0前言

變頻器(Variable-frequencyDrive，VFD)是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過(guò)改變電機(jī)工作電源頻率方式來(lái)控制交流電動(dòng)機(jī)的電力控制設(shè)備。變頻器主要由整流(交流變直流)、濾波、逆變(直流變交流)、制動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元、檢測(cè)單元微處理單元等組成。變頻器靠?jī)?nèi)部IGBT的開(kāi)斷來(lái)調(diào)整輸出電源的電壓和頻率，根據(jù)電機(jī)的實(shí)際需要來(lái)提供其所需要的電源電壓，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能、調(diào)速的目的，另外，變頻器還有很多的保護(hù)功能，如過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)載保護(hù)等等。隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的不斷提高，變頻器也得到了非常廣泛的應(yīng)用。20世紀(jì)80年代中后期，美、日、德、英等發(fā)達(dá)國(guó)家的VVVF變頻器技術(shù)實(shí)用化，商品投入市場(chǎng)，得到了廣泛應(yīng)用。最早的變頻器可能是日本人買了英國(guó)專利研制的。不過(guò)美國(guó)和德國(guó)憑借電子元件生產(chǎn)和電子技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，高端產(chǎn)品迅速搶占市場(chǎng)。

自動(dòng)恒張力控制器是通過(guò)接收兩只張力檢測(cè)器傳送的信號(hào)，經(jīng)控制器與設(shè)定張力比較，輸出控制磁粉離合器，制動(dòng)器，力矩電機(jī)或伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制放卷或收卷長(zhǎng)尺寸大卷徑材料張力的設(shè)備。自動(dòng)恒張力控制器的工作原理為兩只張力檢測(cè)器測(cè)量到實(shí)際目標(biāo)(即測(cè)量張力)，與人為設(shè)定設(shè)定所需的工作張力(即設(shè)定張力)相比較，如果兩個(gè)比較的張力相等時(shí)，張力控制器不調(diào)節(jié)輸出比例，而兩個(gè)比較的張力不等時(shí)，張力控制器將判斷測(cè)定張力大于或小于設(shè)定而相應(yīng)的減小或增大輸出比例，從而使測(cè)量張力與設(shè)定張力保持動(dòng)態(tài)平衡來(lái)實(shí)現(xiàn)恒張力。

用變頻器做恒張力控制的實(shí)質(zhì)是閉環(huán)矢量控制，即加編碼器反饋。對(duì)收卷來(lái)說(shuō)，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(shí)在不同的操作過(guò)程，要進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)距補(bǔ)償。即小卷啟動(dòng)的瞬間、加速、減速、停車，大卷啟動(dòng)時(shí)，要在不同卷經(jīng)時(shí)進(jìn)行不同的轉(zhuǎn)距補(bǔ)償，這樣就能使得收卷的整個(gè)過(guò)程很穩(wěn)定，避免小卷時(shí)張力過(guò)大；大卷啟動(dòng)時(shí)松紗的現(xiàn)象。

1張力控制變頻收卷的應(yīng)用及工藝要求

1.1普通收卷裝置現(xiàn)狀

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(huì)有收卷的環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的收卷都是采用機(jī)械傳動(dòng)，因?yàn)闄C(jī)械的同軸傳動(dòng)對(duì)于機(jī)械的磨損是非常嚴(yán)重的，據(jù)了解，用于同軸傳動(dòng)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(shí)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(lái)了很多的不便。尤其是紡織設(shè)備基本上是開(kāi)機(jī)后不允許中途停車的，如發(fā)生意外情況需要停車會(huì)造成很大的浪費(fèi)。在這種情況下，張力控制變頻收卷開(kāi)始逐漸取代傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)。

（1）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。

（2）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(shí)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?dòng)態(tài)調(diào)整等等。

（3）卷徑的實(shí)時(shí)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(shí)加入了卷徑的遞歸運(yùn)算，在操作失誤的時(shí)候，能自己糾正卷徑到正確的數(shù)值。

