變頻矢量技術在張力控制中應用的實現(xiàn)

來源：塑膠五金網(wǎng)發(fā)布時間：2009-02-14 15:01:04點擊率：

    摘要：本文從應用的角度闡述了當前技術條件下，矢量變頻技術在卷取傳動中運用和設計的方法和思路。有較強的實用性和理論指導性。

引言：
     在工業(yè)生產的很多行業(yè)，都要進行精確的張力控制，保持張力的恒定，以提高產品的質量。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)都被廣泛應用。在變頻技術還沒有成熟以前，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。由于交流電動機的結構、性價比、使用、維護等很多方面都優(yōu)于直流電動機，矢量變頻控制正在這些行業(yè)被越來越廣泛的應用，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到目的：一、通過控制電機的轉速來實現(xiàn)；另一種是通過控制電機輸出轉矩來實現(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)控制是通過調節(jié)電機轉速達到張力恒定的。首先由帶（線）的線速度和卷筒的卷徑實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定值構成PID閉環(huán)，調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電機極對數(shù)（變頻器根據(jù)電機參數(shù)自動獲得） i 機械傳動比 D 卷筒的卷徑
　　變頻器的品牌不同、設計者的用法不同，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調節(jié)性能要好，同步匹配頻率指令要準確，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的連拉和軋機的連軋傳動控制中。若采用轉矩控制模式，當材料的機械性能出現(xiàn)波動，就會出現(xiàn)拉絲困難，軋機軋不動等不正常情況。
轉矩模式下的張力控制
一、轉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，結構簡潔，效果較好。但變頻器需工作在閉環(huán)矢量控制方式，必須安裝測速電機或編碼器，以便對電機的轉速做精確測量反饋。
    轉矩的計算公式如下：
    T=（F×D）/（2×i）
    其中：T 變頻器輸出轉矩指令 F 張力設定指令i機械傳動比D卷筒的卷徑。
　　電機的轉矩被計算出來后，用來控制變頻器的電流環(huán)，這樣就可以控制電機的輸出轉矩。所以轉矩計算非常重要。這種控制多用在對張力精度要求不高的場合。
二、轉矩模式下轉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)控制的基礎上增加了張力反饋閉環(huán)調節(jié)。通過張力檢測裝置反饋張力信號與張力設定值構成PID閉環(huán)調節(jié)，調整變頻器輸出轉矩指令，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，需要提供額外的轉矩用于克服整個系統(tǒng)的轉動慣量。如果不加補償，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。
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，在生產過程中開卷機的卷徑是在不斷變小，卷取機的卷徑在不斷變大，也就是說轉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?。卷徑的計算有兩中途徑：一種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中運算獲得。另一種是變頻器自己運算獲得，矢量控制型變頻器都具有卷徑計算功能，在大多數(shù)的應用中都是通過變頻器自己運算獲得。這樣可以減少PLC程序的復雜性和調試難度、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 機械傳動比n電機轉速V線速度
　　當系統(tǒng)運行速度較低時，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生較大的誤差，所以要設定一個線速度，當材料線速度低于此值時卷徑計算停止，卷徑當前值保持不變。此值應設為正常工作線速度以下。多數(shù)應用場合下的變頻器都使用這種方法進行卷徑計算。
    2、度積分法：
　　根據(jù)材料厚度按卷筒旋轉圈數(shù)進行卷徑累加或遞減，對于線材還需設定每層的圈數(shù)。
　　這種方法計算要求輸入材料厚度，若厚度是固定不變的，可以在變頻器中設定。此方法在單一產品的生產場合被廣泛應用。
　　若厚度是需要經(jīng)常變化的，需要通過人機界面HMI或智能儀表將厚度信號傳送到PLC，由PLC或儀表進行運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。在一般的國產設備上應用較少。
    3、模擬量輸入
　　當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，在國內鮮有使用。
結束語：
　　矢量變頻技術在卷取應用中的方法多種多樣，在當前技術條件下，上述模式是有代表性的。無論是設計還是維修，了解你所使用設備的工作模式和控制特點是非常重要的。變頻技術還在高速發(fā)展，新的理論和控制技術將不斷涌現(xiàn)，控制模式還將繼續(xù)推陳出新。我們期待著更先進、更實用的技術不斷出現(xiàn)，以此來改變我們的生活。

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