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变频矢量技术在张力控制中应用的实现

文从应用的角度阐述了当前技术条件下,矢量变频技术在卷取传动中运用和设计的方法和思路。有较强的实用性和理论指导性。 关键词: 张力 变频 矢量 转矩 卷径 引言:   在工业生产的很多行业,都要进行精确的张力控制,保持张力的恒定,以提高产品的质量。诸如造纸、印刷印染、包装、电线电缆、光纤电缆、纺织、皮革、金属箔加工、纤维、橡胶、冶金等行业都被广泛应用。在变频技术还没有成熟以前,通常采用直流控制,以获得良好的控制性能。随着变频技术的日趋成熟,出现了矢量控制变频器、张力控制专用变频器等一些高性能的变频器。其控制性能已能和直流控制性能相媲美。由于交流电动机的结构、性价比、使用、维护等很多方面都优于直流电动机,矢量变频控制正在这些行业被越来越广泛的应用,有取代直流控制的趋势。  

张力系统构成示意-201105 (3)A(2).jpg

张力控制的目的就是保持线材或带材上的张力恒定,矢量控制变频器可以通过两种途径达到目的:一、通过控制电机的转速来实现;另一种是通过控制电机输出转矩来实现。 速度模式下的张力闭环控制   速度模式下的张力闭环控制是通过调节电机转速达到张力恒定的。首先由带(线)的线速度和卷筒的卷径实时计算出同步匹配频率指令,然后通过张力检测装置反馈的张力信号与张力设定值构成PID闭环,调整变频器的频率指令。 同步匹配频率指令的公式如下: F=(V×p×i)/(π×D)其中:F 变频器同步匹配频率指令 V 材料线速度 p 电机极对数(变频器根据电机参数自动获得) i 机械传动比 D 卷筒的卷径   变频器的品牌不同、设计者的用法不同,获得以上各变量的途径也不同,特别是材料的线速度(V)和卷筒的卷径(D),计算方法多种多样,在此不一一列举。   

这种控制模式下要求变频器的PID调节性能要好,同步匹配频率指令要准确,这样系统更容易稳定,否则系统就会震荡、不稳定。这种模式多用在拉丝机的连拉和轧机的连轧传动控制中。若采用转矩控制模式,当材料的机械性能出现波动,就会出现拉丝困难,轧机轧不动等不正常情况。 转矩模式下的张力控制 :

一、转矩模式下的张力开环控制   在这种模式下,无需张力检测反馈装置,就可以获得更为稳定的张力控制效果,结构简洁,效果较好。但变频器需工作在闭环矢量控制方式,必须安装测速电机或编码器,以便对电机的转速做精确测量反馈。 转矩的计算公式如下: T=(F×D)/(2×i)其中:T 变频器输出转矩指令 F 张力设定指令 i 机械传动比 D 卷筒的卷径   电机的转矩被计算出来后,用来控制变频器的电流环,这样就可以控制电机的输出转矩。所以转矩计算非常重要。这种控制多用在对张力精度要求不高的场合,在我鑫科公司就有广泛的应用。如精带公司的脱脂机、气垫炉的收卷控制中都采用了这中控制模式。 

二、转矩模式下转矩模式下的张力开环控制   张力闭环控制是在张力开环控制的基础上增加了张力反馈闭环调节。通过张力检测装置反馈张力信号与张力设定值构成PID闭环调节,调整变频器输出转矩指令,这样可以获得更高的张力控制精度。其张力计算与开环控制相同。不论采用张力开环模式还是闭环模式,在系统加、减速的过程中,需要提供额外的转矩用于克服整个系统的转动惯量。如果不加补偿,将出现收卷过程加速时张力偏小,减速时张力偏大,放卷过程加速时张力偏大,减速时张力偏小的现象。   这种控制模式多用在造纸、纺织等卷取微张力控制的场合下。在我公司尚无需这种控制。 卷径计算   在所有的模式中都需要用到卷筒的卷径,大家知道,在生产过程中开卷机的卷径是在不断变小,卷取机的卷径在不断变大,也就是说转矩必须随着卷径的变化而变化,才能获得稳定的张力控制。可见卷筒的卷径计算是多么地重要。卷径的计算有两中途径:一种是通过外部将计算好的卷径直接传送给变频器,一般是在PLC中运算获得。另一种是变频器自己运算获得,矢量控制型变频器都具有卷径计算功能,在大多数的应用中都是通过变频器自己运算获得。这样可以减少PLC程序的复杂性和调试难度、降低成本。 

变频器自己计算卷径的方法有三种: 1、 速度计算法: 通过系统当前线速度和变频器输出频率计算卷径。其公式如下: D=(i×V)/(π×n) D 所求卷径 I 机械传动比 n 电机转速 V 线速度   当系统运行速度较低时,材料线速度和变频器输出频率都较低,较小的检测误差就会使卷径计算产生较大的误差,所以要设定一个最低线速度,当材料线速度低于此值时卷径计算停止,卷径当前值保持不变。此值应设为正常工作线速度以下。多数应用场合下的变频器都使用这种方法进行卷径计算。 

2、 度积分法:   根据材料厚度按卷筒旋转圈数进行卷径累加或递减,对于线材还需设定每层的圈数。   这种方法计算要求输入材料厚度,若厚度是固定不变的,可以在变频器中设定。此方法在单一产品的生产场合被广泛应用。   若厚度是需要经常变化的,需要通过人机界面HMI或智能仪表将厚度信号传送到PLC,由PLC或仪表进行运算后再传送给变频器。这种计算方法可以获得比较精确的卷径。在一般的国产设备上应用较少,我公司的进口设备,气垫炉的收、放卷控制上就采用这种计算方式。
3、 模拟量输入   当选用外部卷径传感器时,卷径信号通过模拟输入口输入给变频器。由于卷径传感器的性能、价格、使用环境等原因,在国内鲜有使用。 结束语:   矢量变频技术在卷取应用中的方法多种多样,在当前技术条件下,上述模式是最具有代表性的。无论是设计还是维修,了解你所使用设备的工作模式和控制特点是非常重要的。变频技术还在高速发展,新的理论和控制技术将不断涌现,控制模式还将继续推陈出新。我们期待着更先进、更实用的技术不断出现,以此来改变我们的生活。  

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