维普资讯 http://www.cqvip.com 第２５卷第３期 ２００７年６月 轻Ｉ机械 ＬｉｇｈｔＩｎｄｕｓｔｒｙＭａｃｈｉａｅｒｙ Ｖｏ１．２５ Ｎ０．３ Ｊｕｎ．２００７ ［自控・检测］ 矢量闭环控制恒张力收放卷系统 及其在工业上的应用 姚晴洲 （湖州职业技术学院理工分院，浙江湖州 ３１３０００） 摘要：在张力波动范围窄、张力数值较小的控制系统中，采用矢量闭环控制，通过对收放卷速度的补偿，能收到较好的 效果。此方法在工业上使用的范围很广，并能取得较好的经济效益。对该方法的控制原理、计算方法、调试过程等做了详 细的介绍，供参考。 关键词：收放卷；恒张力；矢量；变频器 中图分类号：ＴＳ７３４ 文献标志码：Ｂ 文章编号：ｌＯＯ５—２８９５（２００７）０３一ｏ０９１—０４ １ 恒张力收放卷系统在企业中的应用及工艺要求 数值。 （４）因为收卷装置的转动惯量很大，如果卷径由 小变大时进行加速、减速、停车、再起动等，则很容易造 成断料或松卷，从而直接影响质量。进行了变频收卷的 １．１传统收放卷装置的弊端 纺织机械、带材机械、线缆机械等设备都会有收放 卷环节。传统的收放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非常严重。据多年的实践发 现，用于同轴传动部分的机械部件平均寿命仅为一年左 右，而且还需经常维护，人力、物力支出很大。更严重的 改造后，在上述各种情况下收放卷都很稳定，张力始终 恒定。而且经过ＰＬＣ处理，在特定的动态过程中加入 一些动态调整措施，则收放卷性能更好。 是，此类设备在开机后基本上是不允许中途停车的，如 发生意外，停车检修将造成很大的损失。因此，恒张力控 制变频收放卷方式正逐渐取代传统的机械传动系统。 （５）在传统机械传动收卷的基础上改造成变频收 放卷非常简便，而且造价很低，基本上不需要对原有机 械结构进行改动。故改造周期短，两三天就能安装调试 完毕。 １．２恒张力控制变频收放卷的的工艺要求 （１）在收放卷的整个过程中都保持恒定的张力／Ｎ。 （２）在小卷起动时，不能因张力过大而损坏卷材； 大卷起动时不能松卷。 （６）克服了机械收放卷对部件磨损大的弊端，延 长了机械的使用寿命，方便了维护。 ２系统框图及说明 （３）在加速、减速、停车时也不能有上述情况出现。 （４）要求将张力量化，即能设定张力的大小，并能 显示实际卷径的大小。 ２．１ 系统框图 收放卷系统框图见图１。 ２．２系统说明 收放卷系统的组成如下： １．３恒张力控制变频收放卷的的优点 （１）张力可在机上设定，体现人性化操作。 （２）可使用先进的控制算法：卷径的递归运算、空 卷起动时的张力线性递加、张力锥度计算公式的应用、 （１）ｒ 牵引筒 半径为Ｒ ，直径Ｄ ，角速度ｄＯ ，线 速度７３ ，周长Ｃ ； （２）ｒ 卷绕筒 半径为Ｒ （变动时为Ｒｘ），直径 Ｄ ，角速度ｄＯ。，线速度７３。，周长Ｃ。； 转矩补偿的动态调整等等。 （３）卷径的实时计算精确度很高。保证了收卷电 （３）减速器 机械传动减速装置、减速比ｉ一９； ・ 机输出转矩的平滑性，并在计算卷径时加入了卷径的 递归运算，使在操作失误的时候能自己纠正到正确的 收稿日期：２００６—１１－２４ （４）Ｍ ，Ｍ 变频电动机； （５）ＰＧ 增量编码器； 作者简介：姚晴洲（１９６３一），男，浙江湖卅１人，湖卅ｌ职业技术学院理工分院讲师，浙江大学电气学院在职硕士研究生，研究方向 为电器控制。 维普资讯 http://www.cqvip.com 轻Ｉ机械Ｌｉｇｈｔ［ｎｄｕｓｔｒｙＭａｃｈｉｎｅｒｙ ２００７年第３期 图１ 收放卷系统框图 （６）Ｇ 霍尔开关。 本系统假设工艺上不允许安装力敏传感器来检测 卷材的张力，为此以牵引筒上的线速度 为系统的主 令信号。使 ，７３。保持一致，从而使卷材的张力符合工 艺要求（不考虑材料滑动引起的速度差异）。 ， 。的控 制关系如图２。 图２ 控制关系图 ３ 变频收放卷的控制原理及调试过程 ３．１ 卷径的计算原理 根据 ＝ 。来计算收卷的卷径。因为 一 Ｒ ， ＝ Ｒ 。同时因为在相同时间内牵引筒上走过卷料 的长度与卷绕筒收到的卷料长度相等，相同变化时间 用 表示，则Ｌ１／ＺＸｔ—Ｌ２／ ，Ａｎ１Ｃ１＝Ａｎ ２Ｃ２／ｉ（Ａｎ１单 位时间内牵引电机运行的圈数， 。单位时间内卷绕 电机运行的圈数）。Ａｎ１ ｒｒＤ１一Ａｎ２ｒｒＤ２／ｉ，Ｄ２一 △，２ Ｄ ｉ／Ａｎ。。