摘 要
本文主要介紹了WIN-VC矢量控制變頻器用于張力控制不銹鋼收卷的控制原理，此技術(shù)的成功應(yīng)用表明，微能WIN-VC變頻器的產(chǎn)品性能可與同類進(jìn)口產(chǎn)品相媲美，由于其具有優(yōu)良的性價(jià)比，完全可代替同類進(jìn)口產(chǎn)品，廣泛用于造紙、紡織、皮革、印染、印刷、拉絲、纖維、橡膠、膠粘帶、電線電纜、塑料薄膜等行業(yè)中成品的收、放卷工藝中，實(shí)現(xiàn)保持收放料（線材、板材）張力的恒定。
關(guān)鍵字 WIN-VC變頻器 張力收卷控制 PG矢量
一、前言
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，不銹鋼所具有的輕巧、環(huán)保、美觀等優(yōu)點(diǎn)被大量使用，尤其是在大城市和沿海城市，不銹鋼的使用數(shù)量已超過(guò)歐美國(guó)家。不銹鋼已廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、水工業(yè)、建筑業(yè)、家電業(yè)、環(huán)保工業(yè)等現(xiàn)代化工業(yè)中，可以這樣說(shuō)，中國(guó)城市化的過(guò)程就是擴(kuò)大使用不銹鋼的過(guò)程。在最近幾年，不銹鋼行業(yè)取得了飛速的發(fā)展，面臨著前所未有的巨大機(jī)遇，眾多國(guó)內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)受到生產(chǎn)設(shè)備技術(shù)條件的限制，生產(chǎn)的產(chǎn)品還處于中、低端市場(chǎng)，競(jìng)爭(zhēng)力不強(qiáng)。用先進(jìn)的自動(dòng)化控制技術(shù)來(lái)提升我國(guó)裝備制造業(yè)水平，縮短與世界先進(jìn)生產(chǎn)設(shè)備的距離，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行升級(jí)換代，已刻不容緩。由深圳市微能科技有限公司研發(fā)生產(chǎn)的高性能強(qiáng)功能矢量型變頻器—WIN-VC系列產(chǎn)品，該變頻器達(dá)到了極高的響應(yīng)性和穩(wěn)定性，真正能在各種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用自如，是國(guó)內(nèi)眾多工業(yè)設(shè)備和自動(dòng)化機(jī)械制造客戶的首選。通過(guò)WIN-VC矢量型變頻器在不銹鋼磨砂機(jī)張力收卷上的成功應(yīng)用表明，以前進(jìn)口品牌在收、放卷、提升等變頻器高端應(yīng)用領(lǐng)域壟斷的局面將被打破，WIN-VC系列變頻器的面世將大大促進(jìn)我國(guó)裝備制造業(yè)總體水平的提高。
二、張力控制變頻收卷應(yīng)用及工藝要求
2.1 原收卷裝置的弊端
在不銹鋼的加工過(guò)程中，它的磨砂和清洗工藝是否先進(jìn)對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)起著決定性的作用，系統(tǒng)一般由以下部分組成：放卷、收卷由兩臺(tái)5.5KW電機(jī)驅(qū)動(dòng)，壓輥、磨砂帶各由1臺(tái)2.2KW電機(jī)驅(qū)動(dòng)，四個(gè)動(dòng)力點(diǎn)的速度都由同步控制器輸出0-10V信號(hào)，控制變頻器同步運(yùn)行。不銹鋼板從放卷電機(jī)開卷，經(jīng)前整壓輥引入進(jìn)入生產(chǎn)線，通過(guò)磨砂帶的高速旋轉(zhuǎn)打磨拋光，進(jìn)入到清洗水箱進(jìn)行液體噴射清潔、高壓風(fēng)機(jī)干燥處理后，由收卷電機(jī)進(jìn)行收卷、包裝。
