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基于台达机电技术的同步与张力传动控制解决方案 |
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作者：中达电通公司 |
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摘 要：本文针对台达机电关注的纺织、印染、造纸等重点行业中经典的同步控制、恒张力控制技术问题，结合台达机电产品自身的特点和优势设计了成熟、完善的同步控制和恒张力控制的方案，为长期困扰客户的核心技术难点提供成熟、稳定、完善的控制方案。不仅对方案本身的控制原理做非常详细的分析和阐述，同时结合成功的应用案例进行说明。
关键词：同步传动 恒张力 中达机电
1 引言
在传统的电力拖动领域，同步控制、张力控制是非常经典的控制环节。同时因为控制对象、工艺要求及控制精度、效果的不同，存在相应的技术开发难点。同步控制广泛的应用于纺织、印染、造纸等行业，因为这样的控制要求，出现了例如中达同步控制器这样的产品。但随着客户对设备技术含量和成本的要求，简单的利用同步控制器来实现同步控制已越来越不能满足客户的要求，用人机、PLC、变频器、伺服、直流调速等产品来集成精度更高的同步控制和恒张力控制已经成为新的技术趋势。台达机电产品利用自身的特点及较高的性价比能够为客户提供成熟、完善的同步和张力控制的方案和系统。
2 传统同步控制及张力控制方案
2.1同步控制及张力控制控制原理
根据图1所示多级同步与张力控制框图，整个系统以1单元机架为主，1单元的速度为主给定乘以1通道的同步比例系数。即Out1=Kd1*Vo（其中Kd1为1通道同步比例系数，Vo为主给定）。Out2=Kd2*Vo+Kf2*Vf2(Kd2为2通道同步比例系数，Kf2为2通道反馈比例系数，Vf2为通道2反馈信号)，同理Out5=Kd5*Vo+Kf5*Vf5(Kd5为5通道同步比例系数，Kf5为5通道反馈比例系数，Vf5为通道5反馈信号)。这就是传统的同步控制系统。张力辊的同轴安装一个电位器，电源为+5V电源，当张力辊处于中间平衡位置时将电位器的输出调整为0V，当张力辊偏离平衡位置时，反馈信号即会有变化，变化的范围在+5V之间，这样反馈量乘以反馈系数，再加上同步比例系数乘以主给定，所得到的结果就是总输出。因此当张力辊偏离平衡位置时，相应的同步控制器的输出会减小或增大，自动调整变频器的频率，达到动态的平衡，使得张力辊始终在平衡位置附近轻微的摆动，起到同步的效果。
图1 多级同步与张力控制系统框图
张力控制通过张力传感器实时检测张力、通过张力控制器或PLC进行张力的PID运算，这种张力控制的实质是通过调整速差实现张力的动态恒定。
2.2应用领域
多级同步与张力控制系统广泛地应用于纺织、印染、造纸等行业（染浆联合机、印染设备）。
2.3缺点及不足分析
首先，可以看出该系统同步属于开环控制，当负载变化较大的时候，电机的转差率会加大，相应张力辊会偏离平衡位置。相应电机的速度会发生变化，如果是对同步的要求非常严格的场合，可能会有一定的局限性。同时因为速度给定及反馈都是模拟量信号，而且对于生产线比较长，设备安装等不可预知的因素，可能会比较容易受到到各种电气耦合的干扰，造成系统运转不稳定。
张力控制采用PID，由于积分的作用，如果积分增益调整的不好，容易造成系统的振荡或响应的滞后。对于PID运算的各参数要求较高。但在要求不是非常高的场合，该系统还是比较稳定的，应用也比较广泛。
3 基于台达机电技术的张力传动控制解决方案
3.1 开环张力闭环矢量控制系统设计
硬同步及开环张力闭环矢量控制方案框图参见图2。系统配置参见表1。
图2 硬同步及开环张力闭环矢量控制方案
表1 台达机电自动化平台配置
