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摘 要：本文主要介紹了張力控制變頻收卷的控制原理，此技術能夠使得在紡織行業中收卷的整個過程很穩定，避免小卷時張力過大；大卷啟動時松紗的現象。

關鍵字：變頻收卷 張力控制 閉環矢量 卷徑計算

Abstract: The article introduces the control principle of tension controlled variable frequency. This technology makes the whole winding process stable and avoids the over tension of small winding and loose yam in big rolling.
Key words: Variable frequency winding Tension control Closed loop vector Winding radius calculation

一. 前言 :
　　用變頻器做恒張力控制的實質是閉環矢量控制，即加編碼器反饋。對收卷來說，收卷的卷經是由小到大變化的，為了保證恒張力，所以要求電機的輸出轉距要由小到大變化。同時在不同的操作過程，要進行相應的轉距補償。即小卷啟動的瞬間、加速、減速、停車，大卷啟動時，要在不同卷經時進行不同的轉距補償，這樣就能使得收卷的整個過程很穩定，避免小卷時張力過大；大卷啟動時松紗的現象。

二．張力控制變頻收卷在紡織行業的應用及工藝要求
2.1 傳統收卷裝置的弊端
紡織機械如：漿紗機、漿染聯合機、并軸機等設備都會有收卷的環節。傳統的收卷都是采用機械傳動，因為機械的同軸傳動對于機械的磨損是非常嚴重的，據了解，用于同軸傳動部分的機械平均壽命基本上是一年左右。而且經常要維護，維護的時候也是非常麻煩的,不僅浪費人力而且維護費用很高,給客戶帶來了很多的不便。尤其是紡織設備基本上是開機后不允許中途停車的，如發生意外情況需要停車會造成很大的浪費。在這種情況下，張力控制變頻收卷開始逐漸取代傳統的機械傳動系統。
2.2 張力控制變頻收卷的工藝要求
（1）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。
（2）在啟動小卷時，不能因為張力過大而斷紗；大卷啟動時不能松紗。
（3）在加速、減速、停止的狀態下也不能有上述情況出現。
（4）要求將張力量化，即能設定張力的大小（力的單位），能顯示實際卷徑的大小。　　　　2.3 張力控制變頻收卷的優點
（1）張力設定在人機上設定，人性化的操作，單位為力的單位：牛頓。
（2）使用先進的控制算法：卷徑的遞歸運算；空心卷徑激活時張力的線性遞加；張力錐度計算公式的應用；轉矩補償的動態調整等等。
（3）卷徑的實時計算，精確度非常高，保證收卷電機輸出轉矩的平滑性能好。并且在計算卷徑時加入了卷徑的遞歸運算，在操作失誤的時候，能自己糾正卷徑到正確的數值。
（4）因為收卷裝置的轉動慣量是很大的，卷徑由小變大時。如果操作人員進行加速、減速、停車、再激活時很容易造成爆紗和松紗的現象，將直接導致紗的質量。而進行了變頻收卷的改造后，在上述各種情況下，收卷都很穩定，張力始終恒定。而且經過PLC的處理，在特定的動態過程，加入一些動態的調整措施，使得收卷的性能更好。
（5）在傳統機械傳動收卷的基礎上改造成變頻收卷，非常簡便而且造價低，基本上不需對原有機械進行改造。改造周期小，基本上兩三天就能安裝調試完成。
（6）克服了機械收卷對機械磨損的弊端，延長機械的使用壽命。方便維護設備。


圖1 系統構成及系統框圖

三． 變頻收卷的控制原理及調試過程
3.1 卷徑的計算原理
根據V1=V2來計算收卷的卷徑。因為V1=ω1*R1, V2=ω2*Rx。因為在相同的時間內由測長輥走過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---單位時間內牽引電機運行的圈數、Δn2---單位時間內收卷電機運行的圈數、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，因為Δn2=ΔP2/P2(ΔP2---收卷編碼器產生的脈沖數、P2---收卷編碼器的線數)。Δn1=ΔP1/P1取Δn1=1，即測長輥轉一圈，由霍爾開關產生一個信號接到PLC。那么D2=D1*i*P2/ΔP2，這樣收卷盤頭的卷徑就得到了。

3.2收卷的動態過程分析
要能保證收卷過程的平穩性，不論是大卷、小卷、加速、減速、激活、停車都能保證張力的恒定。需要進行轉矩的補償。整個系統要激活起來，首先要克服靜摩擦力所產生的轉矩，簡稱靜摩擦轉矩，靜摩擦轉矩只在激活的瞬間起作用；正常運行時要克服滑動摩擦力產生地滑動摩擦轉矩，滑動摩擦轉矩在運行當中一直都存在，并且在低速、高速時的大小是不一樣的。需要進行不同大小的補償，系統在加速、減速、停車時為克服系統的慣量，也要進行相應的轉矩補償，補償的量與運行的速度也有相應的比例關系。在不同車速的時候，補償的系數是不同的。即加速轉矩、減速轉矩、停車轉矩、激活轉矩；克服了這些因素，還要克服負載轉矩，通過計算出的實時卷徑除以2再乘以設定的張力大小，經過減速比折算到電機軸。這樣就分析出了收卷整個過程的轉矩補償的過程。總結:電機的輸出轉矩=靜摩擦轉矩(激活瞬間)+滑動摩擦轉矩+負載轉矩。（1）在加速時還要加上加速轉矩；（2）在減速時要減去減速轉矩。（3）停車時，因為是通過程控減速至設定的最低速，所以停車轉矩的補償同減速轉矩的處理。

