张力控制的目的就是保持线.docx
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张力控制的目的就是保持线
力控制的目的就是保持线材或带材上的力恒定,矢量控制变频器可以通过两种途径达到目的:
一、通过控制电机的转速来实现;另一种是通过控制电机输出转矩来实现。
速度模式下的力闭环控制速度模式下的力闭环控制是通过调节电机转速达到力恒定的。
首先由带(线)的线速度和卷筒的卷径实时计算出同步匹配频率指令,然后通过力检测装置反馈的力信号与力设定值构成PID 闭环,调整变频器的频率指令。
同步匹配频率指令的公式如下:
同步匹配频率指令的公式如下F=(V×p×i)/(π×D)其中:
F 变频器同步匹配频率指令V 材料线速度p 电机极对数(变频器根据电机参数自动获得)i 机械传动比D 卷筒的卷径变频器的品牌不同、设计者的用法不同,获得以上各变量的途径也不同,特别是材料的线速度(V)和卷筒的卷径(D),计算方法多种多样,在此不一一列举。
这种控制模式下要求变频器的PID 调节性能要好,同步匹配频率指令要准确,这样系统更容易稳定,否则系统就会震荡、不稳定。
这种模式多用在拉丝机的连拉和轧机的连轧传动控制中。
若采用转矩控制模式,当材料的机械性能出现波动,就会出现拉丝困难,轧机轧不动等不正常情况。
转矩模式下的力控制
一、转矩模式下的力开环控制
在这种模式下,无需力检测反馈装置,就可以获得更为稳定的力控制效果,结构简洁,效果较好。
但变频器需工作在闭环矢量控制方式,必须安装测速电机或编码器,以便对电机的转速做精确测量反馈。
转矩的计算公式如下:
T=
(
F×
D
)
/
(
2×
i
)
其中:
T
变频器输出转矩指
令
F
力设定指令
i
机械传动比
D
卷筒的卷径
电机的转矩被计算出来后,
用
来控制变频器的电流环,
这样就可以控制电机的输出转矩。
控制电机的输出转
矩。
控制电机的输出转矩
所以转矩计算非常重要。
这种控制多用在对力精度
要求不高的场合,
在我鑫科公司就有广
泛的应用。
如精带公司的脱脂机、气垫炉
的收卷控制中都采用了这中控制模式。
二、转矩模式下转矩模式下的力开环控
制
力闭环控制是在力开环控制的基础上增加了力反馈闭环调节。
通过力
检测装置
反馈力信号与力设定值构成
PID
闭环调节,调整变频器输出转矩
指令,这样可以获得
更高的力控制精度。
其力计算与开环控制相同。
不论采
用力开环模式还是闭环模式,
在系统加、减速的过程中,需要提供额外的转矩
用于克服整个系统的转动惯量。
如果不加补
偿,将出现收卷过程加速时力偏
小,减速时力偏大,放卷过程加速时力偏大,减速时
力偏小的现象。
这种
控制模式多用在造纸、
纺织等卷取微力控制的场合下。
在我公司尚无需这种控
制。
卷径计算
在所有的模式中都需要用到卷筒的卷径,
大家知道,
在生产过程
中开卷机的卷径是在不
断变小,卷取机的卷径在不断变大,也就是说转矩必须随
着卷径的变化而变化,才能获得稳
定的力控制。
可见卷筒的卷径计算是多么地
重要。
卷径的计算有两中途径:
一种是通过外
部将计算好的卷径直接传送给变频
器,一般是在
PLC
中运算获得。
另一种是变频器自己运
算获得,
矢量控制型变
频器都具有卷径计算功能,
在大多数的应用中都是通过变频器自己运
算获得。
这
样可以减少
PLC
程序的复杂性和调试难度、降低成本。
变频器自己计算卷径的
方法有三种:
变频器自己计算卷径的方法有三种:
