基于臺達機電技術(shù)的同步與張力傳動控制解決方案

  圖2硬同步及開環(huán)張力閉環(huán)矢量控制方案

表1 臺達機電自動化平臺配置

3.1 開環(huán)張力閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)設(shè)計

硬同步及開環(huán)張力閉環(huán)矢量控制方案框圖參見圖2。系統(tǒng)配置參見表1。

為了克服由于負載的變化造成電機轉(zhuǎn)差率變大，電機特性曲線偏軟的缺點，在每個單元的電機后加編碼器反饋，并將編碼器信號接入變頻器，形成閉環(huán)矢量控制。這樣電機的特性曲線會比較硬，能夠有效避免負載小變化時轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩的下降。達到硬同步控制的效果。所有單元變頻器的頻率給定方式是通過RS485，這樣不僅省略了同步控制器，同時有效避免了電氣耦合對模擬量信號的干擾。系統(tǒng)運行更加的穩(wěn)定而且成本也較低，控制效果也更好

3.2 控制算法設(shè)計

速度同樣以1單元為主，在人機上設(shè)定的一般為線速度，要將線速度轉(zhuǎn)換成相應的頻率。由于1單元與2單元之間在機械方面的差異、傳送介質(zhì)的打滑等因素的存在，勢必決定了1單元變頻器與2單元變頻器的運行頻率不可能完全一致，存在一定的系數(shù)關(guān)系。同理2單元與3單元、3單元與4單元、4單元與5單元之間、5單元與6單元之間也存在不同的系數(shù)關(guān)系。依據(jù)如下的算法處理每兩個單元之間的速度關(guān)系：Vn=Kdn*Vn-1+Kfn*Vn-1。整個控制的核心及編程思想?yún)⒁妶D3。                                           

                      圖3 控制核心及編程思想

在調(diào)試時需要嚴格的按照步驟進行：主速設(shè)定后，通過調(diào)整1單元的比例系數(shù)K（D530），將實際用速度表測出的線速度調(diào)整到與主速設(shè)定的一致，即完成了1單元的調(diào)試；同理，

其它任意兩單元之間的同步關(guān)系的調(diào)試也是同理。直到每兩單元之間的同步系數(shù)全部確定下來為止。

3.3開環(huán)張力閉環(huán)矢量控制原理以及在紡織行業(yè)應用的工藝要求分析
（1）傳統(tǒng)收卷裝置的弊端

紡織機械如：漿紗機、漿染聯(lián)合機、并軸機等設(shè)備都會有收卷的環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的收卷都是采用機械傳動，因為機械的同軸傳動對于機械的磨損是非常嚴重的，據(jù)了解，用于同軸傳動部分的機械平均壽命基本上是一年左右。而且經(jīng)常要維護，維護的時候也是非常麻煩的,不僅浪費人力而且維護費用很高,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)的機械傳動系統(tǒng)。

（2）張力控制變頻收卷的工藝要求
　　 ·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。
　　 ·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。
　　 ·在加速、減速、停止的狀態(tài)下也不能有上述情況出現(xiàn)。
　　 ·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。

（3）張力控制變頻收卷的優(yōu)點
　　·張力設(shè)定在人機上設(shè)定，人性化的操作,單位為力的單位:牛頓。
　　·使用先進的控制算法: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用;轉(zhuǎn)矩補償?shù)膭討B(tài)調(diào)整等等。
　　·卷徑的實時計算，精確度非常高，保證收卷電機輸出轉(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。
　　· 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，將直接導致紗的質(zhì)量。
　  　而進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。
　　· 在傳統(tǒng)機械傳動收卷的基礎(chǔ)上改造成變頻收卷，非常簡便而且造價低，基本
　  　上不需對原有機械進行改造。改造周期小，基本上兩三天就能安裝調(diào)試完成。
　　·克服了機械收卷對機械磨損的弊端，延長機械的使用壽命。方便維護設(shè)備。

3.4 張力控制系統(tǒng)設(shè)計

    圖4 張力控制系統(tǒng)

（1）變頻收卷的控制原理及調(diào)試過程

圖4為張力控制系統(tǒng)設(shè)計。卷徑的計算原理根據(jù)V1=V2（線速度）來計算收卷的卷徑。

因為V1=ω1*R1, V2=ω2*Rx。（R1-測長輥的半徑、Rx-收卷盤頭的半徑）  因為在相 同的時間內(nèi)由測長輥走過的紗的長度(L1、L2)與收卷收到的紗的長度是相等的。即L1/Δt=L2/Δt èΔn1*C1=Δn2*C2/i(Δn1---單位時間內(nèi)牽引電機運行的圈數(shù)、Δn2---單位時間內(nèi)收卷電機運行的圈數(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)、D1—為測長輥直徑、D2—收卷盤頭卷徑). 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。
　　（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.需要進行轉(zhuǎn)矩的補償.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。需要進行不同大小的補償,系統(tǒng)在加速、減速、停車時為克服系統(tǒng)的慣量,也要進行相應的轉(zhuǎn)矩補償,補償?shù)牧颗c運行的速度也有相應的比例關(guān)系.在不同車速的時候,補償?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軸.這樣就分析出了收卷整個過程的轉(zhuǎn)矩補償?shù)倪^程?？偨Y(jié):電機的輸出轉(zhuǎn)矩=靜摩擦轉(zhuǎn)矩(激活瞬間)+滑動摩擦轉(zhuǎn)矩+負載轉(zhuǎn)矩.<a>在加速時還要加上加速轉(zhuǎn)矩;<b>在減速時要減去減速轉(zhuǎn)矩.<c>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)矩的補償同減速轉(zhuǎn)矩的處理.