 为了克服由于负载的变化造成电机转差率变大，电机特性曲线偏软的缺点，在每个单元的电机后加编码器反馈，并将编码器信号接入变频器，形成闭环矢量控制。这样电机的特性曲线会比较硬，能够有效避免负载小变化时转速及转矩的下降。达到硬同步控制的效果。所有单元变频器的频率给定方式是通过RS485，这样不仅省略了同步控制器，同时有效避免了电气耦合对模拟量信号的干扰。系统运行更加的稳定而且成本也较低，控制效果也更好。
3.2 控制算法设计
速度同样以1单元为主，在人机上设定的一般为线速度，要将线速度转换成相应的频率。由于1单元与2单元之间在机械方面的差异、传送介质的打滑等因素的存在，势必决定了1单元变频器与2单元变频器的运行频率不可能完全一致，存在一定的系数关系。同理2单元与3单元、3单元与4单元、4单元与5单元之间、5单元与6单元之间也存在不同的系数关系。依据如下的算法处理每两个单元之间的速度关系：Vn=Kdn*Vn-1+Kfn*Vn-1。整个控制的核心及编程思想参见图3。
图3 控制核心及编程思想
在调试时需要严格的按照步骤进行：主速设定后，通过调整1单元的比例系数K（D530），将实际用速度表测出的线速度调整到与主速设定的一致，即完成了1单元的调试；同理，其它任意两单元之间的同步关系的调试也是同理。直到每两单元之间的同步系数全部确定下来为止。
3.3开环张力闭环矢量控制原理以及在纺织行业应用的工艺要求分析
（1）传统收卷装置的弊端
纺织机械如：浆纱机、浆染联合机、并轴机等设备都会有收卷的环节。传统的收卷都是采用机械传动，因为机械的同轴传动对于机械的磨损是非常严重的，据了解，用于同轴传动部分的机械平均寿命基本上是一年左右。而且经常要维护，维护的时候也是非常麻烦的，不仅浪费人力而且维护费用很高，给客户带来了很多的不便。尤其是纺织设备基本上是开机后不允许中途停车的，如发生意外情况需要停车会造成很大的浪费。在这种情况下，张力控制变频收卷开始逐渐取代传统的机械传动系统。
（2）张力控制变频收卷的工艺要求
·在收卷的整个过程中都保持恒定的张力。张力的单位为：牛顿或公斤力。
·在启动小卷时，不能因为张力过大而断纱；大卷启动时不能松纱。
·在加速、减速、停止的状态下也不能有上述情况出现。
·要求将张力量化，即能设定张力的大小（力的单位），能显示实际卷径的大小。
（3）张力控制变频收卷的优点
·张力设定在人机上设定，人性化的操作，单位为力的单位：牛顿。
·使用先进的控制算法：卷径的递归运算；空心卷径激活时张力的线性递加。张力锥度计算公式的应用；转矩补偿的动态调整等等。
·卷径的实时计算，精确度非常高，保证收卷电机输出转矩的平滑性能好。并且在计算卷径时加入了卷径的递归运算，在操作失误的时候，能自己纠正卷径到正确的数值。
· 因为收卷装置的转动惯量是很大的，卷径由小变大时。如果操作人员进行加速减速、停车、再激活时很容易造成爆纱和松纱的现象，将直接导致纱的质量。而进行了变频收卷的改造后，在上述各种情况下，收卷都很稳定，张力始终恒定。而且经过PLC的处理，在特定的动态过程，加入一些动态的调整措施，使得收卷的性能更好。
· 在传统机械传动收卷的基础上改造成变频收卷，非常简便而且造价低，基本上不需对原有机械进行改造。改造周期小，基本上两三天就能安装调试完成。
·克服了机械收卷对机械磨损的弊端，延长机械的使用寿命。方便维护设备。
3.4 张力控制系统设计
（1）变频收卷的控制原理及调试过程
