摘 要：本文針對臺達機電關(guān)注的紡織、印染、造紙等重點行業(yè)中經(jīng)典的同步控制、恒張力控制技術(shù)問題，結(jié)合臺達機電產(chǎn)品自身的特點和優(yōu)勢設計了成熟、完善的同步控制和恒張力控制的方案，為長期困擾客戶的核心技術(shù)難點提供成熟、穩(wěn)定、完善的控制方案。不僅對方案本身的控制原理做非常詳細的分析和闡述，同時結(jié)合成功的應用案例進行說明。
　　關(guān)鍵詞：同步傳動 恒張力 中達機電
　　1 引言
　　在傳統(tǒng)的電力拖動領(lǐng)域，同步控制、張力控制是非常經(jīng)典的控制環(huán)節(jié)。同時因為控制對象、工藝要求及控制精度、效果的不同，存在相應的技術(shù)開發(fā)難點。同步控制廣泛的應用于紡織、印染、造紙等行業(yè)，因為這樣的控制要求，出現(xiàn)了例如中達同步控制器這樣的產(chǎn)品。但隨著客戶對設備技術(shù)含量和成本的要求，簡單的利用同步控制器來實現(xiàn)同步控制已越來越不能滿足客戶的要求，用人機、PLC、變頻器、伺服、直流調(diào)速等產(chǎn)品來集成精度更高的同步控制和恒張力控制已經(jīng)成為新的技術(shù)趨勢。臺達機電產(chǎn)品利用自身的特點及較高的性價比能夠為客戶提供成熟、完善的同步和張力控制的方案和系統(tǒng)。
　　2 傳統(tǒng)同步控制及張力控制方案
　　2.1同步控制及張力控制控制原理
　　根據(jù)圖1所示多級同步與張力控制框圖，整個系統(tǒng)以1單元機架為主，1單元的速度為主給定乘以1通道的同步比例系數(shù)。即Out1=Kd1*Vo（其中Kd1為1通道同步比例系數(shù)，Vo為主給定）。Out2=Kd2*Vo+Kf2*Vf2（Kd2為2通道同步比例系數(shù)，Kf2為2通道反饋比例系數(shù)，Vf2為通道2反饋信號），同理Out5=Kd5*Vo+Kf5*Vf5（Kd5為5通道同步比例系數(shù)，Kf5為5通道反饋比例系數(shù)，Vf5為通道5反饋信號）。這就是傳統(tǒng)的同步控制系統(tǒng)。張力輥的同軸安裝一個電位器，電源為+5V電源，當張力輥處于中間平衡位置時將電位器的輸出調(diào)整為0V，當張力輥偏離平衡位置時，反饋信號即會有變化，變化的范圍在+5V之間，這樣反饋量乘以反饋系數(shù)，再加上同步比例系數(shù)乘以主給定，所得到的結(jié)果就是總輸出。因此當張力輥偏離平衡位置時，相應的同步控制器的輸出會減小或增大，自動調(diào)整變頻器的頻率，達到動態(tài)的平衡，使得張力輥始終在平衡位置附近輕微的擺動，起到同步的效果。
　　張力控制通過張力傳感器實時檢測張力、通過張力控制器或PLC進行張力的PID運算，這種張力控制的實質(zhì)是通過調(diào)整速差實現(xiàn)張力的動態(tài)恒定。
　　2.2應用領(lǐng)域
　　多級同步與張力控制系統(tǒng)廣泛地應用于紡織、印染、造紙等行業(yè)（染漿聯(lián)合機、印染設備）。
　　2.3缺點及不足分析
　　首先，可以看出該系統(tǒng)同步屬于開環(huán)控制，當負載變化較大的時候，電機的轉(zhuǎn)差率會加大，相應張力輥會偏離平衡位置。相應電機的速度會發(fā)生變化，如果是對同步的要求非常嚴格的場合，可能會有一定的局限性。同時因為速度給定及反饋都是模擬量信號，而且對于生產(chǎn)線比較長，設備安裝等不可預知的因素，可能會比較容易受到到各種電氣耦合的干擾，造成系統(tǒng)運轉(zhuǎn)不穩(wěn)定。
　　張力控制采用PID，由于積分的作用，如果積分增益調(diào)整的不好，容易造成系統(tǒng)的振蕩或響應的滯后。對于PID運算的各參數(shù)要求較高。但在要求不是非常高的場合，該系統(tǒng)還是比較穩(wěn)定的，應用也比較廣泛。
　　3 基于臺達機電技術(shù)的張力傳動控制解決方案
　　3.1 開環(huán)張力閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)設計
　　為了克服由于負載的變化造成電機轉(zhuǎn)差率變大，電機特性曲線偏軟的缺點，在每個單元的電機后加編碼器反饋，并將編碼器信號接入變頻器，形成閉環(huán)矢量控制。這樣電機的特性曲線會比較硬，能夠有效避免負載小變化時轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩的下降。達到硬同步控制的效果。所有單元變頻器的頻率給定方式是通過RS485，這樣不僅省略了同步控制器，同時有效避免了電氣耦合對模擬量信號的干擾。系統(tǒng)運行更加的穩(wěn)定而且成本也較低，控制效果也更好