（3）轉(zhuǎn)矩的補償標準

·  靜摩擦轉(zhuǎn)矩的補償: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)矩的補償是以計算后電機輸出轉(zhuǎn)矩乘以一定的百分比進行補償.

·  滑動摩擦轉(zhuǎn)矩的補償:滑動摩擦轉(zhuǎn)矩的補償在系統(tǒng)運行的整個過程中都是起作用的.補償?shù)拇笮∫允站黼姍C的額定轉(zhuǎn)矩為標準.補償量的大小與運行的速度有關(guān)系。所以在程序中處理時，要分段進行補償。

· 加減速、停車轉(zhuǎn)矩的補償：補償硬一收卷電機的額定轉(zhuǎn)矩為標準，相應的補償系數(shù)應該比較穩(wěn)定，變化不大。

（4）系統(tǒng)計算公式

·  已知空芯卷徑Dmin=200mm,滿卷卷徑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(V-線速度、D-卷徑、n-轉(zhuǎn)速，對于收卷電機)=>收卷電機在空芯卷徑時的轉(zhuǎn)速是最快的。所以:90=3.14*0.2*n/9=>n=1290r/min。

· 因為我們知道變頻器工作在低頻時,交流異步電機的特性不好,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工作在2HZ以下.因此:收卷電機有個最低速度的限制.計算如下:對于四極電機而言其同步轉(zhuǎn)速為:n1=60f1/p=>n1=1500r/min（f1-為額定頻率、p-為極對數(shù)、n1-同步轉(zhuǎn)速）. =>2HZ/50HZ=N/1500=>n=60r/min。當達到最大卷徑時,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,要對速度進行限制,否則會出現(xiàn)飛車.因此要限速.

·  張力及轉(zhuǎn)矩的計算如下:如果F*D/2=T/i（F--張力、D--卷徑、T--轉(zhuǎn)距、i--減速比）,=>F=2*T*i/D對于22KW的交流電機,其額定轉(zhuǎn)矩的計算如下:T=9550*P/n=>T=140N.m.（T-電機的額定轉(zhuǎn)距、P-電機的額定功率、n-為電機的額定轉(zhuǎn)速）所以Fmax=2*140*9/0.6=4200N.

（5）調(diào)試過程：

· 先對電機進行自整定，將電機的定子電感、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的速度進行限定，因為變頻器用作張力控制時，如果不對最高速進行限定，一旦出現(xiàn)斷紗等情況，收卷電機會飛車的。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

行一定的轉(zhuǎn)距補償.補償?shù)拇笮。梢砸噪姍C額定轉(zhuǎn)距的百分比來設(shè)定。

4基于臺達機電技術(shù)的同步傳動控制解決方案

4.1高精度同步控制方案

對于同步要求精度非常高的場合，如噴涂、印刷、包裝等設(shè)備上經(jīng)常會遇到高精度的同步控制。這種場合由于精度非常高，因此普通的調(diào)速系統(tǒng)滿足不了要求，可以選擇臺達伺服系統(tǒng)來實現(xiàn)。利用伺服驅(qū)動上提供的PG編碼器分周比輸出A、B、Z端子， OA、/OA、OB、/OB、OZ、/OZ即為分頻脈沖輸出端子?？梢詫⒃撦敵龆俗咏拥降诙_伺服驅(qū)動的SIGN、/SIGN、PULSE、/PULSE輸入端子。如果同步單元超過兩個單元，則同理類推，可以將第二臺伺服驅(qū)動的PG分周輸出端子接到第三單元的脈沖輸入端子。例如玻璃纖維折紙機、木地板拋光套色等同步傳動應用案例。

4.2伺服追變頻同步方案

      圖6伺服追變頻同步控制原理

（1）控制要求

變頻拖動電機帶傳送帶向右移動，傳送帶上有需要定長切的材料，電機后加編碼器，

編碼器的A/B相脈沖接V系列變頻器構(gòu)成閉環(huán)矢量控制，保證電機特性曲線的硬度，另外將A/B相脈沖接進PLC高速計數(shù)。同時將A相脈沖接PLC的Y1觸點連接的繼電器的常開觸點。PLC的脈沖輸出觸點Y0接繼電器的常閉觸點。工藝要求如下所述：變頻拖動傳送帶輸送要被裁切的材料，伺服拖動滾刀連續(xù)運轉(zhuǎn)，當?shù)竭_設(shè)定的要裁切的長度時，正好保證滾刀運行至最低點，將材料切斷。

（2）控制原理

控制原理如圖6所示。設(shè)定需要裁切的長度可以轉(zhuǎn)換成脈沖數(shù)。啟動時，Y1沒有輸出，即伺服是通過PLC的Y0觸點發(fā)脈沖來驅(qū)動，這時讓滾刀快速運轉(zhuǎn)到上圖的A位置，這時通過PLC的高速計數(shù)值與定長轉(zhuǎn)換后的脈沖數(shù)相差很小時，假設(shè)滾刀接收到10000個脈沖轉(zhuǎn)一圈。定長轉(zhuǎn)換后的脈沖數(shù)為5000個脈沖，則啟動時，通過PLC發(fā)脈沖快速讓滾刀運行9000個脈沖停在A位置做等待，當高速計數(shù)為4000時，開中斷讓Y1輸出，這時伺服由編碼器驅(qū)動，同時剩余1000個脈沖由同樣的頻率走完1000個脈沖，達到同步切的效果。例如染漿聯(lián)合機、多單元紗漿機等應用領(lǐng)域。

5 案例圖片

5.1同步控制及張力控制成功案例

（1）染漿聯(lián)合機

（2）7單元漿紗機

（3）預縮機       (4)漿點涂層機

（5）玻璃纖維折紙機