張力控制變頻收卷的控制原理及在紡織行業(yè)中的應用

　　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，所以要求電機的輸出轉距要由小到大變化。同時(shí)在不同的操作過(guò)程，要進(jìn)行相應的轉距補償。即小卷啟動(dòng)的瞬間、加速、減速、停車(chē)，大卷啟動(dòng)時(shí)，要在不同卷經(jīng)時(shí)進(jìn)行不同的轉距補償，這樣就能使得收卷的整個(gè)過(guò)程很穩定，避免小卷時(shí)張力過(guò)大；大卷啟動(dòng)時(shí)松紗的現象。

　　二．張力控制變頻收卷在紡織行業(yè)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(lián)合機、并軸機等設備都會(huì )有收卷的環(huán)節。傳統的收卷都是采用機械傳動(dòng)，因為機械的同軸傳動(dòng)對于機械的磨損是非常嚴重的，據了解，用于同軸傳動(dòng)部分的機械平均壽命基本上是一年左右。而且經(jīng)常要維護，維護的時(shí)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(hù)帶來(lái)了很多的不便。尤其是紡織設備基本上是開(kāi)機后不允許中途停車(chē)的，如發(fā)生意外情況需要停車(chē)會(huì )造成很大的浪費。在這種情況下，張力控制變頻收卷開(kāi)始逐漸取代傳統的機械傳動(dòng)系統。

　　2.2 張力控制變頻收卷的工藝要求

　?。?）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。

　?。?）在啟動(dòng)小卷時(shí)，不能因為張力過(guò)大而斷紗；大卷啟動(dòng)時(shí)不能松紗。

　?。?）在加速、減速、停止的狀態(tài)下也不能有上述情況出現。

　?。?）要求將張力量化，即能設定張力的大?。Φ膯挝唬?，能顯示實(shí)際卷徑的大小。

　　2.3 張力控制變頻收卷的優(yōu)點(diǎn)

　?。?）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。

　?。?）使用先進(jìn)的控制算法：卷徑的遞歸運算；空心卷徑激活時(shí)張力的線(xiàn)性遞加；張力錐度計算公式的應用；轉矩補償的動(dòng)態(tài)調整等等。

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

　?。?）因為收卷裝置的轉動(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(chē)、再激活時(shí)很容易造成爆紗和松紗的現象，將直接導致紗的質(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)的調整措施，使得收卷的性能更好。

　?。?）在傳統機械傳動(dòng)收卷的基礎上改造成變頻收卷，非常簡(jiǎn)便而且造價(jià)低，基本上不需對原有機械進(jìn)行改造。改造周期小，基本上兩三天就能安裝調試完成。

　?。?）克服了機械收卷對機械磨損的弊端，延長(cháng)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(guò)程

　　3.1 卷徑的計算原理

　　根據V1=V2來(lái)計算收卷的卷徑。因為V1=ω1＊R1， V2=ω2＊Rx。因為在相同的時(shí)間內由測長(cháng)輥走過(guò)的紗的長(cháng)度與收卷收到的紗的長(cháng)度是相等的。即L1/Δt=L2/Δt，Δn1＊C1=Δn2＊C2/i（Δn1——-單位時(shí)間內牽引電機運行的圈數、Δn2——-單位時(shí)間內收卷電機運行的圈數、C1——-測長(cháng)輥的周長(cháng)、C2——-收卷盤(pán)頭的周長(cháng)、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(chǎn)生的脈沖數、P2——-收卷編碼器的線(xiàn)數）。Δn1=ΔP1/P1取Δn1=1，即測長(cháng)輥轉一圈，由霍爾開(kāi)關(guān)產(chǎn)生一個(gè)信號接到PLC。那么D2=D1＊i＊P2/ΔP2，這樣收卷盤(pán)頭的卷徑就得到了。

　　3.2收卷的動(dòng)態(tài)過(guò)程分析

　　要能保證收卷過(guò)程的平穩性，不論是大卷、小卷、加速、減速、激活、停車(chē)都能保證張力的恒定。需要進(jìn)行轉矩的補償。整個(gè)系統要激活起來(lái)，首先要克服靜摩擦力所產(chǎn)生的轉矩，簡(jiǎn)稱(chēng)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(shí)要克服滑動(dòng)摩擦力產(chǎn)生地滑動(dòng)摩擦轉矩，滑動(dòng)摩擦轉矩在運行當中一直都存在，并且在低速、高速時(shí)的大小是不一樣的。需要進(jìn)行不同大小的補償，系統在加速、減速、停車(chē)時(shí)為克服系統的慣量，也要進(jìn)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(guān)系。在不同車(chē)速的時(shí)候，補償的系數是不同的。即加速轉矩、減速轉矩、停車(chē)轉矩、激活轉矩；克服了這些因素，還要克服負載轉矩，通過(guò)計算出的實(shí)時(shí)卷徑除以2再乘以設定的張力大小，經(jīng)過(guò)減速比折算到電機軸。這樣就分析出了收卷整個(gè)過(guò)程的轉矩補償的過(guò)程?？偨Y：電機的輸出轉矩=靜摩擦轉矩（激活瞬間）+滑動(dòng)摩擦轉矩+負載轉矩。（1）在加速時(shí)還要加上加速轉矩；（2）在減速時(shí)要減去減速轉矩。（3）停車(chē)時(shí)，因為是通過(guò)程控減速至設定的最低速，所以停車(chē)轉矩的補償同減速轉矩的處理。

　　3.3轉矩的補償標準

　?。?）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(jìn)行補償。

　?。?）滑動(dòng)摩擦轉矩的補償

　　滑動(dòng)摩擦轉矩的補償在系統運行的整個(gè)過(guò)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(guān)系。所以在程序中處理時(shí)，要分段進(jìn)行補償。

　?。?）加減速、停車(chē)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

　?。?）已知空芯卷徑Dmin=200mm，Dmax=1200mm；線(xiàn)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(shí)的轉速是最快的。所以：90=3.14＊0.2＊n/9=》n=1290r/min；

　?。?）因為我們知道變頻器工作在低頻時(shí)，交流異步電機的特性不好，激活轉矩低而且非線(xiàn)性。因此在收卷的整個(gè)過(guò)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(gè)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。 = gt;2HZ/5HZ=N/1500=》n=60r/min。當達到最大卷徑時(shí)，可以求出收卷整個(gè)過(guò)程中運行的最低速。V=π＊D＊n/i= gt;Vmin=3.14＊1。2＊60/9=25.12m/min。張力控制時(shí)，要對速度進(jìn)行限制，否則會(huì )出現飛車(chē)。因此要限速。

　?。?）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）。

　　四．調試過(guò)程：

　　先對電機進(jìn)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(xiàn)數。然后用面板給定頻率和啟?？刂?，觀(guān)察顯示的運行頻率是否在設定頻率的左右波動(dòng)。因為運用死循環(huán)矢量控制時(shí)，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(guò)前面卷徑計算的公式算出電機尾部所加編碼器產(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收卷電機的速度進(jìn)行限定，因為變頻器用作張力控制時(shí)，如果不對最高速進(jìn)行限定，一旦出現斷紗等情況，收卷電機會(huì )飛車(chē)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(shí)，電機的轉距特性很差，會(huì )出現抖動(dòng)的現象。

　　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行速度的各個(gè)階段，進(jìn)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(lái)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(diǎn)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(gè)動(dòng)力點(diǎn)的速度差形成張力的系統，靠速度差來(lái)調節張力的實(shí)質(zhì)是對張力的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(chē)時(shí)的調節不可能做到象真正的張力控制的效果，張力不