中達電通股份有限公司應用方案：基於台達機電技術的同步與張力傳動控製解決方案

首頁新聞工控搜論壇廠商論壇產品方案廠商人才文摘下載展覽

基於台達機電技術的同步與張力傳動控製解決方案

中達電通股份有限公司

摘要：本文針對台達機電關注的紡織、印染、造紙等重點行業中經典的同步控製、恒張力控製技術問題，結合台達機電產品自身的特點和優勢設計了成熟、完善的同步控製和恒張力控製的方案，為長期困擾客戶的核心技術難點提供成熟、穩定、完善的控製方案。不僅對方案本身的控製原理做非常詳細的分析和闡述，同時結合成功的應用案例進行說明。

關鍵詞：同步傳動恒張力中達機電

1 引言

在傳統的電力拖動領域，同步控製、張力控製是非常經典的控製環節。同時因為控製對象、工藝要求及控製精度、效果的不同，存在相應的技術開發難點。同步控製廣泛的應用於紡織、印染、造zao紙zhi等deng行xing業ye，因yin為wei這zhe樣yang的de控kong製zhi要yao求qiu，出chu現xian了le例li如ru中zhong達da同tong步bu控kong製zhi器qi這zhe樣yang的de產chan品pin。但dan隨sui著zhe客ke戶hu對dui設she備bei技ji術shu含han量liang和he成cheng本ben的de要yao求qiu，簡jian單dan的de利li用yong同tong步bu控kong製zhi器qi來lai實shi現xian同tong步bu控kong製zhi已yi越yue來lai越yue不bu能neng滿man足zu客ke戶hu的de要yao求qiu，用yong人ren機ji、PLC、變頻器、伺服、直(zhi)流(liu)調(tiao)速(su)等(deng)產(chan)品(pin)來(lai)集(ji)成(cheng)精(jing)度(du)更(geng)高(gao)的(de)同(tong)步(bu)控(kong)製(zhi)和(he)恒(heng)張(zhang)力(li)控(kong)製(zhi)已(yi)經(jing)成(cheng)為(wei)新(xin)的(de)技(ji)術(shu)趨(qu)勢(shi)。台(tai)達(da)機(ji)電(dian)產(chan)品(pin)利(li)用(yong)自(zi)身(shen)的(de)特(te)點(dian)及(ji)較(jiao)高(gao)的(de)性(xing)價(jia)比(bi)能(neng)夠(gou)為(wei)客(ke)戶(hu)提(ti)供(gong)成(cheng)熟(shu)、完善的同步和張力控製的方案和係統。

2 傳統同步控製及張力控製方案

圖1 多級同步與張力控製係統框圖

2.1同步控製及張力控製控製原理

根據圖1所示多級同步與張力控製框圖，整個係統以1單元機架為主，1單元的速度為主給定乘以1通道的同步比例係數。即Out1=Kd1*Vo（其中Kd1為1通道同步比例係數，Vo為主給定）。Out2=Kd2*Vo+Kf2*Vf2(Kd2為2通道同步比例係數，Kf2為2通道反饋比例係數，Vf2為通道2反饋信號)，同理Out5=Kd5*Vo+Kf5*Vf5(Kd5為5通道同步比例係數，Kf5為5通道反饋比例係數，Vf5為通道5反饋信號)。這就是傳統的同步控製係統。張力輥的同軸安裝一個電位器，電源為+5V電源，當張力輥處於中間平衡位置時將電位器的輸出調整為0V，當張力輥偏離平衡位置時，反饋信號即會有變化，變化的範圍在+5Vzhijian，zheyangfankuiliangchengyifankuixishu，zaijiashangtongbubilixishuchengyizhugeiding，suodedaodejieguojiushizongshuchu。yincidangzhangligunpianlipinghengweizhishi，xiangyingdetongbukongzhiqideshuchuhuijianxiaohuozengda，zidongtiaozhengbianpinqidepinlv，dadaodongtaidepingheng，shidezhangligunshizhongzaipinghengweizhifujinqingweidebaidong，qidaotongbudexiaoguo。