　　3.2 控制算法設計
　　速度同樣以1單元為主，在人機上設定的一般為線速度，要將線速度轉(zhuǎn)換成相應的頻率。由于1單元與2單元之間在機械方面的差異、傳送介質(zhì)的打滑等因素的存在，勢必決定了1單元變頻器與2單元變頻器的運行頻率不可能*一致，存在一定的系數(shù)關(guān)系。同理2單元與3單元、3單元與4單元、4單元與5單元之間、5單元與6單元之間也存在不同的系數(shù)關(guān)系。依據(jù)如下的算法處理每兩個單元之間的速度關(guān)系：Vn=Kdn*Vn-1+Kfn*Vn-1。整個控制的核心及編程思想。
　　在調(diào)試時需要嚴格的按照步驟進行：主速設定后，通過調(diào)整1單元的比例系數(shù)K（D530），將實際用速度表測出的線速度調(diào)整到與主速設定的一致，即完成了1單元的調(diào)試;同理，
　　其它任意兩單元之間的同步關(guān)系的調(diào)試也是同理。直到每兩單元之間的同步系數(shù)全部確定下來為止。
　　3.3開環(huán)張力閉環(huán)矢量控制原理以及在紡織行業(yè)應用的工藝要求分析
　　（1）傳統(tǒng)收卷裝置的弊端
　　紡織機械如：漿紗機、漿染聯(lián)合機、并軸機等設備都會有收卷的環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)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(jù)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(jīng)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(fā)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(tǒng)的機械傳動系統(tǒng)。
　?。?）張力控制變頻收卷的工藝要求
　　?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。
　　?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。
　　?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，即能設定張力的大?。Φ膯挝唬茱@示實際卷徑的大小。
　　（3）張力控制變頻收卷的優(yōu)點
　　?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*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(zhuǎn)矩補償?shù)膭討B(tài)調(diào)整等等。
　　?卷徑的實時計算，度非常高，保證收卷電機輸出轉(zhuǎn)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(shù)值。
　　? 因為收卷裝置的轉(zhuǎn)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(xiàn)象，將直接導致紗的質(zhì)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(wěn)定，張力始終恒
　　定。而且經(jīng)過PLC的處理，在特定的動態(tài)過程，加入一些動態(tài)的調(diào)整措施，
　　使得收卷的性能更好。
　　? 在傳統(tǒng)機械傳動收卷的基礎(chǔ)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(diào)試完成。
　　?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。
　　3.4 張力控制系統(tǒng)設計
　　（1）變頻收卷的控制原理及調(diào)試過程
　　為張力控制系統(tǒng)設計。卷徑的計算原理根據(jù)V1=V2（線速度）來計算收卷的卷徑。
