變頻矢量技術在張力控制中應用的實現
摘要：
本文從應用的角度闡述了當前技術條件下，矢量變頻技術在卷取傳動中運用和設計的方法和思路。有較強的實用性和理論指導性。
關鍵詞：
張力 變頻 矢量 轉矩 卷徑
引言：
在工業生產的很多行業，都要進行精確的張力控制，保持張力的恒定，以提高產品的質量。諸如造紙、印刷印染、包裝、電線電纜、光纖電纜、紡織、皮革、金屬箔加工、纖維、橡膠、冶金等行業都被廣泛應用。在變頻技術還沒有成熟以前，通常采用直流控制，以獲得良好的控制性能。隨著變頻技術的日趨成熟，出現了矢量控制變頻器、張力控制專用變頻器等一些高性能的變頻器。其控制性能已能和直流控制性能相媲美。由于交流電動機的結構、性價比、使用、維護等很多方面都優于直流電動機，矢量變頻控制正在這些行業被越來越廣泛的應用，有取代直流控制的趨勢。
張力控制的目的就是保持線材或帶材上的張力恒定，矢量控制變頻器可以通過兩種途徑達到目的：一、通過控制電機的轉速來實現；另一種是通過控制電機輸出轉矩來實現。
速度模式下的張力閉環控制
速度模式下的張力閉環控制是通過調節電機轉速達到張力恒定的。首先由帶（線）的線速度和卷筒的卷徑實時計算出同步匹配頻率指令，然后通過張力檢測裝置反饋的張力信號與張力設定值構成PID閉環，調整變頻器的頻率指令。
同步匹配頻率指令的公式如下：
F=（V×p×i）/（π×D）
其中：F 變頻器同步匹配頻率指令 V 材料線速度 p 電機極對數（變頻器根據電機參數自動獲得） i 機械傳動比 D 卷筒的卷徑
變頻器的品牌不同、設計者的用法不同，獲得以上各變量的途徑也不同，特別是材料的線速度（V）和卷筒的卷徑（D），計算方法多種多樣，在此不一一列舉。
這種控制模式下要求變頻器的PID調節性能要好，同步匹配頻率指令要準確，這樣系統更容易穩定，否則系統就會震蕩、不穩定。這種模式多用在拉絲機的連拉和軋機的連軋傳動控制中。若采用轉矩控制模式，當材料的機械性能出現波動，就會出現拉絲困難，軋機軋不動等不正常情況。
轉矩模式下的張力控制
一、轉矩模式下的張力開環控制
在這種模式下，無需張力檢測反饋裝置，就可以獲得更為穩定的張力控制效果，結構簡潔，效果較好。但變頻器需工作在閉環矢量控制方式，必須安裝測速電機或編碼器，以便對電機的轉速做精確測量反饋。
轉矩的計算公式如下：
T=（F×D）/（2×i）
其中：T 變頻器輸出轉矩指令 F 張力設定指令 i 機械傳動比 D 卷筒的卷徑
電機的轉矩被計算出來后，用來控制變頻器的電流環，這樣就可以控制電機的輸出轉矩。所以轉矩計算非常重要。這種控制多用在對張力精度要求不高的場合，在我鑫科公司就有廣泛的應用。如精帶公司的脫脂機、氣墊爐的收卷控制中都采用了這中控制模式。
二、轉矩模式下轉矩模式下的張力開環控制
張力閉環控制是在張力開環控制的基礎上增加了張力反饋閉環調節。通過張力檢測裝置反饋張力信號與張力設定值構成PID閉環調節，調整變頻器輸出轉矩指令，這樣可以獲得更高的張力控制精度。其張力計算與開環控制相同。不論采用張力開環模式還是閉環模式，在系統加、減速的過程中，需要提供額外的轉矩用于克服整個系統的轉動慣量。如果不加補償，將出現收卷過程加速時張力偏小，減速時張力偏大，放卷過程加速時張力偏大，減速時張力偏小的現象。
這種控制模式多用在造紙、紡織等卷取微張力控制的場合下。在我公司尚無需這種控制。
卷徑計算
在所有的模式中都需要用到卷筒的卷徑，大家知道，在生產過程中開卷機的卷徑是在不斷變小，卷取機的卷徑在不斷變大，也就是說轉矩必須隨著卷徑的變化而變化，才能獲得穩定的張力控制。可見卷筒的卷徑計算是多么地重要。卷徑的計算有兩中途徑：一種是通過外部將計算好的卷徑直接傳送給變頻器，一般是在PLC中運算獲得。另一種是變頻器自己運算獲得，矢量控制型變頻器都具有卷徑計算功能，在大多數的應用中都是通過變頻器自己運算獲得。這樣可以減少PLC程序的復雜性和調試難度、降低成本。
