【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 直流電機(jī)和交流電機(jī)兩種。這兩種電機(jī)都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，到底使用那種電機(jī)，這要根據(jù)實(shí)際需要來(lái)決定，而不能一概而論。但是，不論使用那一種電機(jī)，其控制原理框圖均可以用下圖來(lái)表示： 目錄 12 圖 張力控制系統(tǒng)原理圖 第 4 章 電機(jī)的選取 作為收卷動(dòng)力的任何裝置，根據(jù)其 機(jī)械特性 在 不同的 應(yīng)用場(chǎng)合，均應(yīng)滿(mǎn)足卷繞特性。可做收線(xiàn)動(dòng)力的裝置很多，如力矩電機(jī)、直流電機(jī)和 滑差電動(dòng) 。 通過(guò)電控系統(tǒng)，均 能不同程度地滿(mǎn)足卷繞特性。 下面簡(jiǎn)單介紹以下三種電機(jī)，并做出選擇。 參考文獻(xiàn) 13 力矩電機(jī)和力矩控制器的發(fā)展 力矩電機(jī)是其中最簡(jiǎn)單、 經(jīng)濟(jì)的一種傳動(dòng)方式，它的特殊設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，能使其在卷繞過(guò)程保持張力恒定，尤其在額定轉(zhuǎn)速的 1／ 3到 2／ 3之間 [9]，機(jī)械特性曲線(xiàn) 和 卷繞特 性曲線(xiàn) 非常接 近 (見(jiàn)圖 )， 相對(duì)功率近似不變，而張力則正比于功率。因此，在使用力矩電機(jī)做收線(xiàn)動(dòng)力時(shí)．恰當(dāng)?shù)剡x擇和計(jì)算其輸出 力 矩和額定轉(zhuǎn)速．并與收線(xiàn)張力和收線(xiàn)速度匹配好，是用好力矩電機(jī)的要求 。 隨著科技的發(fā)展，尤其是電力電子技術(shù)，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和各種各樣的 控制算法的出現(xiàn)，張力控制器的性能已經(jīng)越來(lái)越好了。比如上海浩正電氣有限公司的 YLJK3F系列力矩電機(jī)控制器就是其中一種。 其主要特點(diǎn) 是在線(xiàn)速度變化以后，張力仍能保持在所允許的范圍內(nèi)，電機(jī)性能與卷繞 性能協(xié)調(diào)匹配，因此能代替?zhèn)鹘y(tǒng)復(fù)雜的設(shè)備系統(tǒng)，大大節(jié)省投資。是機(jī)電一體化 中 力矩電機(jī)的理想配套裝備。控制器采用可控硅對(duì)電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速、電壓調(diào)節(jié)平穩(wěn)，啟動(dòng)性能好。該控制器有開(kāi)環(huán)、閉環(huán)兩種控制模式。開(kāi)環(huán)控制模式系統(tǒng)簡(jiǎn)單，調(diào)整方便，但想要得到比較高的控制精度還是要選用閉環(huán)控制模式。閉環(huán)控制模式是指系統(tǒng)中有檢測(cè)傳感器，如張力傳感 器，速度傳感器，電流傳感器，溫度傳感器，等能將所需控制的物理量轉(zhuǎn)換成電壓訊號(hào)反 饋到控制器中，然后控制器通過(guò)調(diào)節(jié)電壓的方式對(duì)這些物理量實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制 。 在產(chǎn)品的卷取過(guò)程中，要求 卷材 的張力保持恒定，不能隨著卷徑的變化而變化，有時(shí)因張力的變化會(huì)影響產(chǎn)品的質(zhì)量。采用什么樣的力矩電機(jī)和什么樣的控制器是這個(gè)控制方案的關(guān)鍵。但因?yàn)榱乜刂破鞯目刂凭认鄬?duì)變頻控制而言還是要低些。而且調(diào)節(jié)速度的范圍受到力矩電機(jī)自身特性的限制，調(diào)速的范圍不夠?qū)?，并且要想取得比較高的控制精度還是要加傳感器，這樣價(jià)格就比較高了。 交流、直流電 機(jī)控制方式的比較 長(zhǎng)期以來(lái)，直流電機(jī)由于具有良好的起制動(dòng)性能和容易實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)平滑調(diào) 速度 的優(yōu)點(diǎn)，在卷繞機(jī)構(gòu)傳動(dòng)控制中一直占據(jù)著主導(dǎo)地位。