張力控制變頻收卷的控制原理及在紡織行業(yè)中的應(yīng)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(duì)收卷來說，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)過程很穩(wěn)定，避免小卷時(shí)張力過大；大卷啟動(dòng)時(shí)松紗的現(xiàn)象。

　　二．張力控制變頻收卷在紡織行業(yè)的應(yīng)用及工藝要求

　　2.1 傳統(tǒng)收卷裝置的弊端

　　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，給客戶帶來了很多的不便。尤其是紡織設(shè)備基本上是開機(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始逐漸取代傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)。

　　2.2 張力控制變頻收卷的工藝要求

　?。?）在收卷的整個(gè)過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?yàn)閺埩^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(xiàn)。

　?。?）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。

　　2.3 張力控制變頻收卷的優(yōu)點(diǎn)

　?。?）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。

　?。?）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。

　?。?）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。

　?。?）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PLC的處理，在特定的動(dòng)態(tài)過程，加入一些動(dòng)態(tài)的調(diào)整措施，使得收卷的性能更好。

　?。?）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。

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

　　圖1 系統(tǒng)構(gòu)成及系統(tǒng)框圖

　　三． 變頻收卷的控制原理及調(diào)試過程

　　3.1 卷徑的計(jì)算原理

　　根據(jù)V1=V2來計(jì)算收卷的卷徑。因?yàn)閂1=ω1＊R1， V2=ω2＊Rx。因?yàn)樵谙嗤臅r(shí)間內(nèi)由測(cè)長輥?zhàn)哌^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(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?yàn)棣2=ΔP2/P2（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)長輥轉(zhuǎn)一圈，由霍爾開關(guān)產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)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(dòng)態(tài)過程分析

　　要能保證收卷過程的平穩(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，首先要克服靜摩擦力所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，簡稱靜摩擦轉(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)過減速比折算到電機(jī)軸。這樣就分析出了收卷整個(gè)過程的轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)倪^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^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。

　　3.3轉(zhuǎn)矩的補(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。

　?。?）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。

　?。?）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。

　　3.4計(jì)算當(dāng)中的公式計(jì)算

　?。?）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)椋篤=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；

　?。?）因?yàn)槲覀冎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。 = gt;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)過程中運(yùn)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(duì)速度進(jìn)行限制，否則會(huì)出現(xiàn)飛車。因此要限速。

　?。?）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）。

　　四．調(diào)試過程：

　　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。

　　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?？刂疲^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。

　　在程序中設(shè)定空芯卷徑和最大卷徑的數(shù)值。通過前面卷徑計(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。

　　通過前面分析的整個(gè)收卷的動(dòng)態(tài)過程，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)距的百分比來設(shè)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(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。

　　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(tǒng)，靠速度差來調(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