　　因為V1=ω1*R1, V2=ω2*Rx。（R1-測長輥的半徑、Rx-收卷盤頭的半徑） 因為在相 同的時間內(nèi)由測長輥走過的紗的長度（L1、L2）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(nèi)牽引電機運行的圈數(shù)、Δn2---單位時間內(nèi)收卷電機運行的圈數(shù)、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(chǎn)生的脈沖數(shù)、P2---收卷編碼器的線數(shù)、D1—為測長輥直徑、D2—收卷盤頭卷徑）. Δn1=ΔP1/P1取Δn1=1,即測長輥轉(zhuǎn)一圈,由霍爾開關(guān)產(chǎn)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。
　　（2）收卷的動態(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.需要進行轉(zhuǎn)矩的補償.整個系統(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;正常運行時要克服滑動摩擦力產(chǎn)生地滑動摩擦轉(zhuǎn)矩,滑動摩擦轉(zhuǎn)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(tǒng)在加速、減速、停車時為克服系統(tǒng)的慣量,也要進行相應的轉(zhuǎn)矩補償,補償?shù)牧颗c運行的速度也有相應的比例關(guān)系.在不同車速的時候,補償?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,還要克服負載轉(zhuǎn)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(jīng)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(zhuǎn)矩補償?shù)倪^程?？偨Y(jié):電機的輸出轉(zhuǎn)矩=靜摩擦轉(zhuǎn)矩（激活瞬間）+滑動摩擦轉(zhuǎn)矩+負載轉(zhuǎn)矩.（a）在加速時還要加上加速轉(zhuǎn)矩;（b）在減速時要減去減速轉(zhuǎn)矩.（c）停車時,因為是通過程控減速至設定的zui低速,所以停車轉(zhuǎn)矩的補償同減速轉(zhuǎn)矩的處理.
　?。?）轉(zhuǎn)矩的補償標準
　　? 靜摩擦轉(zhuǎn)矩的補償:因為靜摩擦轉(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)矩的補償是以計算后電機輸出轉(zhuǎn)矩乘以一定的百分比進行補償.
　　? 滑動摩擦轉(zhuǎn)矩的補償:滑動摩擦轉(zhuǎn)矩的補償在系統(tǒng)運行的整個過程中都是起作用的.補償?shù)拇笮∫允站黼姍C的額定轉(zhuǎn)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，要分段進行補償。
　　? 加減速、停車轉(zhuǎn)矩的補償：補償硬一收卷電機的額定轉(zhuǎn)矩為標準，相應的補償系數(shù)應該比較穩(wěn)定，變化不大。
　　（4）系統(tǒng)計算公式
　　? 已知空芯卷徑Dmin=200mm,滿卷卷徑Dmax=1200mm;線速度的zui大值Vmax=90m/min,張力設定zui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（V-線速度、D-卷徑、n-轉(zhuǎn)速，對于收卷電機）=>收卷電機在空芯卷徑時的轉(zhuǎn)速是zui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,交流異步電機的特性不好,激活轉(zhuǎn)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zui低速度的限制.計算如下:對于四極電機而言其同步轉(zhuǎn)速為:n1=60f1/p=>n1=1500r/min（f1-為額定頻率、p-為極對數(shù)、n1-同步轉(zhuǎn)速）. =>2HZ/50HZ=N/1500=>n=60r/min。當達到zui大卷徑時,可以求出收卷整個過程中運行的zui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(xiàn)飛車.因此要限速.
　　? 張力及轉(zhuǎn)矩的計算如下:如果F*D/2=T/i（F--張力、D--卷徑、T--轉(zhuǎn)距、i--減速比）,=>F=2*T*i/D對于22KW的交流電機,其額定轉(zhuǎn)矩的計算如下:T=9550*P/n=>T=140N.m.（T-電機的額定轉(zhuǎn)距、P-電機的額定功率、n-為電機的額定轉(zhuǎn)速）所以Fmax=2*140*9/0.6=4200N.