1
、
速度计算法:
、
速度计
算法:
通过系统当前线速度和变频器输出频率计算卷径。
其公式如下:
D=
(
i×
V
)
/
(
π×n
)
D
所求卷径
I
机械传动比
n
电机转速
V
线速度
当系统运行
速度较低时,
材料线速度和变频器输出频率都较低,
较小的检测误差就会使
卷
径计算产生较大的误差,
所以要设定一个最低线速度,
当材料线速度低于此值时
卷径计算
停止,卷径当前值保持不变。
此值应设为正常工作线速度以下。
多数应
用场合下的变频器都
使用这种方法进行卷径计算。
2
、
度积分法:
、
度积分
法:
根据材料厚度按卷筒旋转圈数进行卷径累加或递减,对于线材还需设定每层
的圈数。
这种方法计算要求输入材料厚度,若厚度是固定不变的,可以在变频器
中设定。
此方法
在单一产品的生产场合被广泛应用。
若厚度是需要经常变化的,
需要通过人机界面
HMI
或智能仪表将厚度信号传送到
PLC
,
由
PLC
或仪表进
行运算后再传送给变频器。
这种计算方法可以获得比较精确的卷径。
在一
般的国
产设备上应用较少,我公司的进口设备,气垫炉的收、放卷控制上就采用这种计算
方
式。
3
、
模拟量输入
、
当选用外部卷径传感器时,
卷径信号通过模拟输入
口输入给变频器。
由于卷径传感器的
性能、价格、使用环境等原因,在国鲜有
使用。
结束语:
结束语:
矢量变频技术在卷取应用中的方法多种多样,
在当前
技术条件下,
上述模式是最具有代
表性的。
无论是设计还是维修,了解你所使用
设备的工作模式和控制特点是非常重要的。
变
频技术还在高速发展,新的理论和
控制技术将不断涌现,控制模式还将继续推出新。
我们
期待着更先进、更实用
的技术不断出现,以此来改变我们的生活。
要了解这四种模式,需要先分别了解
开环和闭环、速度和转矩模式的区别
2
、开环和闭环在变频器中是指是否有速度编
码器反馈给变频器,如果没有,则为开环,此
时变频器需选择无速度传感器矢量
控制(简称:
开环矢量),如果有则称为有速度传感器矢
量控制(简称:
闭环矢
量)。
3
、速度模式是指变频器以控制电机的转速为目的,此时电机的力矩必须为
保持该速度而调
整。
所以控制系统中外环为速度环,环为电流环。
速度环的输
出为电流环的给定(力矩给
定),该电流环也称为转矩环。
采用开环速度,则电
机的转子速度是通过电压、电流及电机
模型计算出来的,所以其速度精度、速度
响应肯定比闭环要差和慢,所以开环速度控制只用
在对低频速度和转矩响应不高
的场合。
闭环速度控制由于使用了编码器,速度、转子位置可
以通过编码器直接
测量,
所以速度精度和响应远远超过开环,
但增加了编码器带来了故障点
和成
本增加,
所以有些对精度要求不高的场合不使用闭环速度控制,
反之则必须使用
闭环速
度控制
4
、转矩模式是指变频器是以控制电机的输出力矩为目的,速度大
小和外部负载有关,与转
矩无关。
此时变频器一般无速度环,只有电流环,外部
给定直接给电流环作为力矩设定。
为
防止超速,许多高档变频器都带速度外环限
制超速,这是一种增强型的转矩模式,此时速度
环只起一个限制最大速度的作
用,
电流环依然起主导作用。
开环转矩在响应和精度方面比闭
环要差,原因和
速度模式是一样的。
4
、开环速度、闭环速度应用最为广泛,闭环转矩模式一般用
在力控制居多,
而开环转矩应用的比较少,目前也就是在个别传动如:
双电机
同轴、皮袋传输等
有一些应用。
1.