直流電機(jī)用于卷繞傳動(dòng)時(shí)，由于卷繞過(guò)程中一般要求速度和張力均恒定，根據(jù)前面 的分析知道，卷輥的轉(zhuǎn)速應(yīng)該與卷徑成反比，這就要求調(diào)節(jié)帶動(dòng)此輥軸 電機(jī)的轉(zhuǎn)速，僅僅只需要調(diào)節(jié)器勵(lì)磁電流即可實(shí) 現(xiàn)直流調(diào)速，實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常簡(jiǎn)單。但是直流電機(jī)也有其自身致命的弱點(diǎn)既 機(jī)械式換向器，同時(shí)直流電機(jī)價(jià)格也非常昂貴。交流變頻技術(shù)出現(xiàn)前，交流調(diào)速一直比較困難，不如直流調(diào)速控制簡(jiǎn)單方便，所以限制了交流電機(jī)的大范圍 應(yīng)用。隨著變頻調(diào)速技術(shù)的出現(xiàn)，交流電機(jī)在傳動(dòng)控制方面的優(yōu)越性漸漸顯露出來(lái)，不但能夠取得良好的起制動(dòng)性能，還能夠在一定的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，而且交流電機(jī)較直流電機(jī)而言，還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、制造方便及維修容易等特點(diǎn)，所以將會(huì)逐漸取代直流電機(jī)在卷繞機(jī)構(gòu)的速度調(diào)節(jié)和張力控制中的主導(dǎo)地位，成為眾多生產(chǎn)廠(chǎng)家的首選調(diào)速機(jī)械。 目錄 14 第 5 章 張力控制變頻收卷 變頻器的控制原理 異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速是由電源頻率和極數(shù)決定的。因此改變電機(jī)電源的頻率就會(huì)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速 [10]。但是隨 著頻率的改變，電機(jī)的內(nèi)部阻抗也會(huì)隨之改變，這樣就會(huì)引起電機(jī)的 轉(zhuǎn)矩不足，同時(shí)出現(xiàn)過(guò)勵(lì)磁飽和現(xiàn)象。而變頻器的優(yōu)越性就在于改變輸出頻率的 同時(shí)，也調(diào)整了輸出電壓，從而保證了電機(jī) 磁通為額定值，這樣就可對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、速度進(jìn)行 參考文獻(xiàn) 15 很好的控制。 如今最先進(jìn)的無(wú)速度傳感器矢量控制型變頻器原理是將供給異步電機(jī)的定子電流分成互相垂直的兩個(gè)電流矢量，即：產(chǎn)生勵(lì)磁磁場(chǎng)的電流分量和產(chǎn)生輸出轉(zhuǎn)矩的電流分量，對(duì)它們分別進(jìn)行控制。同時(shí)將兩者合成的定子電流供給電機(jī)，這樣就可得到與控制直流電機(jī)相同的速度、轉(zhuǎn)矩的效果。在變頻器 帶動(dòng)電機(jī)起動(dòng)時(shí)，由于頻率和電壓是按需要隨時(shí)間遞增的，故起動(dòng)電流一般都較小，所以不需要其它起動(dòng)裝置，也不會(huì)造成電流沖擊。這也是變頻器變得越來(lái)越受歡迎的原因之一。 另外，變頻器的控制回路提供了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)控制數(shù)字的輸入、輸出，模擬的輸入、輸出及通訊接口等等，能全方位的接收并控制，又為用戶(hù)提供了一個(gè)很大方便。 變頻收卷的控制原理 用變頻器 實(shí)現(xiàn) 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(chē)，大卷啟動(dòng)時(shí)，要在不同卷經(jīng)時(shí)進(jìn)行不同的 轉(zhuǎn)矩 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)張力過(guò)大的現(xiàn)象。 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； (2)在啟動(dòng)小卷時(shí)，不能因?yàn)閺埩^(guò)大而扯斷；大卷啟動(dòng)時(shí)不能太松； (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 )。 張力控制變頻收卷的優(yōu)點(diǎn) (1)卷徑的實(shí)時(shí)計(jì)算，精確度 比較高 ，保證收卷電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的平滑性能 ； (2)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(chē)、再激活時(shí)很容易造成太緊和太松的現(xiàn)象，將直接 影響卷 材的質(zhì)量。