摘 要：本文針對臺達(dá)機(jī)電關(guān)注的紡織、印染、造紙等重點(diǎn)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(dá)機(jī)電產(chǎn)品自身的特點(diǎn)和優(yōu)勢設(shè)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(diǎn)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(xì)的分析和闡述，同時結(jié)合成功的應(yīng)用案例進(jìn)行說明。
　　關(guān)鍵詞：同步傳動 恒張力 中達(dá)機(jī)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(yīng)的技術(shù)開發(fā)難點(diǎn)。同步控制廣泛的應(yīng)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(dá)同步控制器這樣的產(chǎn)品。但隨著客戶對設(shè)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(jī)、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(dá)機(jī)電產(chǎn)品利用自身的特點(diǎn)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(jī)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(dāng)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(dāng)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(dāng)張力輥偏離平衡位置時，相應(yīng)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(dá)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(jìn)行張力的PID運(yùn)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(yīng)用領(lǐng)域
　　多級同步與張力控制系統(tǒng)廣泛地應(yīng)用于紡織、印染、造紙等行業(yè)（染漿聯(lián)合機(jī)、印染設(shè)備）。
　　2.3缺點(diǎn)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(dāng)負(fù)載變化較大的時候，電機(jī)的轉(zhuǎn)差率會加大，相應(yīng)張力輥會偏離平衡位置。相應(yīng)電機(jī)的速度會發(fā)生變化，如果是對同步的要求非常嚴(yán)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(shè)備安裝等不可預(yù)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(yùn)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(yīng)的滯后。對于PID運(yùn)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(yīng)用也比較廣泛。
　　3 基于臺達(dá)機(jī)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(shè)計
　　為了克服由于負(fù)載的變化造成電機(jī)轉(zhuǎn)差率變大，電機(jī)特性曲線偏軟的缺點(diǎn)，在每個單元的電機(jī)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(jī)的特性曲線會比較硬，能夠有效避免負(fù)載小變化時轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩的下降。達(dá)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(yùn)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(shè)計
　　速度同樣以1單元為主，在人機(jī)上設(shè)定的一般為線速度，要將線速度轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的頻率。由于1單元與2單元之間在機(jī)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(yùn)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(yán)格的按照步驟進(jìn)行：主速設(shè)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(shè)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(yīng)用的工藝要求分析
　?。?）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)備都會有收卷的環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的收卷都是采用機(jī)械傳動，因為機(jī)械的同軸傳動對于機(jī)械的磨損是非常嚴(yán)重的，據(jù)了解，用于同軸傳動部分的機(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(shè)定張力的大?。Φ膯挝唬茱@示實際卷徑的大小。
　?。?）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*的控制算法:卷徑的遞歸運(yùn)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(yīng)用;轉(zhuǎn)矩補(bǔ)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(jī)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(yùn)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(jìn)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(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(jī)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(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。
　　3.4 張力控制系統(tǒng)設(shè)計
　?。?）變頻收卷的控制原理及調(diào)試過程
　　為張力控制系統(tǒng)設(shè)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?zhàn)哌^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(jī)運(yùn)行的圈數(shù)、Δn2---單位時間內(nèi)收卷電機(jī)運(yùn)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。
　?。?）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(jìn)行轉(zhuǎn)矩的補(bǔ)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(yùn)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(yùn)行當(dāng)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(jìn)行不同大小的補(bǔ)償,系統(tǒng)在加速、減速、停車時為克服系統(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,通過計算出的實時卷徑除以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）+滑動摩擦轉(zhuǎn)矩+負(fù)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(shè)定的zui低速,所以停車轉(zhuǎn)矩的補(bǔ)償同減速轉(zhuǎn)矩的處理.
　?。?）轉(zhuǎn)矩的補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)
　　? 靜摩擦轉(zhuǎn)矩的補(bǔ)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(bǔ)償是以計算后電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩乘以一定的百分比進(jìn)行補(bǔ)償.
　　? 滑動摩擦轉(zhuǎn)矩的補(bǔ)償:滑動摩擦轉(zhuǎn)矩的補(bǔ)償在系統(tǒng)運(yùn)行的整個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，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。
　?。?）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(shè)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(jī)）=>收卷電機(jī)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(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zui低速度的限制.計算如下:對于四極電機(jī)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(dāng)達(dá)到zui大卷徑時,可以求出收卷整個過程中運(yùn)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(jìn)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(jī),其額定轉(zhuǎn)矩的計算如下:T=9550*P/n=>T=140N.m.（T-電機(jī)的額定轉(zhuǎn)距、P-電機(jī)的額定功率、n-為電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速）所以Fmax=2*140*9/0.6=4200N.
　?。?）調(diào)試過程：
　　? 先對電機(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?，觀察顯示的運(yùn)行頻率是否在設(shè)定頻率的左右波動。因為運(yùn)用死循環(huán)矢量控制時，運(yùn)行頻率總是在參考編碼器反饋的速度，zui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zui大卷徑的數(shù)值。通過前面卷徑計算的公式算出電機(jī)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(jī)的速度進(jìn)行限定，因為變頻器用作張力控制時，如果不對zui高速進(jìn)行限定，一旦出現(xiàn)斷紗等情況，收卷電機(jī)會飛車的。zui低脈沖量是為了避免收卷變頻器運(yùn)行在2Hz以下，因為變頻器在2Hz以下運(yùn)行時，電機(jī)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(yùn)行速度的各個階段，進(jìn)
　　行一定的轉(zhuǎn)距補(bǔ)償.補(bǔ)償?shù)拇笮。梢砸噪姍C(jī)額定轉(zhuǎn)距的百分比來設(shè)定。
　　4基于臺達(dá)機(jī)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(shè)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(dá)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(jī)、木地板拋光套色等同步傳動應(yīng)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(jī)帶傳送帶向右移動，傳送帶上有需要定長切的材料，電機(jī)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(jī)特性曲線的硬度，另外將A/B相脈沖接進(jìn)PLC高速計數(shù)。同時將A相脈沖接PLC的Y1觸點(diǎn)連接的繼電器的常開觸點(diǎn)。PLC的脈沖輸出觸點(diǎn)Y0接繼電器的常閉觸點(diǎn)。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(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定的要裁切的長度時，正好保證滾刀運(yùn)行至zui低點(diǎn)，將材料切斷。
　?。?）控制原理
　　設(shè)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(diǎn)發(fā)脈沖來驅(qū)動，這時讓滾刀快速運(yùn)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(shè)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(yùn)行9000個脈沖停在A位置做等待，當(dāng)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(dá)到同步切的效果。例如染漿聯(lián)合機(jī)、多單元紗漿機(jī)等應(yīng)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(jī)
　　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(jī)架連續(xù)物料生產(chǎn)制造領(lǐng)域有十分廣泛的工程應(yīng)用。進(jìn)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(diǎn)。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(jìn)步。本文結(jié)合臺達(dá)機(jī)電平臺的技術(shù)特點(diǎn)，系統(tǒng)討論了應(yīng)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(yuǎn)的技術(shù)推廣價值。