現(xiàn)有系統(tǒng)的弊端有以下幾點(diǎn)：1）四個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)由于各動(dòng)力點(diǎn)的受力不均勻，無(wú)法在同一線速度下實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)行。2）放卷電機(jī)由普通變頻器驅(qū)動(dòng)，經(jīng)常在手動(dòng)模式下由于操作工后兩個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)開得太快，使V1經(jīng)常跳OU故障，容易引起飛車危險(xiǎn)。3）壓輥、磨砂電機(jī)在低速時(shí)易打滑，影響產(chǎn)品品質(zhì)。4）收卷處電機(jī)V4經(jīng)常出現(xiàn)過(guò)載和失速現(xiàn)象，鋼帶經(jīng)常出現(xiàn)張力過(guò)大繃緊變形，或者達(dá)不到內(nèi)緊外松的收卷要求。5）在上料、下料時(shí)不易控制，危及操作工的安全。
2.2 微能WIN-VC變頻器簡(jiǎn)介
解決上述弊端的方法：必須保證四個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)的線速度V1=V2=V3=V4；V1和V4能工作在恒張力模式下，進(jìn)行速度/力矩控制。用變頻器做恒張力控制的實(shí)質(zhì)是閉環(huán)矢量控制，即加旋轉(zhuǎn)編碼器進(jìn)行速度反饋。對(duì)收卷來(lái)說(shuō)，收卷的卷徑是由小到大變化的，為了保證恒張力，所以要求電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩要由小到大變化。在收卷的過(guò)程中，小卷、大卷啟動(dòng)時(shí)的瞬間加速、減速、停車，都要在不同卷徑下進(jìn)行不同的轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，這樣才能使得收卷的整個(gè)過(guò)程很穩(wěn)定，避免小卷時(shí)張力過(guò)大，而大卷啟動(dòng)時(shí)松馳現(xiàn)象。 V2、V3在低速時(shí)保證足夠的轉(zhuǎn)矩，保證上料過(guò)程中不出現(xiàn)打滑、倒退的現(xiàn)象。由深圳市微能科技有限公司研發(fā)生產(chǎn)的無(wú)感矢量型WIN-VB、電流矢量型WIN-VC變頻器產(chǎn)品可滿足上述要求。
WIN-VC變頻器是一款通用高性能矢量變頻器，是真正的電流矢量控制變頻器，以先進(jìn)技術(shù)的控制理論為基礎(chǔ)，通過(guò)智能化的控制手段，使變頻器控制的調(diào)速系統(tǒng)達(dá)到了極高的響應(yīng)性和穩(wěn)定性，具有高起動(dòng)轉(zhuǎn)距、低速穩(wěn)定性好，精確的力矩控制、節(jié)能控制、零伺服功能、下垂控制（DROOP）等強(qiáng)大功能，達(dá)到同類進(jìn)口產(chǎn)品的性能，真正能在各種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用自如。WIN-VC可實(shí)現(xiàn)四種控制方式：
1、無(wú)PG矢量控制：應(yīng)用于所有需要變速驅(qū)動(dòng)的場(chǎng)合
2、有PG矢量控制：簡(jiǎn)易伺服驅(qū)動(dòng)，高精度速度控制，力矩控制的場(chǎng)合
3、無(wú)PG V/f控制： 傳統(tǒng)的變頻器控制方式，可使一臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)多臺(tái)電機(jī)
4、有PGV/f控制： 簡(jiǎn)易速度反饋控制
特別是在PG矢量控制方式下，以其極高的速度控制精度（+0.02%）、極高的零起動(dòng)轉(zhuǎn)矩（在0r/min時(shí)達(dá)150%額定轉(zhuǎn)矩）并可實(shí)現(xiàn)力矩控制，與PLC配合使用，可以實(shí)現(xiàn)速度鏈控制、自動(dòng)負(fù)荷控制、自動(dòng)速差控制等功能，在生產(chǎn)線傳動(dòng)中得到大量應(yīng)用，并取得了較好的控制效果。
2.3 變頻張力開環(huán)控制收卷系統(tǒng)組成
張力控制的定義：所謂的張力控制，就是能控制電機(jī)輸出的力矩，即輸出多少牛頓·米。反應(yīng)到電機(jī)軸即能控制電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)距。目前控制張力途徑有兩個(gè)：一是通過(guò)控制電機(jī)的速度來(lái)實(shí)現(xiàn)；二是通過(guò)控制電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩來(lái)實(shí)現(xiàn)。WIN-VC變頻器可通過(guò)三種方式可實(shí)現(xiàn)張力控制：