什么是力控制:
所谓的力控制,通俗点讲
就是要能控制电机输出多大的力,即输出多
少牛顿。
反应到电机轴即能控制电机
的输出转距。
2.
真正的力控制不同于靠前后两个动力点的速度差形成力的系
统,
靠速度差来调节
力的实质是对力的
PID
控制,要加力传感器。
而且
在大小卷启动、停止、加速、减速、
停车时的调节不可能做到象真正的力控制
的效果,
力不是很稳定。
肯定会影响生产出产
品的质量。
用变频器做恒力
控制的实质是死循环矢量控制,即加编码器反馈。
对收卷来说,收卷的卷
经是由
小到大变化的,为了保证恒力,所以要求电机的输出转距要由小到大变化。
同时
在
不同的操作过程,要进行相应的转距补偿。
即小卷启动的瞬间,加速,减速,
停车,大卷启
动时,要在不同卷经时进行不同的转距补偿,这样就能使得收卷的
整个过程很稳定,避免小
卷时力过大;大卷启动时松纱的现象。
二.力控制
变频收卷在纺织行业的应用及工艺要求
1
.传统收卷装置的弊端
纺织机械如:
浆
纱机、浆染联合机、并轴机等设备都会有收卷的环节。
传统的收卷都是采
用机械
传动,因为机械的同轴传动对于机械的磨损是非常严重的,据了解,用于同轴传动
部
分的机械平均寿命基本上是一年左右。
而且经常要维护,维护的时候也是非常
麻烦的
不仅
浪费人力而且维护费用很高
给客户带来了很多的不便。
尤其是纺织设
备基本上是开机后不
允许中途停车的,如发生意外情况需要停车会造成很大的浪
费。
在这种情况下,力控制变
频收卷开始逐渐取代传统的机械传动系统。
2
.力控制变频收卷的工艺要求
*
在收卷的整个过程中都保持恒定的力。
力
的单位为:
牛顿或公斤力。
*
在启动小卷时,不能因为力过大而断纱;大卷启
动时不能松纱。
*
在加速、减速、停止的状态下也不能有上述情况出现。
*
要求
将力量化,即能设定力的大小(力的单位),能显示实际卷径的大小。
3
.
力控制变频收卷的优点
*
力设定在人机上设定,人性化的操作
单位为力的单位
:
牛顿
. *
使用先进的控制算法
:
卷径的递归运算
;
空心卷径激活时力的线性递加
;
力锥度计算公式的应用
;
转矩补偿的动态调整等等
. *
卷径的实时计算,精确度非常
高,保证收卷电机输出转矩的平滑性能好。
并且
在计算卷径时加入了卷径的递归
运算,
在操作失误的时候,
能自己纠正卷径到正确的数值。
*
因为收卷装置的
转动惯量是很大的,卷径由小变大时。
如果操作人员进行加速、
减速、停车、再
激活时很容易造成爆纱和松纱的现象,将直接导致纱的质量。
而进行了变频收卷
的改造后,在上述各种情况下,收卷都很稳定,力始终恒
定。
而且经过
PLC
的处理,在特定的动态过程,加入一些动态的调整措施,
使得收卷的性能更好。
*
在传统机械传动收卷的基础上改造成变频收卷,非常简便而且造价低,基本
上
不需对原有机械进行改造。
改造周期小,基本上两三天就能安装调试完成。
*
克
服了机械收卷对机械磨损的弊端,延长机械的使用寿命。
方便维护设备。
三.
变
频收卷的控制原理及调试过程
*
卷径的计算原理:
根据
V1=V2
来计算收卷的卷
径。
因为
V1=ω1*R1, V2=ω2*Rx.