3.3轉矩的補償標準
（1）靜摩擦轉矩的補償
因為靜摩擦轉矩只在激活的瞬間存在，在系統激活后就消失了。因此靜摩擦轉矩的補償是以計算后電機輸出轉矩乘以一定的百分比進行補償。
（2）滑動摩擦轉矩的補償
滑動摩擦轉矩的補償在系統運行的整個過程中都是起作用的。補償的大小以收卷電機的額定轉矩為標準。補償量的大小與運行的速度有關系。所以在程序中處理時，要分段進行補償。
（4）加減速、停車轉矩的補償
補償硬一收卷電機的額定轉矩為標準，相應的補償系數應該比較穩定，變化不大。
　　
3.4計算當中的公式計算
(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:因為:V=π*D*n/i(對于收卷電機)=>收卷電機在空芯卷徑時的轉速是最快的。所以:90=3.14*0.2*n/9=>n=1290r/min；
(2)因為我們知道變頻器工作在低頻時,交流異步電機的特性不好,激活轉矩低而且非線性。因此在收卷的整個過程中要盡量避免收卷電機工作在2HZ以下。因此:收卷電機有個最低速度的限制。計算如下:對于四極電機而言其同步轉速為:n1=60f1/p=>n1=1500r/min。 =>2HZ/5HZ=N/1500=>n=60r/min。當達到最大卷徑時,可以求出收卷整個過程中運行的最低速。V=π*D*n/i=>Vmin=3.14*1。2*60/9=25.12m/min。張力控制時,要對速度進行限制,否則會出現飛車。因此要限速。
(3)張力及轉矩的計算如下:如果F*D/2=T/I=>F=2*T*i/D對于22KW的交流電機,其額定轉矩的計算如下: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為額定轉速)。
（4）調試過程：
●先對電機進行自整定，將電機的定子電感、定子電阻等參數讀入變頻器。
●將編碼器的信號接至變頻器，并在變頻器上設定編碼器的線數。然后用面板給定頻率和
啟停控制，觀察顯示的運行頻率是否在設定頻率的左右波動。因為運用死循環矢量控制時，運行頻率總是在參考編碼器反饋的速度，最大限度的接近設定頻率，所以運行頻率是在設定頻率的附近震蕩的。
●在程序中設定空芯卷徑和最大卷徑的數值。通過前面卷徑計算的公式算出電機尾部所加編碼器產生的最大脈沖量（P2）和最低脈沖量 ( P2 )。通過算出的最大脈沖量對收卷電機的速度進行限定，因為變頻器用作張力控制時，如果不對最高速進行限定，一旦出現斷紗等情況，收卷電機會飛車的。最低脈沖量是為了避免收卷變頻器運行在2Hz以下，因為變頻器在2Hz以下運行時，電機的轉距特性很差，會出現抖動的現象。
●通過前面分析的整個收卷的動態過程，在不同卷徑和不同運行速度的各個階段，進行一定的轉距補償.補償的大小，可以以電機額定轉距的百分比來設定。
　　
五．真正的張力控制.
5.1 張力控制的定義
所謂的張力控制，通俗點講就是要能控制電機輸出多大的力，即輸出多少牛頓。反應到電機軸即能控制電機的輸出轉距。
5.2 真正的張力控制不同于靠前后兩個動力點的速度差形成張力的系統，靠速度差來調節張力的實質是對張力的PID控制，要加張力傳感器。而且在大小卷啟動、停止、加速、減速、停車時的調節不可能做到象真正的張力控制的效果，張力不是很穩定。肯定會影響生產出產品的質量。

六．變頻收卷對變頻器性能的要求
（1）變頻收卷的實質是要完成張力控制，即能控制電機的運行電流，因為三相異步電機的輸出轉距T=CmφmIa，與電流成正比。并且當負載有突變時能夠保證電機的機械特性曲線比較硬.所以必須用矢量變頻器，而且必須要加編碼器死循環控制。
（1）市場上能進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，臺達V+系列的變頻器正在推出自己的收放卷專用的變頻器，總結收放卷專用變頻器的很多主要功能和參數并且加入了自己的算法，具有自己的特點，加上臺達在全國的聯保服務能夠解決客戶的后顧之憂。應該是客戶不錯的選擇。

參考文獻（略）

作者簡介：
李強（1978.11-） 男 中達電通股份有限公司高級技術工程師（FAE） 研究方向:向客戶提供自動化解決方案，用組態軟件、人機、PLC、變頻器、伺服完成系統設計。