1、張力閉環(huán)控制方式（速度模式）。通過(guò)PLC檢測(cè)和計(jì)算材料的線速度和卷徑的實(shí)時(shí)計(jì)算，由張力檢測(cè)裝置反饋的張力信號(hào)與張力設(shè)定值構(gòu)成PID閉環(huán)，調(diào)整變頻器的輸出頻率。
2、張力開環(huán)控制方式（轉(zhuǎn)矩模式）。變頻器工作在閉環(huán)矢量方式下，系統(tǒng)須安裝旋轉(zhuǎn)編碼器。控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單，無(wú)需張力反饋裝置，即可獲得穩(wěn)定的張力效果。這種控制方式適合在較低速度下的大張力控制，本文所要介紹的就是此種張力控制方式。
3、張力閉環(huán)控制方式（轉(zhuǎn)矩模式）。在b）的基礎(chǔ)上增加了張力反饋閉環(huán)調(diào)節(jié)，由張力檢測(cè)裝置反饋張力信號(hào)與張力設(shè)定值構(gòu)成PID閉環(huán)，調(diào)節(jié)變頻器輸出轉(zhuǎn)矩，可實(shí)現(xiàn)精確的張力控制精度。
在 2.張力開環(huán)控制這種模式下，利用變頻器矢量控制的轉(zhuǎn)矩控制功能，實(shí)時(shí)的根據(jù)張力的設(shè)定值、錐度、補(bǔ)償量，以及卷軸直徑計(jì)算出所需要的轉(zhuǎn)矩，從而達(dá)到間接的控制張力的目的。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，效果非常好。系統(tǒng)組成如下:
三、變頻張力開環(huán)收卷的控制原理
要保證收卷過(guò)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。在不同速度的時(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，具有不同的補(bǔ)償系數(shù)。收卷整個(gè)過(guò)程的轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償過(guò)程：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。轉(zhuǎn)矩的補(bǔ)償為:（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^(guò)程控減速至設(shè)定的最低速，所以停車時(shí)的轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償與減速轉(zhuǎn)矩的處理方法相同。 在張力控制模式下,要對(duì)速度進(jìn)行限制,否則會(huì)出現(xiàn)飛車。轉(zhuǎn)矩的計(jì)算和卷徑的計(jì)算原理如下：
1）轉(zhuǎn)矩的計(jì)算：
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(dòng)比， D 卷筒的卷徑，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩被計(jì)算出來(lái)后，作為變頻器的電流環(huán)的給定，這樣就可以控制電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，所以轉(zhuǎn)矩計(jì)算非常重要。
2）卷徑算法原理:
厚度積分法。在系統(tǒng)中，PLC根據(jù)工藝需要來(lái)決定輸出速度/力矩，并同時(shí)從各個(gè)變頻器中讀取速度、電流、轉(zhuǎn)矩等信號(hào)，用作控制和顯示。PLC程序的主要任務(wù)是：處理起停連鎖、故障報(bào)警、速度控制以及顯示， 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，如果是線材還需設(shè)定每層的圈數(shù)，也可以從PG獲得圈數(shù)此方法在單一產(chǎn)品的生產(chǎn)場(chǎng)合被廣泛應(yīng)用。若厚度是需要經(jīng)常變化的，需要通過(guò)人機(jī)界面HMI將厚度信號(hào)傳送到PLC，由PLC進(jìn)行運(yùn)算后再傳送給變頻器。