因为在相同的时间由测长辊走过的纱的长度与
收卷收到的纱的长度是相等
的。
即
L1/∆t=L2/∆t ,∆n1*C1=∆n2*C2/i(∆n1
单位时间
牵引电机运行的圈数、
∆
n2
单位
时间收卷电机运行的圈数、
C1
测长辊的周
长、
C2
收卷盘头的周长、
i
减速比
) ∆n1*π*D1=∆n2*π*D2/i D2=∆n1*D1*i/∆n2,
因为
∆n2=∆P2/P2(∆P2
收卷编码器产生的脉
冲数、
P2
收卷编码器的线数
). ∆n1=∆P1/P1
取
∆n1=1,
即测长辊转一圈
由霍尔开关产生一
个信号接到
PLC.
那么
D2=D1*i*P2/∆P2,
这样收卷盘头的卷径就得到了
. *
收卷的动态过程分析
:
要能保证
收卷过程的平稳性
不论是大卷、小卷、加速、减速、激
活、
停车都能保证力
的恒定
.
需要进行转矩的补偿
.
整个系统要激活起来
首先要克服静摩擦
力所产生的
转矩
简称静摩擦转矩
静摩擦转矩只在激活的瞬间起作用
;
正常运行时要克服滑
动
摩擦力产生地滑动摩擦转矩
滑动摩擦转矩在运行当中一直都存在
并且在低速、高
速时的
大小是不一样的。
需要进行不同大小的补偿
系统在加速、减速、停车时为
克服系统的惯量
也要进行相应的转矩补偿
补偿的量与运行的速度也有相应的比例
关系
.
在不同车速的时候
补偿的系数是不同的。
即加速转矩、减速转矩、停车转
矩、激活转矩;克服了这些因素
还
要克服负载转矩
通过计算出的实时卷径除以
2
再乘以设定的力大小
经过减速比折算到电
机轴
.
这样就分析出了收卷整个过程的
转矩补偿的过程。
总结
:
电机的输出转矩
=
静摩擦转矩
(
激活瞬间
)+
滑动摩擦转矩
+
负载转矩
.<1>
在加速时还要加上加速转矩
;<2>
在减速时要减去
减速转矩
.<3>
停车
时
因为是通过程控减速至设定的最低速
所以停车转矩的补偿同减速转
矩的处理
. *
转矩的补偿标准
(1).
静摩擦转矩的补偿
:
因为静摩擦转矩只在激活的瞬间存在
在系
统激活后就消
失了
.
因此静摩擦转矩的补偿是以计算后电机输出转矩乘以一定的百
分比进行补偿
.
(2).
滑动摩擦转矩的补偿
:
滑动摩擦转矩的补偿在系统运行的整个过
程中都是起作用的
.
补偿的大小以收卷电机的额定转矩为标准
.
补偿量的大小与运行
的速度有关系。
所以在程序
中处理时,要分段进行补偿。
(3).
加减速、停车转矩
的补偿:
补偿硬一收卷电机的额定转矩为标准,相应的补偿系数应
该比较稳定,
变化不大。
*
计算当中的公式计算
(1).
已知空芯卷径
Dmin=200mm,Dmax=1200mm;
线速度的最大值
Vmax=90m/min,
力
设定最大值
Fmax=50kg(
约等于
500
牛顿
);
减速比
i=9;
速度的限制如下
:
因为
:
V=π*D*n/i(
对于
收卷电机
)=>
收卷电机在空芯卷径时的转速是最快的
.
所
以
:
90=3.14*0.2*n/9=>n=1290r/min;
(2).
因为我们知道变频器工作在低频时
交流异
步电机的特性不好
激活转矩低而且非线
性
.
因此在收卷的整个过程中要尽量避免收
卷电机工作在
2HZ
以下
.
因此
:
收卷电机有个最低
速度的限制
.
计算如下
:
对于四极
电机而言其同步转速为
:
n1=60f1/p=>n1=1500r/min. =>2HZ/5HZ=N/1500=>n=60r/min
当达到最大卷径时
可以求出收卷整个过程中运行的最低
速
.V=π*D*n/i=>Vmin=3.14*1.2
*60/9=25.12m/min.