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。 變頻收卷模型及其原理 分別用 V1和 V2來(lái)表示 放卷 輥和收卷輥的速度（見(jiàn)圖 ），則在時(shí)間 T內(nèi)傳動(dòng)輥收取的基體長(zhǎng)度為 T*V2，放卷輥放出的基體長(zhǎng)度即基體的原始長(zhǎng)度為 T*V1，則基體在運(yùn)行期間的應(yīng)變?yōu)椋? 2 1 2 111V T V T V VL KL V T V??? ? ? ? ……………… …… ..（ ） 可見(jiàn)， 式 ()體 現(xiàn)了基體應(yīng)變與其線(xiàn)速度的關(guān)系，基體應(yīng)變等同于傳動(dòng)輥與放卷輥的速度差。 根據(jù)虎克定律，材料在受到拉力時(shí)，其應(yīng)變力與材料的應(yīng)變和橫截面積成正比，有如下關(guān)系式： 目錄 16 **LF E A L?? ……… …………… … ……… .（ ） 式中： F表示材料的張力； E材料的彈性模量； A 材料的橫截面積； L 材料的原始長(zhǎng)度； △ L 材料的變形量。 由于材料的橫截面積變化很小，可視為不變，則 可以認(rèn)為：應(yīng)變只是發(fā)生在材料的長(zhǎng)度方向上，只與張力相關(guān)，也即應(yīng)變的恒定等價(jià)于張力的恒定。 由（ ）（ ）可計(jì)算得： 211*VVLFK L E A V??? ? ?.........................................（ ） 線(xiàn)速度與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，在圖 ，傳動(dòng)輥半徑固定不變，線(xiàn)速度 V1與其電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 n1之間應(yīng)是嚴(yán)格的正比關(guān)系，所以 V2可通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)速 n1的測(cè)量計(jì)算得到。而收卷輥半徑在逐漸增加，若要求得線(xiàn)速度 V2，不僅需要測(cè)量傳動(dòng)輥驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，更為關(guān)鍵的是 對(duì)收卷輥半徑大小的計(jì)算。 設(shè)材料當(dāng)前直徑為 D，材料厚度為 h，傳動(dòng)輥的轉(zhuǎn)速為 n1(r/min)，減速比為 A。 卷徑的大小是一個(gè)離散的數(shù)值，當(dāng)傳動(dòng)輥傳送了 X長(zhǎng)度的基體時(shí)，實(shí)時(shí)卷徑的大小Di的計(jì)算公式如下： 0Di D Kh?? * * ( 1 ) * *K D X K D??? ? ? ………… () 上式中 K表示片材在收卷輥上 運(yùn)行 的圈數(shù)， K=0， 1， 2， …… 可見(jiàn)卷徑的變化是離散的，可由編碼器測(cè)出收卷機(jī)的卷數(shù)，然后可以根據(jù)電機(jī) 轉(zhuǎn)動(dòng)圈 數(shù)改變的時(shí)間點(diǎn)對(duì)卷徑的大小進(jìn)行分段計(jì) 算。 在卷徑計(jì)算出來(lái)以后，就要確定在相應(yīng)的卷徑（也就是相應(yīng)的時(shí)間段） 收卷機(jī)的 轉(zhuǎn)速 。在卷徑?jīng)]有發(fā)生變化的一整個(gè)事件段內(nèi)，傳動(dòng)棍傳送 基體的速度和收卷機(jī)的速度應(yīng)該是相同的，這樣才能保障使受控制的基體的張力的是恒定的，而在卷徑改變的時(shí)候，速度要有一個(gè)小的下降，這個(gè)要看基體的厚度的大小。厚度越大，速度的改變值也就越大。厚度越小，速度的改變值就越大。當(dāng)厚度很小的時(shí)候，還要做另外的討論。 有關(guān)計(jì)算如下： 對(duì)于傳動(dòng)輥，有： 1 1 12 * * / 60 * * / 30ccV R n R n???? …………… …… ..() 其中 cR 是傳動(dòng)輥的輥徑，是已知的， 1n 是傳動(dòng)輥的電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以通過(guò)測(cè)速機(jī)測(cè)得，或是通過(guò)其他手段間接獲得 對(duì)于收卷輥，有： 2 2 22 * * / 60 * * / 30iiV R n R n????… … ..……… … ..() 其中 iR 是收卷輥的實(shí)時(shí)輥徑，可由輥徑計(jì)算公式（ ） 求得， 2n 是收卷輥電機(jī)的速度，這個(gè)量是需要控制的量。