變頻器自己計算卷徑的方法有三種：
1、 速度計算法：
通過系統當前線速度和變頻器輸出頻率計算卷徑。
其公式如下：
D=（i×V）/（π×n） D 所求卷徑 I 機械傳動比 n 電機轉速 V 線速度
當系統運行速度較低時，材料線速度和變頻器輸出頻率都較低，較小的檢測誤差就會使卷徑計算產生較大的誤差，所以要設定一個最低線速度，當材料線速度低于此值時卷徑計算停止，卷徑當前值保持不變。此值應設為正常工作線速度以下。多數應用場合下的變頻器都使用這種方法進行卷徑計算。
2、 度積分法：
根據材料厚度按卷筒旋轉圈數進行卷徑累加或遞減，對于線材還需設定每層的圈數。
這種方法計算要求輸入材料厚度，若厚度是固定不變的，可以在變頻器中設定。此方法在單一產品的生產場合被廣泛應用。
若厚度是需要經常變化的，需要通過人機界面HMI或智能儀表將厚度信號傳送到PLC，由PLC或儀表進行運算后再傳送給變頻器。這種計算方法可以獲得比較精確的卷徑。在一般的國產設備上應用較少，我公司的進口設備，氣墊爐的收、放卷控制上就采用這種計算方式。
3、 模擬量輸入
當選用外部卷徑傳感器時，卷徑信號通過模擬輸入口輸入給變頻器。由于卷徑傳感器的性能、價格、使用環境等原因，在國內鮮有使用。
結束語：
矢量變頻技術在卷取應用中的方法多種多樣，在當前技術條件下，上述模式是最具有代表性的。無論是設計還是維修，了解你所使用設備的工作模式和控制特點是非常重要的。變頻技術還在高速發展，新的理論和控制技術將不斷涌現，控制模式還將繼續推陳出新。我們期待著更先進、更實用的技術不斷出現，以此來改變我們的生活
本文從應用的角度闡述了當前技術條件下，矢量變頻技術在卷取傳動中運用和設計的方法和思路。有較強的實用性和理論指導性。
關鍵詞：
張力 變頻 矢量 轉矩 卷徑
引言：
在工業生產的很多行業，都要進行精確的張力控制，保持張力的恒定，以提高產品的質量。諸如造紙、印刷印染、包裝、電線電纜、光纖電纜、紡織、皮革、金屬箔加工、纖維、橡膠、冶金等行業都被廣泛應用。在變頻技術還沒有成熟以前，通常采用直流控制，以獲得良好的控制性能。隨著變頻技術的日趨成熟，出現了矢量控制變頻器、張力控制專用變頻器等一些高性能的變頻器。其控制性能已能和直流控制性能相媲美。由于交流電動機的結構、性價比、使用、維護等很多方面都優于直流電動機，矢量變頻控制正在這些行業被越來越廣泛的應用，有取代直流控制的趨勢。
張力控制的目的就是保持線材或帶材上的張力恒定，矢量控制變頻器可以通過兩種途徑達到目的：一、通過控制電機的轉速來實現；另一種是通過控制電機輸出轉矩來實現。
速度模式下的張力閉環控制
速度模式下的張力閉環控制是通過調節電機轉速達到張力恒定的。首先由帶（線）的線速度和卷筒的卷徑實時計算出同步匹配頻率指令，然后通過張力檢測裝置反饋的張力信號與張力設定值構成PID閉環，調整變頻器的頻率指令。
同步匹配頻率指令的公式如下：
F=（V×p×i）/（π×D）
其中：F 變頻器同步匹配頻率指令 V 材料線速度 p 電機極對數（變頻器根據電機參數自動獲得） i 機械傳動比 D 卷筒的卷徑
變頻器的品牌不同、設計者的用法不同，獲得以上各變量的途徑也不同，特別是材料的線速度（V）和卷筒的卷徑（D），計算方法多種多樣，在此不一一列舉。
這種控制模式下要求變頻器的PID調節性能要好，同步匹配頻率指令要準確，這樣系統更容易穩定，否則系統就會震蕩、不穩定。這種模式多用在拉絲機的連拉和軋機的連軋傳動控制中。若采用轉矩控制模式，當材料的機械性能出現波動，就會出現拉絲困難，軋機軋不動等不正常情況。