四、系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程
不銹鋼生產(chǎn)線的變頻控制系統(tǒng)算是一個(gè)比較復(fù)雜的傳動(dòng)系統(tǒng)，必須分步進(jìn)行調(diào)試。包括變頻器調(diào)試、PLC調(diào)試、生產(chǎn)試運(yùn)行三個(gè)步驟。
4.1變頻器的參數(shù)設(shè)定及說(shuō)明
收卷變頻調(diào)速及其控制：V2、V3用WIN-VB系列變頻器工作在無(wú)感矢量模式下，自動(dòng)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償可滿足低速高轉(zhuǎn)矩的要求；V1、V4用WIN-VC系列變頻器工作在力矩/速度模式下，可達(dá)到收、放卷的性能要求。在變頻器的PG矢量控制中，轉(zhuǎn)速指令和實(shí)際速度的比較值通過(guò)一個(gè)速度調(diào)節(jié)器ASR后再進(jìn)行轉(zhuǎn)矩限定，然后用來(lái)控制變頻器的輸出轉(zhuǎn)矩。限制轉(zhuǎn)矩的作用就是用來(lái)限定速度調(diào)節(jié)器輸出的轉(zhuǎn)矩電流指令，直接限制變頻器的輸出頻率。對(duì)于收卷而言，隨著卷徑的逐漸增大，速度將慢慢減小而轉(zhuǎn)矩值也隨之增大，這時(shí)主要控制轉(zhuǎn)矩值的大小就可以基本上保證轉(zhuǎn)矩值的精度。
1）自學(xué)習(xí)：要實(shí)現(xiàn)高精度的矢量控制性能，需建立在精確的電機(jī)模型參數(shù)上。WIN-VC的動(dòng)態(tài)自學(xué)習(xí)模式，可測(cè)量從低到高不同頻率段時(shí)電機(jī)的參數(shù)，從而獲得準(zhǔn)確的電機(jī)參數(shù)。在不同的頻率段建立相應(yīng)頻率段的電機(jī)模型，使變頻器從低頻到高頻都能精確控制電機(jī)。由于電機(jī)的一些參數(shù)（如空載電流、額定滑差、轉(zhuǎn)子電阻、鐵芯飽和系數(shù)等）在不同的溫度下有較大差異，為獲得最佳電機(jī)參數(shù)，使系統(tǒng)達(dá)到最佳的控制性能，建議在自學(xué)習(xí)之前最好將變頻器帶電機(jī)先運(yùn)行十分鐘以上，待電機(jī)溫升達(dá)到正常工作時(shí)的溫度再進(jìn)行自學(xué)習(xí)。
2） 將編碼器的信號(hào)接至變頻器，并在變頻器上設(shè)定編碼器的參數(shù)。然后用鍵盤給定頻率和進(jìn)行啟停控制，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)用閉環(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)定頻率的附近變化的。
3）放卷變頻器V1實(shí)際上只是提供一個(gè)反向的拉緊力，所以其控制精度要求不高。調(diào)試相對(duì)簡(jiǎn)單。關(guān)于零速時(shí)的反向拉緊，即零速保持，必須同時(shí)設(shè)定速度極限功能，可避免斷料時(shí)的飛車情況，保障操作人員的安全。
4） V4在速度/力矩模式下重要參數(shù)調(diào)整說(shuō)明：
a、力矩限制功能：在PG矢量控制方式下，力矩限制功能的典型應(yīng)用是開環(huán)力矩限制收（放）卷功能。力矩指令可以由多功能模擬量輸入端子、ModBus通信卡修改L7組相應(yīng)參數(shù)或通過(guò)操作鍵盤修改L7組相關(guān)參數(shù)等輸入信號(hào)任意設(shè)定。當(dāng)不想在負(fù)載上施加一定量以上的力矩及不想發(fā)生一定量以上的再生能量時(shí)，可以使用力矩限制功能。力矩限制的精度：在輸出頻率10Hz以上時(shí)，為±5%，10Hz以下時(shí)精度較低。電機(jī)輸出力矩達(dá)到力矩限制值時(shí)，力矩控制優(yōu)先，電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制和補(bǔ)償都無(wú)效。應(yīng)該注意的是會(huì)出現(xiàn)加減速時(shí)間增加及轉(zhuǎn)速降低的情況，而轉(zhuǎn)速降低正是收卷時(shí)所需要的特性。矢量控制時(shí)的速度（ASR）是把速度指令和速度檢出值（PG的反饋或者速度運(yùn)算值的偏差）調(diào)為零，來(lái)控制力矩指令。