图4为张力控制系统设计。卷径的计算原理根据V1=V2（线速度）来计算收卷的卷径。因为V1=ω1*R1， V2=ω2*Rx。（R1-测长辊的半径、Rx-收卷盘头的半径） 因为在相 同的时间内由测长辊走过的纱的长度(L1、L2)与收卷收到的纱的长度是相等的。即L1/Δt=L2/Δt → Δn1*C1=Δn2*C2/i(Δn1---单位时间内牵引电机运行的圈数、Δn2---单位时间内收卷电机运行的圈数、C1---测长辊的周长、C2---收卷盘头的周长、i--减速比) Δn1*π*D1=Δn2*π*D2/i， D2=Δn1*D1*i/Δn2，因为Δn2=ΔP2/P2(ΔP2---收卷编码器产生的脉冲数、P2---收卷编码器的线数、D1—为测长辊直径、D2—收卷盘头卷径). Δn1=ΔP1/P1取Δn1=1，即测长辊转一圈，由霍尔开关产生一个信号接到PLC.那么D2=D1*i*P2/ΔP2，这样收卷盘头的卷径就得到了。
图4 张力控制系统
（2）收卷的动态过程分析
要能保证收卷过程的平稳性，不论是大卷、小卷、加速、减速、激活、停车都能保证张力的恒定.需要进行转矩的补偿.整个系统要激活起来，首先要克服静摩擦力所产生的转矩，简称静摩擦转矩，静摩擦转矩只在激活的瞬间起作用；正常运行时要克服滑动摩擦力产生地滑动摩擦转矩，滑动摩擦转矩在运行当中一直都存在，并且在低速、高速时的大小是不一样的。需要进行不同大小的补偿，系统在加速、减速、停车时为克服系统的惯量，也要进行相应的转矩补偿，补偿的量与运行的速度也有相应的比例关系.在不同车速的时候，补偿的系数是不同的。即加速转矩、减速转矩、停车转矩、激活转矩；克服了这些因素，还要克服负载转矩，通过计算出的实时卷径除以2再乘以设定的张力大小，经过减速比折算到电机轴.这样就分析出了收卷整个过程的转矩补偿的过程。总结：电机的输出转矩=静摩擦转矩(激活瞬间)+滑动摩擦转矩+负载转矩.<1>在加速时还要加上加速转矩；<2>在减速时要减去减速转矩.<3>停车时，因为是通过程控减速至设定的最低速，所以停车转矩的补偿同减速转矩的处理。
（3）转矩的补偿标准
· 静摩擦转矩的补偿：因为静摩擦转矩只在激活的瞬间存在，在系统激活后就消失了.因此静摩擦转矩的补偿是以计算后电机输出转矩乘以一定的百分比进行补偿.
· 滑动摩擦转矩的补偿：滑动摩擦转矩的补偿在系统运行的整个过程中都是起作用的.补偿的大小以收卷电机的额定转矩为标准.补偿量的大小与运行的速度有关系。所以在程序中处理时，要分段进行补偿。
· 加减速、停车转矩的补偿：补偿硬一收卷电机的额定转矩为标准，相应的补偿系数应该比较稳定，变化不大。
（4）系统计算公式
· 已知空芯卷径Dmin=200mm，满卷卷径Dmax=1200mm；线速度的最大值Vmax=90m/min，张力设定最大值Fmax=50kg(约等于500牛顿)；减速比i=9；速度的限制如下：因为：V=π*D*n/i(V-线速度、D-卷径、n-转速，对于收卷电机)=>收卷电机在空芯卷径时的转速是最快的。所以：90=3.14*0.2*n/9= >n=1290r/min。
· 因为我们知道变频器工作在低频时，交流异步电机的特性不好，激活转矩低而且非线性。因此在收卷的整个过程中要尽量避免收卷电机工作在2HZ以下。因此：收卷电机有个最低速度的限制。计算如下：对于四极电机而言其同步转速为：n1=60f1/p=>n1=1500r/min（f1-为额定频率、p-为极对数、n1-同步转速）。 = >2HZ/50HZ=N/1500=>n=60r/min。当达到最大卷径时，可以求出收卷整个过程中运行的最低速.V=π*D*n/i= >Vmin=3.14*1.2*60/9=25.12m/min.张力控制时，要对速度进行限制，否则会出现飞车.因此要限速。
· 张力及转矩的计算如下：如果F*D/2=T/i（F--张力、D--卷径、T--转距、i--减速比），=>F=2*T*i/D对于22KW的交流电机，其额定转矩的计算如下：T=9550*P/n= >T=140N.m.（T-电机的额定转距、P-电机的额定功率、n-为电机的额定转速）所以Fmax=2*140*9/0.6=4200N。
（5）调试过程：
· 先对电机进行自整定，将电机的定子电感、定子电阻等参数读入变频器。