張力控製通過張力傳感器實時檢測張力、通過張力控製器或PLC進行張力的PID運算，這種張力控製的實質是通過調整速差實現張力的動態恒定。

2.2應用領域

多級同步與張力控製係統廣泛地應用於紡織、印染、造紙等行業（染漿聯合機、印染設備）。

2.3缺點及不足分析

首shou先xian，可ke以yi看kan出chu該gai係xi統tong同tong步bu屬shu於yu開kai環huan控kong製zhi，當dang負fu載zai變bian化hua較jiao大da的de時shi候hou，電dian機ji的de轉zhuan差cha率lv會hui加jia大da，相xiang應ying張zhang力li輥gun會hui偏pian離li平ping衡heng位wei置zhi。相xiang應ying電dian機ji的de速su度du會hui發fa生sheng變bian化hua，如ru果guo是shi對dui同tong步bu的de要yao求qiu非fei常chang嚴yan格ge的de場chang合he，可ke能neng會hui有you一yi定ding的de局ju限xian性xing。同tong時shi因yin為wei速su度du給gei定ding及ji反fan饋kui都dou是shi模mo擬ni量liang信xin號hao，而er且qie對dui於yu生sheng產chan線xian比bi較jiao長chang，設she備bei安an裝zhuang等deng不bu可ke預yu知zhi的de因yin素su，可ke能neng會hui比bi較jiao容rong易yi受shou到dao到dao各ge種zhong電dian氣qi耦ou合he的de幹gan擾rao，造zao成cheng係xi統tong運yun轉zhuan不bu穩wen定ding。

張力控製采用PID，由於積分的作用，如果積分增益調整的不好，容易造成係統的振蕩或響應的滯後。對於PID運算的各參數要求較高。但在要求不是非常高的場合，該係統還是比較穩定的，應用也比較廣泛。

3 基於台達機電技術的張力傳動控製解決方案

圖2硬同步及開環張力閉環矢量控製方案

表1 台達機電自動化平台配置

3.1 開環張力閉環矢量控製係統設計

硬同步及開環張力閉環矢量控製方案框圖參見圖2。係統配置參見表1。

為wei了le克ke服fu由you於yu負fu載zai的de變bian化hua造zao成cheng電dian機ji轉zhuan差cha率lv變bian大da，電dian機ji特te性xing曲qu線xian偏pian軟ruan的de缺que點dian，在zai每mei個ge單dan元yuan的de電dian機ji後hou加jia編bian碼ma器qi反fan饋kui，並bing將jiang編bian碼ma器qi信xin號hao接jie入ru變bian頻pin器qi，形xing成cheng閉bi環huan矢shi量liang控kong製zhi。這zhe樣yang電dian機ji的de特te性xing曲qu線xian會hui比bi較jiao硬ying，能neng夠gou有you效xiao避bi免mian負fu載zai小xiao變bian化hua時shi轉zhuan速su及ji轉zhuan矩ju的de下xia降jiang。達da到dao硬ying同tong步bu控kong製zhi的de效xiao果guo。所suo有you單dan元yuan變bian頻pin器qi的de頻pin率lv給gei定ding方fang式shi是shi通tong過guoRS485，這樣不僅省略了同步控製器，同時有效避免了電氣耦合對模擬量信號的幹擾。係統運行更加的穩定而且成本也較低，控製效果也更好

3.2 控製算法設計

速度同樣以1單元為主，在人機上設定的一般為線速度，要將線速度轉換成相應的頻率。由於1單元與2單元之間在機械方麵的差異、傳送介質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完全一致，存在一定的係數關係。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係數關係。依據如下的算法處理每兩個單元之間的速度關係：Vn=Kdn*Vn-1+Kfn*Vn-1。整個控製的核心及編程思想參見圖3。

圖3 控製核心及編程思想

在調試時需要嚴格的按照步驟進行：主速設定後，通過調整1單元的比例係數K（D530），將實際用速度表測出的線速度調整到與主速設定的一致，即完成了1單元的調試；同理，