因为Ａｎ。＝ＡＰ ／Ｐ２（２ＸＰ。编码器产生的脉 冲数，Ｐ２编码器的线数）。Ａｎ ＝Ａｐ ／Ｐ ，取Ａｎ ＝＝＝１， 即卷绕筒转一圈，由霍尔开关产生一个信号送到 ＰＬＣ，那么Ｄ 一Ｄ ｉＰ。／ＺＸＰ。，就得到了卷绕筒的卷径。 ３．２ 收卷的动态过程分析 要保证收卷过程的平稳性，不论是大卷、小卷、加 速、减速、起动、停车等都能保证张力的恒定，需要进行 转矩的补偿。整个系统要动起来，首先要克服静摩擦力 所产生的转矩，简称静摩擦转矩，静摩擦转矩只在起动 的瞬间起作用。正常运行时要克服滑动摩擦力产生的滑 动摩擦转矩，滑动摩擦转矩在运行时一直都存在，并且 在低速、高速时的大小是不一致的，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性， 也要进行相应的转矩补偿，补偿的量与运行速度也存在 相应的比例关系。在不同车速时，补偿的系数是不同的， 如：加速转矩、减速转矩、停车转矩、起动转矩等 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再乘以设定的张力大小，经过转速比折算到电机 轴，这样就可分析出整个收卷过程的转矩补偿问题。 综上所得：电机的输出转矩一静摩擦转矩（起动 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，所以停车时还要进行停车转矩的补偿和减速转矩 的处理。 ３．３ 转矩的补偿标准 转矩的补偿标准如下： （１）静摩擦转矩的补偿 因为静摩擦转矩只在 起动瞬间存在，在系统起动后就消失了，因此静摩擦转 矩的补偿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起作用，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，所以在程序中要进行分段补偿。 （３）加减速、停车转矩的补偿 补偿以收卷电机 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。 ３．４ 公式计算 （１）假设卷绕筒空芯卷径Ｄ ＝２００ ｍｍ，最大卷 径Ｄ…＝１ ２００ ｍｍ；线速度的最大值 …＝９０ ｍ／ｒａｉｎ，张力设定最大值Ｆ…一５００ Ｎ；减速比ｉ＝９。 速度限制如下：因为收卷电机在空芯时的转速最 快为： ＝丁ｃＤ ｎ／ｉ 即９０＝３．１４×０．２ ／９ 故／，／一ｌ ２９０ ｒ／ｍｉｎ。 （２）变频器工作在低频时，交流异步电动机的输 出特性不好，起动转矩低而且为非线性。因此在收卷的 整个过程中要尽量避免收卷电机在２ Ｈｚ以下工作。故 收卷电机有最低速限制。以四极电机为例，其工频同步 转速为 １＝６０ｆ／ｐ一６０×５０／２—１ ５００ ｒ／ｒａｉｎ。则在 ２ Ｈｚ时的最低同步转速为，２—６０×ｚ／ｚ一６０ ｒ／ｍｉｎ。 当达到最大卷径时，即可求出收卷整个过程中运行的 维普资讯 http://www.cqvip.com ［自控・检测］ 姚晴洲 矢量闭环控制恒张力收放卷系统及其在工业上的应用 最低线速度 一７ｒＤｎ／ｉ一３．１４×１．２×６０／９— 产生的最大脉冲量和最低脉冲量Ｐ。。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 ２５．１２ ｍ／ｍｉｎ。张力控制时要对速度进行控制，否则会 出现飞车事故。 （３）张力及转矩的计算如下：如果ＦＤ／２一Ｔｉ，即 Ｆ一２Ｔｉ／Ｄ。对于２２ ｋｗ四极电机而言，其额定转矩的 计算如下：Ｔ：９ ５５０ Ｐ／ｎ Ｌ１ Ｊ２铋，Ｔ一１４０ Ｎ・ｍ，所以 Ｆｍ 一２ Ｘ １４０ Ｘ ９／０．６—４ ２００ Ｎ。（其中Ｐ为额定功 率， 为额定转速） （４）张力锥度计算公式：Ｆ—Ｆ。［１一Ｋ（１一 Ｄ。／Ｄ ）］。Ｆ为实际输出的张力， 为操作者在机上设 定的张力，Ｋ为张力锥度系数，Ｄ。为空芯卷径，Ｄｘ为 实时卷径。 ３．５ 调试过程 系统的调试过程如下： （１）先对电机进行自整定，按照电机铭牌上的参 数将电机的额定功率、额定转速、额定电流、极数等依 次输入相应的参数中。运行方式选择面板起动，频率给 定选择通过面板上的上、下键设定，然后用面板上的运 行按钮，使变频器起动。其目的是对三相异步电机进行 空载试验和短路试验。空载试验的目的是测出感应电 机的励磁阻抗Ｚ ：Ｒ ＋ｊＸ ，铁耗Ｐ， 及机械损耗Ｐｎ 可从文献中查得Ｌ１］２“。