· 将编码器的信号接至变频器，并在变频器上设定编码器的线数。然后用面板给定频率和启停控制，观察显示的运行频率是否在设定频率的左右波动。因为运用死循环矢量控制时，运行频率总是在参考编码器反馈的速度，最大限度的接近设定频率，所以运行频率是在设定频率的附近震荡的。
· 在程序中设定空芯卷径和最大卷径的数值。通过前面卷径计算的公式算出电机尾部所加编码器产生的最大脉冲量（P2）和最低脉冲量 ( P2 ).通过算出的最大脉冲量对收卷电机的速度进行限定，因为变频器用作张力控制时，如果不对最高速进行限定，一旦出现断纱等情况，收卷电机会飞车的。最低脉冲量是为了避免收卷变频器运行在2Hz以下，因为变频器在2Hz以下运行时，电机的转距特性很差，会出现抖动的现象。通过前面分析的整个收卷的动态过程，在不同卷径和不同运行速度的各个阶段，进行一定的转距补偿.补偿的大小，可以以电机额定转距的百分比来设定。
4 基于台达机电技术的同步传动控制解决方案
4.1 高精度同步控制方案
对于同步要求精度非常高的场合，如喷涂、印刷、包装等设备上经常会遇到高精度的同步控制。这种场合由于精度非常高，因此普通的调速系统满足不了要求，可以选择台达伺服系统来实现。利用伺服驱动上提供的PG编码器分周比输出A、B、Z端子， OA、/OA、OB、/OB、OZ、/OZ即为分频脉冲输出端子。可以将该输出端子接到第二台伺服驱动的SIGN、/SIGN、PULSE、/PULSE输入端子。如果同步单元超过两个单元，则同理类推，可以将第二台伺服驱动的PG分周输出端子接到第三单元的脉冲输入端子。例如玻璃纤维折纸机、木地板抛光套色等同步传动应用案例。
4.2 伺服追变频同步方案
（1）控制要求
变频拖动电机带传送带向右移动，传送带上有需要定长切的材料，电机后加编码器，编码器的A/B相脉冲接V系列变频器构成闭环矢量控制，保证电机特性曲线的硬度，另外将A/B相脉冲接进PLC高速计数。同时将A相脉冲接PLC的Y1触点连接的继电器的常开触点。PLC的脉冲输出触点Y0接继电器的常闭触点。工艺要求如下所述：变频拖动传送带输送要被裁切的材料，伺服拖动滚刀连续运转，当到达设定的要裁切的长度时，正好保证滚刀运行至最低点，将材料切断。
（2）控制原理
控制原理如图6所示。设定需要裁切的长度可以转换成脉冲数。启动时，Y1没有输出，即伺服是通过PLC的Y0触点发脉冲来驱动，这时让滚刀快速运转到上图的A位置，这时通过PLC的高速计数值与定长转换后的脉冲数相差很小时，假设滚刀接收到10000个脉冲转一圈。定长转换后的脉冲数为5000个脉冲，则启动时，通过PLC发脉冲快速让滚刀运行9000个脉冲停在A位置做等待，当高速计数为4000时，开中断让Y1输出，这时伺服由编码器驱动，同时剩余1000个脉冲由同样的频率走完1000个脉冲，达到同步切的效果。例如染浆联合机、多单元纱浆机等应用领域。
图6 伺服追变频同步控制原理
5 案例图片
5.1同步控制及张力控制成功案例
染浆联合机
7单元浆纱机
（3）预缩机 （4）浆点涂层机
玻璃纤维折纸机
5 结束语
同步与张力控制是经典的传动自动化问题，在纺织、印染、造纸、印刷、线材等多机架连续物料生产制造领域有十分广泛的工程应用。进入变频器传动时代以来，结合PLC的同步与张力控制系统成为前沿电气传动自动化工程集成热点。高新性能的同步与张力传动控制系统正在带动着众多行业的技术进步。本文结合台达机电平台的技术特点，系统讨论了应用新技术为传统的传动自动化提供的解决方案和取得的工程技术业绩，有深远的技术推广价值。(end)
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(6/8/2007) |
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