否則系統(tǒng)就會震蕩、不穩(wěn)定。這種模式多用在拉絲機(jī)的連拉和軋機(jī)的連軋傳動控制中。若采用轉(zhuǎn)矩控制模式，當(dāng)材料的機(jī)械性能出現(xiàn)波動，就會出現(xiàn)拉絲困難，軋機(jī)軋不動等不正常情況。

轉(zhuǎn)矩模式下的張力控制

一、轉(zhuǎn)矩模式下的張力開環(huán)控制

　　在這種模式下，無需張力檢測反饋裝置，就可以獲得更為穩(wěn)定的張力控制效果，結(jié)構(gòu)簡潔，效果較好。但變頻器需工作在閉環(huán)矢量控制方式，必須安裝測速電機(jī)或編碼器，以便對電機(jī)的轉(zhuǎn)速做精確測量反饋。

轉(zhuǎn)矩的計算公式如下：
T=（F×D）/（2×i）
其中：T 變頻器輸出轉(zhuǎn)矩指令 F 張力設(shè)定指令 i 機(jī)械傳動比 D 卷筒的卷徑

　　電機(jī)的轉(zhuǎn)矩被計算出來后，用來控制變頻器的電流環(huán)，這樣就可以控制電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。所以轉(zhuǎn)矩計算非常重要。這種控制多用在對張力精度要求不高的場合，在我鑫科公司就有廣泛的應(yīng)用。如精帶公司的脫脂機(jī)、氣墊爐的收卷控制中都采用了這中控制模式。

二、轉(zhuǎn)矩模式下轉(zhuǎn)矩模式下的張力開環(huán)控制

　　張力閉環(huán)控制是在張力開環(huán)控制的基礎(chǔ)上增加了張力反饋閉環(huán)調(diào)節(jié)。通過張力檢測裝置反饋張力信號與張力設(shè)定值構(gòu)成PID閉環(huán)調(diào)節(jié)，調(diào)整變頻器輸出轉(zhuǎn)矩指令，這樣可以獲得更高的張力控制精度。其張力計算與開環(huán)控制相同。不論采用張力開環(huán)模式還是閉環(huán)模式，在系統(tǒng)加、減速的過程中，需要提供額外的轉(zhuǎn)矩用于克服整個系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量。如果不加補(bǔ)償，將出現(xiàn)收卷過程加速時張力偏小，減速時張力偏大，放卷過程加速時張力偏大，減速時張力偏小的現(xiàn)象。

　　這種控制模式多用在造紙、紡織等卷取微張力控制的場合下。在我公司尚無需這種控制。

卷徑計算

　　在所有的模式中都需要用到卷筒的卷徑，大家知道，在生產(chǎn)過程中開卷機(jī)的卷徑是在不斷變小，卷取機(jī)的卷徑在不斷變大，也就是說轉(zhuǎn)矩必須隨著卷徑的變化而變化，才能獲得穩(wěn)定的張力控制?？梢娋硗驳木韽接嬎闶嵌嗝吹刂匾＞韽降挠嬎阌袃芍型緩剑阂环N是通過外部將計算好的卷徑直接傳送給變頻器，一般是在PLC中運(yùn)算獲得。另一種是變頻器自己運(yùn)算獲得，矢量控制型變頻器都具有卷徑計算功能，在大多數(shù)的應(yīng)用中都是通過變頻器自己運(yùn)算獲得。這樣可以減少PLC程序的復(fù)雜性和調(diào)試難度、降低成本。

變頻器自己計算卷徑的方法有三種：

1、 速度計算法：

通過系統(tǒng)當(dāng)前線速度和變頻器輸出頻率計算卷徑。
其公式如下：
D=（i×V）/（π×n） D 所求卷徑 I 機(jī)械傳動比 n 電機(jī)轉(zhuǎn)速 V 線速度

　　當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行速度較低時，材料線速度和變頻器輸出頻率都較低，較小的檢測誤差就會使卷徑計算產(chǎn)生較大的誤差，所以要設(shè)定一個最低線速度，當(dāng)材料線速度低于此值時卷徑計算停止，卷徑當(dāng)前值保持不變。此值應(yīng)設(shè)為正常工作線速度以下。多數(shù)應(yīng)用場合下的變頻器都使用這種方法進(jìn)行卷徑計算。

2、 度積分法：

　　根據(jù)材料厚度按卷筒旋轉(zhuǎn)圈數(shù)進(jìn)行卷徑累加或遞減，對于線材還需設(shè)定每層的圈數(shù)。

　　這種方法計算要求輸入材料厚度，若厚度是固定不變的，可以在變頻器中設(shè)定。此方法在單一產(chǎn)品的生產(chǎn)場合被廣泛應(yīng)用。

　　若厚度是需要經(jīng)常變化的，需要通過人機(jī)界面HMI或智能儀表將厚度信號傳送到PLC，由PLC或儀表進(jìn)行運(yùn)算后再傳送給變頻器。這種計算方法可以獲得比較精確的卷徑。在一般的國產(chǎn)設(shè)備上應(yīng)用較少，我公司的進(jìn)口設(shè)備，氣墊爐的收、放卷控制上就采用這種計算方式。

3、 模擬量輸入

　　當(dāng)選用外部卷徑傳感器時，卷徑信號通過模擬輸入口輸入給變頻器。由于卷徑傳感器的性能、價格、使用環(huán)境等原因，在國內(nèi)鮮有使用。

結(jié)束語：

　　矢量變頻技術(shù)在卷取應(yīng)用中的方法多種多樣，在當(dāng)前技術(shù)條件下，上述模式是最具有代表性的。無論是設(shè)計還是維修，了解你所使用設(shè)備的工作模式和控制特點(diǎn)是非常重要的。變頻技術(shù)還在高速發(fā)展，新的理論和控制技術(shù)將不斷涌現(xiàn)，控制模式還將繼續(xù)推陳出新。我們期待著更先進(jìn)、更實(shí)用的技術(shù)不斷出現(xiàn)，以此來改變我們的生活。