其方法是电动机上不带任何负 载，定子施以额定频率的对称三相额定电压，空载运行 一段时间，待机械损耗稳定后调节ｕ 使之从１．１～ １．３ ＵⅣ，开始逐次降低电压直到０．２ Ｕ 左右为止（或 者发现电机转速明显下降，或者发现定子电流开始回 升为止）；短路试验的目的是测出短路阻抗及额定电流 时的定子转子铜损。其方法是将转子堵住，定子外施对 称三相低电压，使定子电流从１．２ １ 开始逐渐减小到 ０．３ Ｉ．ｖ左右为止［１－４３。变频器会自动将这２个试验在自 整定的过程中完成，然后将电机的定子电感、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起停控制， 观察显示的运行频率是否在设定频率的左右波动。因 为闭环矢量控制时，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。如果在闭环矢量控制下运行 变频器，很短的时间内变频器发生警报，提示误差过大 或过电流，可以将编码器的信号线在变频器上反接一 下，可能是转向不对的原因所造成［５］。 （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 张力控制时，如果不对最高速限定，一旦出现断料等情 况，收卷电机会飞车。最低脉冲量是为了避免收卷变频 器运行在２ Ｈｚ以下，因为变频器在２ Ｈｚ以下运行时， 电机转距特性很差，会出现抖动现象。 （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，进行不同大小的 转矩补偿。补偿的大小，可以以电机额定转矩的百分比 和当前所需负载转矩的百分比来设定。 ４ 真正的张力控制 （１）所谓的张力控制，通俗讲就是要能控制电机 输出多大的力，即能输出多少张力／Ｎ，反应到电机轴 即能控制电机的输出转矩。 （２）真正的张力控制不同于靠前后２个动力点的 速度差形成张力的系统，要加设张力传感器。靠速度差 来调节张力的实质是对张力的ＰＩＤ控制，而且在大小 卷起动、停止、减速、停车时的调节，不可能做到像真正 的张力控制的效果，故张力还是不很稳定的。 ５ 变频收卷对变频器性能的要求 变频收卷的实质是要完成张力控制，即能控制电 机的运行电流，因为三相异步电机的输出转矩Ｔ— Ｃ肘 。Ｌ６］，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进行闭环矢量控制。 ６ 结 论 通过以上的分析，使用矢量型变频器做张力控制变 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，只要能对转矩补偿量找 到一个合适的数值，就能保证恒张力的控制，满足客户 的要求。但是张力控制专用变频器还是有其适用的场 合，它适用于张力范围比较宽，而且张力较大的系统中 （数千Ｎ）。如果张力范围很小是不适用的，因为张力范 围太小，输出稍有变化，可能就已经超过了张力允许的 范围，因此，在选用张力控制型变频器时要特别注意。 参考文献： ｔ１３ 王广惠．电机与拖动ＥＭ３．北京：中国电力出版社，２００４． ［２］刘晓字，／ｔｉ 苏．电机拖动实验系统的研制与开发［Ｊ］．机电工程， ２００６，２３（１０）：３４—３５． ｔａ３ 巴学梅，胡玉景，艾名教．高速下引纸复卷机的张力控制策略［Ｊ］． 轻工机械，２００６，２４（１）：１６—１８． Ｅ４３ 欧长劲，吴海列，卢 康．模糊神经网络张力控制系统［Ｊ］．轻工机 械，２００６，２４（４）：１０２—１０５． ｔ５３ 三菱公司．三菱变频调速器使用手册Ｅｚ３．北京：三菱公司，２００５． Ｅ６］李 宁．运动控制系统［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２００４． 维普资讯 http://www.cqvip.com 第２５卷第３期 ２００７年６月 轻Ｉ祝械 ＬｉｇｈｔＩｎｄｕｓｔｒｙＭａｃｈｉｎｅｒｙ Ｖｏ１．２５ Ｎｏ．３ Ｊｕｎ．２００７ ［自控・检测］ 称重式液料灌装机控制系统 孙茂泉 ，严伟跃 （１。常州工学院，江苏常州 ２１３００２；２．常州市伊斯特食品工程有限公司，江苏常州 ２１３０２２） 摘 要：介绍了称重式液料灌装系统的控制机理，从理论上对称重式液料灌装进行了分析研究，提出了常用二段灌装的 大小流量最佳切换点应是一个实时调节量，并在此基础上设计了一种效果比较理想的新型控制系统。 