轉矩模式下的張力控制
一、轉矩模式下的張力開環控制
在這種模式下，無需張力檢測反饋裝置，就可以獲得更為穩定的張力控制效果，結構簡潔，效果較好。但變頻器需工作在閉環矢量控制方式，必須安裝測速電機或編碼器，以便對電機的轉速做精確測量反饋。
轉矩的計算公式如下：
T=（F×D）/（2×i）
其中：T 變頻器輸出轉矩指令 F 張力設定指令 i 機械傳動比 D 卷筒的卷徑
電機的轉矩被計算出來后，用來控制變頻器的電流環，這樣就可以控制電機的輸出轉矩。所以轉矩計算非常重要。這種控制多用在對張力精度要求不高的場合，在我鑫科公司就有廣泛的應用。如精帶公司的脫脂機、氣墊爐的收卷控制中都采用了這中控制模式。
二、轉矩模式下轉矩模式下的張力開環控制
張力閉環控制是在張力開環控制的基礎上增加了張力反饋閉環調節。通過張力檢測裝置反饋張力信號與張力設定值構成PID閉環調節，調整變頻器輸出轉矩指令，這樣可以獲得更高的張力控制精度。其張力計算與開環控制相同。不論采用張力開環模式還是閉環模式，在系統加、減速的過程中，需要提供額外的轉矩用于克服整個系統的轉動慣量。如果不加補償，將出現收卷過程加速時張力偏小，減速時張力偏大，放卷過程加速時張力偏大，減速時張力偏小的現象。
這種控制模式多用在造紙、紡織等卷取微張力控制的場合下。在我公司尚無需這種控制。
卷徑計算
在所有的模式中都需要用到卷筒的卷徑，大家知道，在生產過程中開卷機的卷徑是在不斷變小，卷取機的卷徑在不斷變大，也就是說轉矩必須隨著卷徑的變化而變化，才能獲得穩定的張力控制。可見卷筒的卷徑計算是多么地重要。卷徑的計算有兩中途徑：一種是通過外部將計算好的卷徑直接傳送給變頻器，一般是在PLC中運算獲得。另一種是變頻器自己運算獲得，矢量控制型變頻器都具有卷徑計算功能，在大多數的應用中都是通過變頻器自己運算獲得。這樣可以減少PLC程序的復雜性和調試難度、降低成本。
變頻器自己計算卷徑的方法有三種：
1、 速度計算法：
通過系統當前線速度和變頻器輸出頻率計算卷徑。
其公式如下：
D=（i×V）/（π×n） D 所求卷徑 I 機械傳動比 n 電機轉速 V 線速度
當系統運行速度較低時，材料線速度和變頻器輸出頻率都較低，較小的檢測誤差就會使卷徑計算產生較大的誤差，所以要設定一個最低線速度，當材料線速度低于此值時卷徑計算停止，卷徑當前值保持不變。此值應設為正常工作線速度以下。多數應用場合下的變頻器都使用這種方法進行卷徑計算。
2、 度積分法：
根據材料厚度按卷筒旋轉圈數進行卷徑累加或遞減，對于線材還需設定每層的圈數。
這種方法計算要求輸入材料厚度，若厚度是固定不變的，可以在變頻器中設定。此方法在單一產品的生產場合被廣泛應用。
若厚度是需要經常變化的，需要通過人機界面HMI或智能儀表將厚度信號傳送到PLC，由PLC或儀表進行運算后再傳送給變頻器。這種計算方法可以獲得比較精確的卷徑。在一般的國產設備上應用較少，我公司的進口設備，氣墊爐的收、放卷控制上就采用這種計算方式。
3、 模擬量輸入
當選用外部卷徑傳感器時，卷徑信號通過模擬輸入口輸入給變頻器。由于卷徑傳感器的性能、價格、使用環境等原因，在國內鮮有使用。
結束語：
矢量變頻技術在卷取應用中的方法多種多樣，在當前技術條件下，上述模式是最具有代表性的。無論是設計還是維修，了解你所使用設備的工作模式和控制特點是非常重要的。變頻技術還在高速發展，新的理論和控制技術將不斷涌現，控制模式還將繼續推陳出新。我們期待著更先進、更實用的技術不斷出現，以此來改變我們的生活
文章版權歸西部工控xbgk所有，未經許可不得轉載。
上一篇：注塑機行業變頻器改造應用指南
下一篇：電抗器在水泥企業現場應用的必要性
服務咨詢