摘 要：本文針對(duì)臺(tái)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(tái)達(dá)機(jī)電產(chǎn)品自身的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)設(shè)計(jì)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(duì)方案本身的控制原理做非常詳細(xì)的分析和闡述，同時(shí)結(jié)合成功的應(yīng)用案例進(jìn)行說明。
關(guān)鍵詞：同步傳動(dòng) 恒張力 中達(dá)機(jī)電
1 引言
在傳統(tǒng)的電力拖動(dòng)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(shí)因?yàn)榭刂茖?duì)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?yàn)檫@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(duì)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(shí)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(shì)。臺(tái)達(dá)機(jī)電產(chǎn)品利用自身的特點(diǎn)及較高的性價(jià)比能夠?yàn)榭蛻籼峁┏墒?、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
圖1 多級(jí)同步與張力控制系統(tǒng)框圖2.1同步控制及張力控制控制原理根據(jù)圖1所示多級(jí)同步與張力控制框圖，整個(gè)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(hào))，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(hào))。這就是傳統(tǒng)的同步控制系統(tǒng)。張力輥的同軸安裝一個(gè)電位器，電源為+5V電源，當(dāng)張力輥處于中間平衡位置時(shí)將電位器的輸出調(diào)整為0V，當(dāng)張力輥偏離平衡位置時(shí)，反饋信號(hào)即會(huì)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(shí)，相應(yīng)的同步控制器的輸出會(huì)減小或增大，自動(dòng)調(diào)整變頻器的頻率，達(dá)到動(dòng)態(tài)的平衡，使得張力輥始終在平衡位置附近輕微的擺動(dòng)，起到同步的效果。
張力控制通過張力傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)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(shí)質(zhì)是通過調(diào)整速差實(shí)現(xiàn)張力的動(dòng)態(tài)恒定。
2.2應(yīng)用領(lǐng)域多級(jí)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(shí)候，電機(jī)的轉(zhuǎn)差率會(huì)加大，相應(yīng)張力輥會(huì)偏離平衡位置。相應(yīng)電機(jī)的速度會(huì)發(fā)生變化，如果是對(duì)同步的要求非常嚴(yán)格的場合，可能會(huì)有一定的局限性。同時(shí)因?yàn)樗俣冉o定及反饋都是模擬量信號(hào)，而且對(duì)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(huì)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(duì)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(tái)達(dá)機(jī)電技術(shù)的張力傳動(dòng)控制解決方案
圖2硬同步及開環(huán)張力閉環(huán)矢量控制方案 表1 臺(tái)達(dá)機(jī)電自動(dòng)化平臺(tái)配置
3.1 開環(huán)張力閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)硬同步及開環(huán)張力閉環(huán)矢量控制方案框圖參見圖2。系統(tǒng)配置參見表1。
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(gè)單元的電機(jī)后加編碼器反饋，并將編碼器信號(hào)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(huì)比較硬，能夠有效避免負(fù)載小變化時(shí)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(shí)有效避免了電氣耦合對(duì)模擬量信號(hào)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(jì)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(shì)必決定了1單元變頻器與2單元變頻器的運(yùn)行頻率不可能完全一致，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(gè)單元之間的速度關(guān)系：Vn=Kdn*Vn-1+Kfn*Vn-1。整個(gè)控制的核心及編程思想?yún)⒁妶D3。
圖3 控制核心及編程思想 在調(diào)試時(shí)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(shí)際用速度表測(cè)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（1）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(huì)有收卷的環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的收卷都是采用機(jī)械傳動(dòng)，因?yàn)闄C(jī)械的同軸傳動(dòng)對(duì)于機(jī)械的磨損是非常嚴(yán)重的，據(jù)了解，用于同軸傳動(dòng)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(shí)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(huì)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(dòng)系統(tǒng)。
（2）張力控制變頻收卷的工藝要求
•在收卷的整個(gè)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(dòng)小卷時(shí)，不能因?yàn)閺埩^大而斷紗；大卷啟動(dòng)時(shí)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?，能顯示實(shí)際卷徑的大小。
（3）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。
•使用先進(jìn)的控制算法:卷徑的遞歸運(yùn)算;空心卷徑激活時(shí)張力的線性遞加。
張力錐度計(jì)算公式的應(yīng)用;轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)膭?dòng)態(tài)調(diào)整等等。
•卷徑的實(shí)時(shí)計(jì)算，精確度非常高，保證收卷電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的平滑性能好。并且在計(jì)算
卷徑時(shí)加入了卷徑的遞歸運(yùn)算，在操作失誤的時(shí)候，能自己糾正卷徑到正確的數(shù)值。
• 因?yàn)槭站硌b置的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是很大的，卷徑由小變大時(shí)。如果操作人員進(jìn)行加速、
減速、停車、再激活時(shí)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(dòng)態(tài)過程，加入一些動(dòng)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(dòng)收卷的基礎(chǔ)上改造成變頻收卷，非常簡便而且造價(jià)低，基本
上不需對(duì)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(duì)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(jì)
圖4 張力控制系統(tǒng) （1）變頻收卷的控制原理及調(diào)試過程
圖4為張力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。卷徑的計(jì)算原理根據(jù)V1=V2（線速度）來計(jì)算收卷的卷徑。
因?yàn)閂1=ω1*R1, V2=ω2*Rx。（R1-測(cè)長輥的半徑、Rx-收卷盤頭的半徑） 因?yàn)樵谙?同的時(shí)間內(nèi)由測(cè)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(shí)間內(nèi)牽引電機(jī)運(yùn)行的圈數(shù)、Δn2---單位時(shí)間內(nèi)收卷電機(jī)運(yùn)行的圈數(shù)、C1---測(cè)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?yàn)棣2=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(cè)長輥直徑、D2—收卷盤頭卷徑). Δn1=ΔP1/P1取Δn1=1,即測(cè)長輥轉(zhuǎn)一圈,由霍爾開關(guān)產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)接到PLC.那么D2=D1*i*P2/ΔP2,這樣收卷盤頭的卷徑就得到了。
（2）收卷的動(dòng)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(gè)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(shí)要克服滑動(dòng)摩擦力產(chǎn)生地滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)矩,滑動(dòng)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(shí)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(shí)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(shí)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(jì)算出的實(shí)時(shí)卷