关键词：液料灌装；称重式；分段；大小流量最佳切换点；控制系统 文献标志码：Ａ 文章编号：１００５—２８９５（２００７）０３—００９４—０３ 中图分类号：ＴＢ４８６；ＴＰ２７３ ０ 引 言 液料的定量灌装通常有容积式和称重式２种方法。 对要求以重量计量的液料灌装而言，容积式灌装速度 快，但由于灌装量受液料比重、温度等的影响较大，所以 灌装精度较低，只适用于精度要求不高的场合。称重式 灌装是直接根据称得的重量进行控制，不受液料比重、 （ａ）二段灌装 ０ ｔｌ ｔ２ ｔ３ ｔ （ｂ）三段灌装 温度等的影响，能较易获得高的灌装精度，特别适用于 价值较高液料的高精度灌装，但其灌装速度比较慢。 图１二段、三段灌装过程示意图 ｑ——第ｉ段液料流量； ￡——第ｉ段灌装时间； ——１ 称重式灌装的分段计算 为了在确保灌装精度的前提下提高灌装速度，称 灌装误差。 重式灌装多采用分段灌装。所谓分段灌装就是将１个 灌装周期分成几个时间段，每１时间段内的灌装流量 先后由大至小进行变流量灌装，例如二段、三段灌装过 程如图１所示。 以常用的二段灌装为例，总是希望在ｔ。时间段能以 较大的流量灌装尽可能多的液料来提高灌装速度，在ｔ 时间段则以较小的灌装流量来满足精度要求。因此，合 理选择大小流量和准确确定大小流量的切换点，是在保 分段灌装计量过程的数学表达式为 证灌装精度的同时，尽可能提高灌装速度的关键。 Ｑ一∑ｑｔ＋ 式中：Ｑ——实际灌装量； 收稿日期：２００６—０７—２４ （１） 有资料表明，大小灌装流量可按下列经验公式大 致确定［１］ 作者简介：孙茂泉（１９４７一），男，浙江绍兴人，常州工学院副教授，主要从事机电一体化教学与研究工作。 Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｔｅｎｓｉｏｎ Ｒｅｅｌｉｎｇ Ｉｎ ａｎｄ Ｏｕｔ Ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ Ｖｅｃｔｏｒ Ｃｌｏｓｅ－ｌｏｏｐ Ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ Ｉｔｓ Ｕｓｅ ｆｏｒ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ ＹＡＯ Ｑｉｎｇ—ｚｈｏｕ （Ｂｒａｎｃｈ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕｚｈｏｕ Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｈｕｚｈｏｕ ３１３０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｌｉｔｔｌｅ ｔｅｎｓｉｏｎ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ ａｎｄ ｎｕｍｅｒｉｃ，ｂｙ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅｅｌｉｎｇ ｉｎ ａｎｄ ｏｕｔ ｒａｔｅ， ａｄｏｐｔｉｎｇ ｖｅｃｔｏ￣一ｃｌｏｓｅ—ｌｏｏｐ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃａｎ ｇｅｔ ｂｅｔｔｅｒ ｅｆｆｅｃｔｓ．Ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｉｎｄｕｓｔｒｙ，ａｎｄ ｉｔ ｃａｎ ｉｍｐｒｏｖｅ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｂｅｎｅｆｉｔｓ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ，ａｎｄ ｄｅｂｕｇｇｉｎｇ ｌｏｗ ｉｆｎ ｄｅｔａｉｌ，ｔｏ ｂｅ ｒｅｆｅｒｒｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｒｅｅｌｉｎｇ ｉｎ ａｎｄ ｏｕｔ；ｃｏｎｓｔａｎｔ ｔｅｎｓｉｏｎ；ｖｅｃｔｏｒ；ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