把（ ）（ ）代入（ ）可計(jì)算得： 參考文獻(xiàn) 17 12 * * (1 )ciR n Kn R ?? ……………………………… … .() 當(dāng) ()式中的 F取張力給定值時(shí)，則參數(shù) K就是根據(jù)張力要求，需要材料達(dá)到的應(yīng)變。當(dāng)張力恒定時(shí)， K值也固定。 控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)單分析 目前成熟的收卷只要是被動(dòng)收卷 (以高速造紙和塑料收卷居多 )或是以直流調(diào)速器控制的中心收卷 (以冶金行業(yè)居多 )，而交流變頻器在中心收卷中的應(yīng)用并沒(méi)有像在其他行業(yè) (如風(fēng)機(jī)等 )那么普及，究其原因在于收卷的控制難度和復(fù)雜性。 經(jīng)典的收卷都是采用張力 閉環(huán)，它是通過(guò)張力檢測(cè)裝置反饋張力信號(hào)與張力的設(shè)定值構(gòu)成 PID閉環(huán)，然后調(diào)整變頻器的輸出頻率命令 (速度模式 )或輸出轉(zhuǎn)矩指令 (轉(zhuǎn)矩模式 )。此方案可以適用于高精度的張力收卷場(chǎng)合，但對(duì)要求并不要求嚴(yán)格、又要求性?xún)r(jià)比高的收卷來(lái)說(shuō)，比較實(shí)用的矢量變頻器限轉(zhuǎn)矩方法，可以省去張力傳感器、 PID控制器，而只需要簡(jiǎn)單的變頻器加 PLC控制即可。當(dāng)前的變頻器已經(jīng)有 PID控制算法集成在變頻器內(nèi)部了，對(duì)控制精度的提高起到了很好的作用。 由設(shè)定的張力和卷筒的卷徑可以計(jì)算出變頻器的轉(zhuǎn)矩指令，其公式如下： *FDT I? ………………………………… （ ） 式 中： T為變頻器的輸出轉(zhuǎn)矩指令； F為張力設(shè)定指令； D為卷筒的卷徑； I為機(jī)械傳動(dòng)比。 在實(shí)際的使用中，卷取控制通常都需要材料張力隨著卷徑增大而相應(yīng)降低，以防止損傷卷軸和提高產(chǎn)品的卷取質(zhì)量，這樣的控制就叫“錐度控制”。 張力錐度為： 00 (1 / )* (1 )K D DFF D??? ………………… ...（ ） 其中： F 為實(shí)際輸出張力； 0F 為張力設(shè)定指令； K 為張力錐度系數(shù)； D為卷筒實(shí)時(shí)卷徑； 0D 為空心卷筒卷徑。綜合以上兩公式可以得出 T是 D的一次函數(shù) . 2． 卷徑測(cè)量 在轉(zhuǎn)矩控制中已經(jīng)看出，轉(zhuǎn)矩是直接跟卷徑有關(guān)，并且是卷徑的一次函數(shù)，因此卷徑的計(jì)算是比較重要的。最簡(jiǎn)單的當(dāng)然是直接測(cè)量，但實(shí)際中我們都會(huì)考慮采用間接計(jì)算法，以減少成本。 通常計(jì)算卷徑有的方法有：線(xiàn)速度計(jì)算和厚度積分。前者是利用線(xiàn)速度除以電機(jī)角速度就是卷徑的相對(duì)比例，方 法比較簡(jiǎn)單，但必須注意當(dāng)線(xiàn)速度運(yùn)行在低速時(shí)由于卷材的線(xiàn)速度和電機(jī)的運(yùn)行頻率都比較低，所以導(dǎo)致誤差比較大，因此通常要采用彌補(bǔ)的方法 (比方設(shè)定一個(gè)最低線(xiàn)速度下限值 )。后者按卷筒的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)進(jìn)行卷徑累積，必須注意的是一定要準(zhǔn)確知道厚度，在換品種時(shí)必須輸入厚度系數(shù)。 目錄 18 但是當(dāng)材料的厚度比較大時(shí)，采用積分的方法就不合適了，所以應(yīng)當(dāng)采用分段函數(shù)的方法來(lái)計(jì)算卷徑。由于本方案是對(duì)片材的控制，選用分段函數(shù)的方法來(lái)計(jì)算。 控制方案的實(shí)現(xiàn) 本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)以下的幾個(gè)功能 （ 1）通過(guò)變頻器設(shè)置 傳動(dòng)輥 的主速度； （ 2） 通過(guò)變頻器可以設(shè)定 收卷的速度給定和轉(zhuǎn)矩限定值； （ 3）根據(jù) 收卷電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù) 來(lái)計(jì)算收卷的卷徑值； （ 4）其他必要啟動(dòng)連鎖條件等 。 PLC的作用 系統(tǒng)中 PLC的作用除了數(shù)據(jù)的傳遞之外，最重要 的是計(jì)算出卷徑，然后再根據(jù)轉(zhuǎn)矩和卷徑的函