引言： 近年來隨著中國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，使得張力控制設(shè)備市場需求日益增加，也對張力控制的精度和設(shè)備和自動(dòng)化程度提出更高要求。傳統(tǒng)的的張力控制器加磁粉離合器的方案已不能滿足市場需要，變頻調(diào)速技術(shù)的誕生為張力控制設(shè)備的發(fā)展插上騰飛的翅膀，本文介紹深圳市英威騰電氣股份有限公司張力控制專用產(chǎn)品的應(yīng)用相關(guān)知識(shí)。

　　一、 張力控制基本概念

　　1. 什么是張力?

　　張力指的是材料表面的拉伸力，在工業(yè)生產(chǎn)的許多領(lǐng)域中，都需要進(jìn)行精確的張力控制，保持驅(qū)動(dòng)設(shè)備輸出恒定的。

　　2. 張力和扭矩，卷徑的關(guān)系

　　如圖1所示F表示材料張力，T表示卷簡扭矩，D表示卷簡材料直徑(D=2×R)，關(guān)系如下：

　　F張力=T扭矩/R半徑

　　根據(jù)以上公式可知，不管材料速度如何變化，張力與扭矩和半徑的關(guān)系保持不變。因此控制好扭矩與卷簡的半徑關(guān)系就能保持材料張力F恒定。恒張力控制的基本原理就是讓電機(jī)輸出力矩根據(jù)卷簡材料直徑變化而變化。

　　3. 張力控制二種模式

　　轉(zhuǎn)矩控制：控制電機(jī)輸出力矩大小保持材料張力恒定，轉(zhuǎn)矩控制一般用于需要高精度的張力控制場合，如漿紗機(jī)、復(fù)合機(jī)、印刷機(jī)、分切機(jī)等。

　　速度控制：通過調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速快慢控制恒張力。速度模式一般和張力調(diào)節(jié)輥配合使用，張力大小由外部調(diào)節(jié)輥調(diào)節(jié)。速度控制一般用于張力控制要求不高的場合，如拉絲機(jī)等。

　　4. 張力控制系統(tǒng)基本要求

　　張力控制系統(tǒng)是張力傳感器和張力控制器的一種系統(tǒng)集成，是一種實(shí)現(xiàn)恒張力的自動(dòng)控制系統(tǒng)，其作用主要是實(shí)現(xiàn)輥間的同步，收卷和放卷的均勻控制，工藝方面要求如下：

　　l 在設(shè)備起動(dòng)，恒速運(yùn)行，停機(jī)整個(gè)過程中都能保持恒張力;

　　l 在纏繞類收放卷設(shè)備中，剛起動(dòng)空卷時(shí)和停機(jī)前滿卷時(shí)都能保持恒張力;

　　l 張力大小可以自由設(shè)定，系統(tǒng)能顯示實(shí)際卷徑大小。

　　5. 張力控制系統(tǒng)的方案

　　目前市場上使用的張力控制方案主要有以下四種(見表1)。

　　通過變頻調(diào)速技術(shù)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速快慢或控制電機(jī)力矩大小來實(shí)現(xiàn)恒張力是目前市場上應(yīng)用最先進(jìn)的方案。深圳市英威騰電氣股份有限公司自主研發(fā)的張力控制專用產(chǎn)品目前有GD35-07和GD200A-03二款，為收放卷及其它需要恒張力控制的場合提供全套解決方案。

　　二、 英威騰張力控制產(chǎn)品GD35-07概述

　　1. 產(chǎn)品概述

　　GD35-07系列產(chǎn)品是深圳市英威騰電氣股份有限公司針對張力控制場合研發(fā)的專用變頻調(diào)速產(chǎn)品，軟件內(nèi)含多種張力控制功能模塊，采用閉環(huán)矢量控制有很好轉(zhuǎn)矩和速度控制性能，保證機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、響應(yīng)迅速，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小的要求。該產(chǎn)品具有以下技術(shù)特點(diǎn)：

　　A低頻性能好：啟動(dòng)頻率/啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩在0Hz/200%;

　　B強(qiáng)過載能力：150%額定電流60s，180%額定電流10s，200%額定電流1s;

　　C內(nèi)置C3濾波器，防干擾能力更強(qiáng);

　　D變頻內(nèi)置過流，過壓，缺相，過熱等幾十種保護(hù)功能，保障設(shè)備安全運(yùn)行;

　　E功能強(qiáng)大：軟件內(nèi)置轉(zhuǎn)矩控制和速度控制二種功能運(yùn)算模塊，方便實(shí)現(xiàn)多種控制功能。

　　2. 張力速度控制簡述

　　張力速度模式典型應(yīng)用如圖4，適用于設(shè)備配有張力檢測反饋裝置的場合，變頻器根據(jù)張力給定和張力反饋信號(hào)做PID運(yùn)算，實(shí)時(shí)調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速保證線速度同步和張力恒定。在用張力擺桿或浮動(dòng)輥?zhàn)龇答仌r(shí)可通過改變PID給定值改變張力大小，也可通過改變機(jī)械配重來調(diào)整張力大小。典型應(yīng)用設(shè)備有雙變頻拉絲機(jī)。速度控制時(shí)軟件內(nèi)部運(yùn)算邏輯如圖5所示。