力控制时
要对速度进行限制
否
则会出
现飞车
.
因此要限速
. (3).
力及转矩的计算如下
:
如果
F*D/2=T/i,=>F=2*T*i/D
对于
22KW
的交流电机
其额定
转矩的计算如
下
:
T=9550*P/n=>T=140N.m.
所以
Fmax=2*140*9/0.6=4200N.(
其中
P
为额定
功
率
n
为额定转速
). *
调试过程:
1
.先对电机进行自整定,将电机的定子电感、
定子电阻等参数读入变频器。
2
.将编码器的信号接至变频器,并在变频器上设定
编码器的线数。
然后用面板给定频率
和启停控制,
观察显示的运行频率是否在设
定频率的左右波动。
因为运用死循环矢量控制时,
运行频率
总是在参
考编码器
反馈的速度,
最大限度的接近设定频率,
所以运行频率是在设定频率的附近震荡
的。
3
.在程序中设定空芯卷径和最大卷径的数值。
通过前面卷径计算的公式算出
电机尾部
所加编码器产生的最大脉冲量(
P2
)和最低脉冲量
( P2 ).
通过算出的最
大脉冲量对收卷电
机的速度进行限定,因为变频器用作力控制时,如果不对最
高速进行限定,一旦出现断纱
等情况,收卷电机会飞车的。
最低脉冲量是为了避
免收卷变频器运行在
2Hz
以下,因为变
频器在
2Hz
以下运行时,电机的转距特
性很差,会出现抖动的现象。
4
.通过前面分析的整个收卷的动态过程,在不同卷
径和不同运行速度的各个阶段,进行
一定的转距补偿
.
补偿的大小,可以以电机额
定转距的百分比来设定。
四.真正的力控制
. 1.
什么是力控制:
所谓的力控
制,通俗点讲就是要能控制电机输出多大的力,即输出
多少牛顿。
反应到电机轴
即能控制电机的输出转距。
2.
真正的力控制不同于靠前后两个动力点的速度差
形成力的系统,
靠速度差来调节
力的实质是对力的
PID
控制,要加力
传感器。
而且在大小卷启动、停止、加速、减速、
停车时的调节不可能做到象真
正的力控制的效果,
力不是很稳定。
肯定会影响生产出产
品的质量。
五.变频收卷对变频器性能的要求
1.
变频收卷的实质是要完成力控制
即能控制
电机的运行电流
因为三相异步电机的输
出转距
T=CMφmIa,,
与电流成正比
.
并且当
负载有突变时能够保证电机的机械特性曲线比较硬
.
所
以必须用矢量变频器
而且必
须要加编码器死循环控制
. 2.
市场上能进行力控制变频收卷的变频器主要有
:
安
川
艾默生
伦次等
.
台达
V
系列的
变频器是矢量型变频器
能够完成力控制
但因
为不属于收放卷专用型变频器
所以要配合
外部其它接口设备才能完成收放卷的功
能
.
艾默生
TD3300
就是一款收放卷专用的变频器
也
许台达也会在不久的将来推
出我们自己收放卷专用的变频器
我们拭目以待
.
六.使用台达产品做变频收卷的方
案
1.
硬件构成:
DOP-A57GSTD+DVP-20EH+DVP
—
4DA-H+VFD-V 2.
电气原理
图:
(以并轴机为例)
七.结论
通过以上的分析,使用台达
V
系列的矢量型变
频器做力控制变频收卷时,只要能对上
述收卷的整个动态过程有比较清晰的认
识,
能在不同的过程中将转距补偿的量找到一个合适
的数值,一定能保证恒力
的控制
满足客户的要求,但要提醒读者,这种控制方式也有一
定的局限性,虽然
实现了恒力的控制要求,但如果控制力的围很小,比如:
力围
在
0-
200/300
牛顿时,这种控制方式是不适用的。
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- 张力 控制 目的 就是 保持