一. 前言 : 用變頻器做恒張力控制的實(shí)質(zhì)是死循環(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 　　 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?yàn)闄C(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(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?yàn)閺埩^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(shí)際卷徑的大小。 　　 3．張力控制變頻收卷的優(yōu)點(diǎn) ＊ 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. ＊ 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)膭討B(tài)調(diào)整等等. ＊ 卷徑的實(shí)時計(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)算卷徑時加入了卷徑的遞歸運(yùn)算，在操作失誤的時候，能自己糾正卷徑到正確的數(shù)值。 ＊ 因?yàn)槭站硌b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。 ＊ 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。 ＊ 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。 　　 三． 系統(tǒng)構(gòu)成及系統(tǒng)框圖 　　 　 四． 變頻收卷的控制原理及調(diào)試過程 　　 ＊ 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臅r間內(nèi)由測長輥?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——-單位時間內(nèi)牽引電機(jī)運(yùn)行的圈數(shù)、Δn2——-單位時間內(nèi)收卷電機(jī)運(yùn)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?yàn)棣2=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. ＊ 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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(jì)算出的實(shí)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?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. ＊ 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(yùn)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(yùn)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。 　　 　　 （3）. 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。 　　 ＊ 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?yàn)槲覀冎雷冾l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(jì)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(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,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(jì)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(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）. 　　 ＊ 調(diào)試過程： 　　 1．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。 　　 2．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。因?yàn)檫\(yùn)用死循環(huán)矢量控制時，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。 　　 3．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，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(yùn)行在2Hz以下，因?yàn)樽冾l器在2Hz以下運(yùn)行時，電機(jī)的轉(zhuǎn)距特性很差，會出現(xiàn)抖動的現(xiàn)象。 　　 4．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(yùn)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. 　　 1.什么是張力控制：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。 　　 2.真正的張力控制不同于靠前后兩個動力點(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。肯定會影響生產(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(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喈惒诫姍C(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.臺達(dá)V系列的變頻器是矢量型變頻器,能夠完成張力控制,但因?yàn)椴粚儆谑辗啪韺Ｓ眯妥冾l器,所以要配合外部其它接口設(shè)備才能完成收放卷的功能.艾默生TD3300就是一款收放卷專用的變頻器,也許臺達(dá)也會在不久的將來推出我們自己收放卷專用的變頻器,我們拭目以待. 　　 七．使用臺達(dá)產(chǎn)品做變頻收卷的方案 　　 1.硬件構(gòu)成：DOP-A57GSTD+DVP-20EH+DVP—4DA-H+VFD-V 　　 2.電氣原理圖：（以并軸機(jī)為例） 　　 八．結(jié)論 　　 通過以上的分析，使用臺達(dá)V系列的矢量型變頻器做張力控制變頻收卷時，只要能對上述收卷的整個動態(tài)過程有比較清晰的認(rèn)識，能在不同的過程中將轉(zhuǎn)距補(bǔ)償?shù)牧空业揭粋€合適的數(shù)值，一定能保證恒張力的控制,滿足客戶的要求，但要提醒讀者，這種控制方式也有一定的局限性，雖然實(shí)現(xiàn)了恒張力的控制要求，但如果控制張力的范圍很小，比如：張力范圍在0-200/300牛頓時，這種控制方式是不適用的。