　?。?）調(diào)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(shù)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(shù)。然后用面板給定頻率和啟?？刂?，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(huán)矢量控制時，運行頻率總是在參考編碼器反饋的速度，zui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zui大卷徑的數(shù)值。通過前面卷徑計算的公式算出電機尾部所加編碼器產(chǎn)生的zui大脈沖量（P2）和zui低脈沖量 （ P2 ）.通過算出的zui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zui高速進行限定，一旦出現(xiàn)斷紗等情況，收卷電機會飛車的。zui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(zhuǎn)距特性很差，會出現(xiàn)抖動的現(xiàn)象。
　　通過前面分析的整個收卷的動態(tài)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(zhuǎn)距補償.補償?shù)拇笮?，可以以電機額定轉(zhuǎn)距的百分比來設定。
　　4基于臺達機電技術(shù)的同步傳動控制解決方案
　　4.1高精度同步控制方案
　　對于同步要求精度非常高的場合，如噴涂、印刷、包裝等設備上經(jīng)常會遇到高精度的同步控制。這種場合由于精度非常高，因此普通的調(diào)速系統(tǒng)滿足不了要求，可以選擇臺達伺服系統(tǒng)來實現(xiàn)。利用伺服驅(qū)動上提供的PG編碼器分周比輸出A、B、Z端子， OA、/OA、OB、/OB、OZ、/OZ即為分頻脈沖輸出端子?？梢詫⒃撦敵龆俗咏拥降诙_伺服驅(qū)動的SIGN、/SIGN、PULSE、/PULSE輸入端子。如果同步單元超過兩個單元，則同理類推，可以將第二臺伺服驅(qū)動的PG分周輸出端子接到第三單元的脈沖輸入端子。例如玻璃纖維折紙機、木地板拋光套色等同步傳動應用案例。
　　4.2伺服追變頻同步方案
　　（1）控制要求
　　變頻拖動電機帶傳送帶向右移動，傳送帶上有需要定長切的材料，電機后加編碼器，
　　編碼器的A/B相脈沖接V系列變頻器構(gòu)成閉環(huán)矢量控制，保證電機特性曲線的硬度，另外將A/B相脈沖接進PLC高速計數(shù)。同時將A相脈沖接PLC的Y1觸點連接的繼電器的常開觸點。PLC的脈沖輸出觸點Y0接繼電器的常閉觸點。工藝要求如下所述：變頻拖動傳送帶輸送要被裁切的材料，伺服拖動滾刀連續(xù)運轉(zhuǎn)，當?shù)竭_設定的要裁切的長度時，正好保證滾刀運行至zui低點，將材料切斷。
　　（2）控制原理
　　設定需要裁切的長度可以轉(zhuǎn)換成脈沖數(shù)。啟動時，Y1沒有輸出，即伺服是通過PLC的Y0觸點發(fā)脈沖來驅(qū)動，這時讓滾刀快速運轉(zhuǎn)到上圖的A位置，這時通過PLC的高速計數(shù)值與定長轉(zhuǎn)換后的脈沖數(shù)相差很小時，假設滾刀接收到10000個脈沖轉(zhuǎn)一圈。定長轉(zhuǎn)換后的脈沖數(shù)為5000個脈沖，則啟動時，通過PLC發(fā)脈沖快速讓滾刀運行9000個脈沖停在A位置做等待，當高速計數(shù)為4000時，開中斷讓Y1輸出，這時伺服由編碼器驅(qū)動，同時剩余1000個脈沖由同樣的頻率走完1000個脈沖，達到同步切的效果。例如染漿聯(lián)合機、多單元紗漿機等應用領(lǐng)域。
　　5 案例圖片
　　同步控制及張力控制成功案例
　?。?）染漿聯(lián)合機
　　6 結(jié)束語
　　同步與張力控制是經(jīng)典的傳動自動化問題，在紡織、印染、造紙、印刷、線材等多機架連續(xù)物料生產(chǎn)制造領(lǐng)域有十分廣泛的工程應用。進入變頻器傳動時代以來，結(jié)合PLC的同步與張力控制系統(tǒng)成為前沿電氣傳動自動化工程集成熱點。高新性能的同步與張力傳動控制系統(tǒng)正在帶動著眾多行業(yè)的技術(shù)進步。本文結(jié)合臺達機電平臺的技術(shù)特點，系統(tǒng)討論了應用新技術(shù)為傳統(tǒng)的傳動自動化提供的解決方案和取得的工程技術(shù)業(yè)績，有深遠的技術(shù)推廣價值。