其它任意兩單元之間的同步關係的調試也是同理。直到每兩單元之間的同步係數全部確定下來為止。

3.3開環張力閉環矢量控製原理以及在紡織行業應用的工藝要求分析
（1）傳統收卷裝置的弊端

紡織機械如：漿紗機、漿染聯合機、bingzhoujidengshebeidouhuiyoushoujuandehuanjie。chuantongdeshoujuandoushicaiyongjixiechuandong，yinweijixiedetongzhouchuandongduiyujixiedemosunshifeichangyanzhongde，julejie，yongyutongzhouchuandongbufendejixiepingjunshoumingjibenshangshiyinianzuoyou。erqiejingchangyaoweihu，weihudeshihouyeshifeichangmafande,不僅浪費人力而且維護費用很高,geikehudailailehenduodebubian。youqishifangzhishebeijibenshangshikaijihoubuyunxuzhongtutingchede，rufashengyiwaiqingkuangxuyaotingchehuizaochenghendadelangfei。zaizhezhongqingkuangxia，zhanglikongzhibianpinshoujuankaishizhujianqudaichuantongdejixiechuandongxitong。

（2）張力控製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；大卷啟動時不能鬆紗。
　　・在加速、減速、停止的狀態下也不能有上述情況出現。
　　・要求將張力量化，即能設定張力的大小（力的單位），能顯示實際卷徑的大小。

（3）張力控製變頻收卷的優點
　　・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。
　　・使用先進的控製算法: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;轉矩補償的動態調整等等。
　　・卷徑的實時計算，精確度非常高，保證收卷電機輸出轉矩的平滑性能好。並且在計算

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值。
　　・因為收卷裝置的轉動慣量是很大的，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鬆紗的現象，將直接導致紗的質量。
　　而進行了變頻收卷的改造後，在上述各種情況下，收卷都很穩定，張力始終恒
　　定。而且經過PLC的處理，在特定的動態過程，加入一些動態的調整措施，
　　使得收卷的性能更好。
　　・在傳統機械傳動收卷的基礎上改造成變頻收卷，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 張力控製係統設計

圖4 張力控製係統

（1）變頻收卷的控製原理及調試過程

圖4為張力控製係統設計。卷徑的計算原理根據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 èΔn1*C1=Δn2*C2/i(Δn1---單位時間內牽引電機運行的圈數、Δn2---單位時間內收卷電機運行的圈數、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---收卷編碼器產生的脈衝數、P2---收卷編碼器的線數、D1―為測長輥直徑、D2―收卷盤頭卷徑). Δn1=ΔP1/P1取Δn1=1,即測長輥轉一圈,由霍爾開關產生一個信號接到PLC.那麼D2=D1*i*P2/ΔP2,這樣收卷盤頭的卷徑就得到了。
　　（2）收卷的動態過程分析

要能保證收卷過程的平穩性,不論是大卷、小卷、加速、減速、激活、停車都能保證張力的恒定.需要進行轉矩的補償.整個係統要激活起來,首先要克服靜摩擦力所產生的轉矩,簡稱靜摩擦轉矩,靜摩擦轉矩隻在激活的瞬間起作用;正常運行時要克服滑動摩擦力產生地滑動摩擦轉矩,滑動摩擦轉矩在運行當中一直都存在,並且在低速、高速時的大小是不一樣的。需要進行不同大小的補償,係統在加速、減速、停車時為克服係統的慣量,也要進行相應的轉矩補償,補償的量與運行的速度也有相應的比例關係.在不同車速的時候,補償的係數是不同的。即加速轉矩、減速轉矩、停車轉矩、激活轉矩；克服了這些因素,還要克服負載轉矩,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矩補償的過程。總結:電機的輸出轉矩=靜摩擦轉矩(激活瞬間)+滑動摩擦轉矩+負載轉矩.在加速時還要加上加速轉矩;在減速時要減去減速轉矩.停車時,因為是通過程控減速至設定的最低速,所以停車轉矩的補償同減速轉矩的處理.