（4）因?yàn)槭站硌b置的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是很大的，卷徑由小變大時(shí)。如果操作人員進(jìn)行加速、減速、停車、再激活時(shí)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(guò)PLC的處理，在特定的動(dòng)態(tài)過(guò)程，加入一些動(dòng)態(tài)的調(diào)整措施，使得收卷的性能更好。

（5）在傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)收卷的基礎(chǔ)上改造成變頻收卷，非常簡(jiǎn)便而且造價(jià)低，基本上不需對(duì)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。

（6）克服了機(jī)械收卷對(duì)機(jī)械磨損的弊端，延長(zhǎng)機(jī)械的使用壽命。方便維護(hù)設(shè)備。

選擇合理PLC的型號(hào)，對(duì)于提高PLC控制系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)起著重要作用。選擇機(jī)型的基本原則是在功能滿足要求的前提下，保證可靠，維護(hù)使用方便以及最佳功能價(jià)格比。

1.2張力控制變頻收卷的工藝要求

（1）在收卷的整個(gè)過(guò)程中都保持恒定的張力。張力的單位為：牛頓或公斤力。

（2）在啟動(dòng)小卷時(shí)，不能因?yàn)閺埩^(guò)大而斷紗；大卷啟動(dòng)時(shí)不能松紗。

（3）在加速、減速、停止的狀態(tài)下也不能有上述情況出現(xiàn)。

（4）要求將張力量化，即能設(shè)定張力的大小（力的單位），能顯示實(shí)際卷徑的大小。

2變頻收卷的控制原理

2.1卷徑的計(jì)算原理

根據(jù)：

V1=V2

可得收卷的卷徑。

V1=ω1*R1,V2=ω2*Rx。

因?yàn)樵谙嗤臅r(shí)間內(nèi)由測(cè)長(zhǎng)輥?zhàn)哌^(guò)的紗的長(zhǎng)度與收卷收到的紗的長(zhǎng)度是相等的。即L1/Δt=L2/Δt，Δn1*C1=Δn2*C2/i

上式：Δn1---單位時(shí)間內(nèi)牽引電機(jī)運(yùn)行的圈數(shù)、Δn2---單位時(shí)間內(nèi)收卷電機(jī)運(yùn)行的圈數(shù)、C1---測(cè)長(zhǎng)輥的周長(zhǎng)、C2---收卷盤頭的周長(zhǎng)、i---減速比。

Δn1*π*D1=Δn2*π*D2/iD2=Δn1*D1*i/Δn2，

Δn2=ΔP2/P2

上式中：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(cè)長(zhǎng)輥轉(zhuǎn)一圈，由霍爾開(kāi)關(guān)產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)接到PLC。

可得：

D2=D1*i*P2/ΔP2，

D2為收卷盤頭的卷徑。

2.2收卷的動(dòng)態(tài)特性

要能保證收卷過(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。整個(gè)系統(tǒng)要激活起來(lái)，首先要克服靜摩擦力所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，簡(jiǎn)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(shí)要克服滑動(dòng)摩擦力產(chǎn)生地滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)矩，滑動(dòng)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(shí)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(shí)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(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；克服了這些因素，還要克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩，通過(guò)計(jì)算出的實(shí)時(shí)卷徑除以2再乘以設(shè)定的張力大小，經(jīng)過(guò)減速比折算到電機(jī)軸。這樣就分析出了收卷整個(gè)過(guò)程的轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)倪^(guò)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(dòng)摩擦轉(zhuǎn)矩+負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

（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，所以停車轉(zhuǎn)矩的補(bǔ)償同減速轉(zhuǎn)矩的處理。

2.3轉(zhuǎn)矩補(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(dòng)摩擦轉(zhuǎn)矩的補(bǔ)償

滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)矩的補(bǔ)償在系統(tǒng)運(yùn)行的整個(gè)過(guò)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(shí)，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