b、速度限制功能：為了防止負(fù)載力矩因故消失后電機(jī)發(fā)生飛車現(xiàn)象，力矩模式控制時(shí)可以設(shè)定速度限制值。速度限制的給定同樣可以由多功能模擬量輸入端子、ModBus通信、操作鍵盤等輸入信號(hào)任意設(shè)定。速度限制的控制功能在力矩控制的收、放卷系統(tǒng)中非常有用，可以控制收卷的速度時(shí)刻跟隨著牽引的速度，控制因過(guò)速引起的收卷故障。力矩控制時(shí)的另一個(gè)特點(diǎn)是在控制過(guò)程中可以加入力矩補(bǔ)償，在力矩控制的系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)，為克服系統(tǒng)的靜摩擦提供了一個(gè)額外的力矩，使系統(tǒng)的響應(yīng)更加迅速。
4.2 PLC程序調(diào)試
PLC程序主要功能有：
1、磨砂傳動(dòng)的速度給定，并讀取該傳動(dòng)的速度、電流、轉(zhuǎn)矩信號(hào)
2、根據(jù)磨砂速度來(lái)決定各動(dòng)力點(diǎn)的速度給定，并讀取該傳動(dòng)點(diǎn)的速度、電流、轉(zhuǎn)矩信號(hào)
3、處理收卷傳動(dòng)的切換，即工位之間互換時(shí)速度給定和轉(zhuǎn)矩限幅的給定，各I/O信號(hào)是否動(dòng)作正確。
在程序中設(shè)定空芯卷徑和最大卷徑的數(shù)值。通過(guò)前面卷徑計(jì)算，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(guò)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)異常情況，收卷電機(jī)會(huì)出現(xiàn)飛車危險(xiǎn)。
4.3 生產(chǎn)試運(yùn)行
在生產(chǎn)試運(yùn)行前，必須設(shè)定好各動(dòng)力點(diǎn)的參數(shù)，各種保護(hù)功能是否正確動(dòng)作，速度的限制控制值和轉(zhuǎn)矩的限制值是否設(shè)定正確等等。同時(shí)還應(yīng)注意：
各個(gè)動(dòng)力點(diǎn)必須先進(jìn)行空載運(yùn)行試驗(yàn)。
在帶載試生產(chǎn)中，根據(jù)生產(chǎn)的實(shí)際情況還應(yīng)修正各類系數(shù)，如力矩補(bǔ)償、力矩增益、ASR參數(shù)等等，以確保各動(dòng)力點(diǎn)的速度協(xié)調(diào)。通過(guò)設(shè)定以上的幾個(gè)參數(shù)，可以有效的改變系統(tǒng)慣量對(duì)加、減速時(shí)的影響，可以達(dá)到非常好的收卷效果。在用戶現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，加工厚度D=0.3mm到D=1mm不銹鋼板材時(shí)，磨砂機(jī)各個(gè)動(dòng)力點(diǎn)的控制相當(dāng)平穩(wěn)，加工出來(lái)的不銹鋼表面光潔，無(wú)氣孔，無(wú)渣，收卷達(dá)到內(nèi)緊外松的要求。
結(jié)束語(yǔ)
采用WIN-VC矢量型變頻器實(shí)現(xiàn)了磨砂機(jī)的收、放卷張力控制，與原系統(tǒng)相比，具有操作簡(jiǎn)單、安全、可靠、加工精度高等優(yōu)點(diǎn)。張力設(shè)定在人機(jī)界面HMI上完成，使用卷徑的實(shí)時(shí)計(jì)算方法，精確度非常高，保證了電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的平滑特性，使得板材、線材類的高速加工成為了現(xiàn)實(shí)，從而大大提高了設(shè)備的可靠性和生產(chǎn)率，成本上并沒(méi)有過(guò)多的增加，提升了企業(yè)的產(chǎn)品品質(zhì)和競(jìng)爭(zhēng)力。
（轉(zhuǎn)載）