2.4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)?font color="red">:V=π*D*n/i(對(duì)于收卷電機(jī))=>收卷電機(jī)在空芯卷徑時(shí)的轉(zhuǎn)速是最快的。所以:90=3.14*0.2*n/9=>n=1290r/min；

(2)因?yàn)榈雷冾l器工作在低頻時(shí)，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(gè)過(guò)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(gè)最低速度的限制。計(jì)算如下:對(duì)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(shí),可以求出收卷整個(gè)過(guò)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(shí),要對(duì)速度進(jìn)行限制，否則會(huì)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(duì)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)。

2.4變頻器調(diào)試

（1）先對(duì)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(hào)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(dòng)。因?yàn)檫\(yùn)用死循環(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(guò)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(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)斷紗等情況，收卷電機(jī)會(huì)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(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)距特性很差，會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)的現(xiàn)象。

（4）通過(guò)前面分析的整個(gè)收卷的動(dòng)態(tài)過(guò)程，在不同卷徑和不同運(yùn)行速度的各個(gè)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(lái)設(shè)定。

3恒張力控制.

自動(dòng)張力控制器，主要由張力檢測(cè)器，高精度A/D，D/A轉(zhuǎn)換器，高性能單片機(jī)等組成。該自動(dòng)恒張力控制器是根據(jù)張力檢測(cè)器測(cè)量到卷料的張力與設(shè)定的目標(biāo)張力相比較后，經(jīng)單片機(jī)PID運(yùn)算自動(dòng)調(diào)整D/A輸出從而改變磁粉離合，制動(dòng)器的勵(lì)磁電流或伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩來(lái)實(shí)現(xiàn)卷料的恒張力，可廣泛用于各種需對(duì)張力進(jìn)行精密測(cè)控的場(chǎng)合，具有使用靈活和廣泛的適用性。特點(diǎn):1.液晶顯示器可選擇中文或英文顯示2.自動(dòng)與手動(dòng)切換簡(jiǎn)單方便3.張力檢測(cè)器布線簡(jiǎn)單方便4.便捷的參數(shù)設(shè)置5.帶雙工位換軸輸出功能參數(shù):測(cè)量精度:<±1牛頓采樣速度:100毫秒主輸出方式:DC0-3A恒電流輸出(適配負(fù)載阻抗8-12Ω)輔助輸出:DC0-5V(MAX10MA)模擬量信號(hào)輸出外形尺寸:245×155×140(mm)(寬×高×深)安裝尺寸:230×150×120(mm)(寬×高×深)電源:AC180-245V50/60Hz。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。

真正的張力控制不同于靠前后兩個(gè)動(dòng)力點(diǎn)的速度差形成張力的系統(tǒng)，靠速度差來(lái)調(diào)節(jié)張力的實(shí)質(zhì)是對(duì)張力的PID控制，要加張力傳感器。而且在大小卷啟動(dòng)、停止、加速、減速、停車時(shí)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(huì)影響生產(chǎn)出產(chǎn)品的質(zhì)量。

4變頻收卷對(duì)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(shí)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(chǎng)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。艾默生TD3300就是一款收放卷專用的變頻器，臺(tái)達(dá)V+系列的變頻器正在推出自己的收放卷專用的變頻器，總結(jié)收放卷專用變頻器的很多主要功能和參數(shù)并且加入了自己的算法，具有自己的特點(diǎn)，加上臺(tái)達(dá)在全國(guó)的聯(lián)保服務(wù)能夠解決客戶的后顧之憂。應(yīng)該是客戶不錯(cuò)的選擇。

5結(jié)論

本文對(duì)變頻器和張力控制器設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，并對(duì)張力控制變頻收卷的控制原理進(jìn)行了介紹，目前此控制系統(tǒng)能夠使得在紡織行業(yè)中收卷的整個(gè)過(guò)程運(yùn)行平穩(wěn)，有效的避免小卷時(shí)張力過(guò)大；大卷啟動(dòng)時(shí)松紗的現(xiàn)象。

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