　　從圖5可知速度控制模式主要由PID計(jì)算模塊，線速度處理模塊，卷徑計(jì)算等模塊組成。線速度信號(hào)一般通過AI或HDI接口輸入，經(jīng)過加減速時(shí)間延時(shí)形成當(dāng)前線速度信P19.09，卷徑計(jì)算模塊根據(jù)選擇的計(jì)算方法和相關(guān)工藝參數(shù)算出當(dāng)前卷徑P26.14,當(dāng)前線速度信號(hào)和當(dāng)前卷徑相除得出基本運(yùn)行頻率P19.05，PID計(jì)算模塊根據(jù)PID反饋信號(hào)算出微調(diào)頻率P19.06.基本頻率和PID微調(diào)頻率相加形成當(dāng)前電機(jī)運(yùn)行頻率，保證設(shè)備實(shí)時(shí)同步和線速恒定。

　　3. 張力轉(zhuǎn)矩控制簡述

　　張力轉(zhuǎn)矩模式典型應(yīng)用如圖6所示，適用于設(shè)備沒有加裝張力反饋裝置的場合。該模式可根據(jù)卷軸卷徑變化調(diào)整電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩大小來保持張力恒定，其轉(zhuǎn)速根據(jù)材料的線速度自動(dòng)變化。收卷電機(jī)需工作在有PG矢量模式下，所以電機(jī)需要加裝編碼器，該模式無需加裝張力反饋裝置使設(shè)備機(jī)械部分更簡單，適用于需要高精度張力控制的場合。典型應(yīng)用設(shè)備有：漿紗機(jī)、復(fù)合機(jī)械、分切機(jī)等。轉(zhuǎn)矩控制內(nèi)部控制邏輯如圖7所示。

　　轉(zhuǎn)矩控制模式主要由線速度處理，張力給定，卷徑計(jì)算，轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)裙δ艿饶K組成。線速度信號(hào)一般通過AI或HDI端口輸入，經(jīng)過加減速時(shí)間延時(shí)形成當(dāng)前線速度信號(hào)P19.09，卷徑計(jì)算模塊根據(jù)當(dāng)前線速度和選擇的計(jì)算方法算出當(dāng)前卷徑P26.14。張力給定信號(hào)一般能過AI端口輸入，經(jīng)過零速偏置和錐度計(jì)算形成實(shí)際張力給定值P19.16。轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償模塊根據(jù)設(shè)定的靜摩擦，動(dòng)摩擦補(bǔ)償系數(shù)算出轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償值P19.20。當(dāng)前卷徑P26.14乘給定張力P19.16得出基本輸出轉(zhuǎn)矩P19.19?；巨D(zhuǎn)矩再和轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償值相加得出最終電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。

　　4. 英威騰GD35-07應(yīng)用舉例

　　國內(nèi)某機(jī)械公司生產(chǎn)的塑料制袋機(jī)共有8臺(tái)電動(dòng)機(jī)，其中6臺(tái)放卷，2臺(tái)牽引。放卷變頻器選用英威騰GD35-07產(chǎn)品，牽引選用英威騰GD100產(chǎn)品。設(shè)備加工材料為塑料薄膜，塑料制袋機(jī)機(jī)械傳動(dòng)框圖如圖8所示。

　　制袋機(jī)的功能是將多張薄膜加工成食品包裝袋。該設(shè)備先將6張薄膜復(fù)合成2張，2張薄膜然后壓在一起形成食品塑料袋的兩面，最后通過加熱設(shè)備完成袋子密封。該設(shè)備有張力反饋裝置所以6臺(tái)放卷采用速度張力控制模式，為保證控制精度放卷變頻工作在有PG矢量模式。PLC先發(fā)送線速度信號(hào)給2臺(tái)主機(jī)，放卷變頻跟蹤主機(jī)線速度信號(hào)和擺桿實(shí)時(shí)位置算出當(dāng)前運(yùn)行頻率保持設(shè)備線速度同步。

　　塑料制袋機(jī)從投入生產(chǎn)以來一直處于24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)，張力控制非常穩(wěn)定，生產(chǎn)出來的產(chǎn)品的質(zhì)量過硬，為客戶產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益，證明了英威騰GD35變頻器在產(chǎn)品性能與可靠性方面完全可以滿足薄膜收、放卷設(shè)備的生產(chǎn)要求。

　　三、 英威騰張力控制產(chǎn)品GD200A-03概述

　　1. 產(chǎn)品概述

　　GD200A-03系列產(chǎn)品是在英威騰GD200A系列高性能矢量變頻器的硬件控制平臺(tái)與核心算法基礎(chǔ)上，結(jié)合線纜行業(yè)拉絲機(jī)對變頻器的特殊要求，開發(fā)出來的一款專用產(chǎn)品。軟件內(nèi)置斷線檢測、卷徑計(jì)算、抱閘控制、零位變換等拉絲機(jī)專用功能模塊。采用高性能無PG矢量控制技術(shù)保證電機(jī)良好低頻控制性能。軟件內(nèi)置多種應(yīng)用宏，使調(diào)試步驟更簡單。該產(chǎn)品廣泛用于大型、中型、小型及微型拉絲機(jī)的恒速控制，這里以小型雙變頻拉絲機(jī)為例進(jìn)行介紹。

　　2. 雙變頻拉絲機(jī)簡介

　　雙變頻拉絲機(jī)一般由水箱、塔輪、收線機(jī)構(gòu)、張力擺桿、放線機(jī)構(gòu)、顯示儀表等組成。拉絲機(jī)的作用是將直徑較粗的金屬線材加工成直徑較細(xì)的線材。日常生活中通過拉絲機(jī)加工的產(chǎn)品隨處可見：電纜、鐵絲、漆包線、鋼絲繩等。

　　拉絲機(jī)對變頻要如下：

　　l 收線盤卷徑變化時(shí)PID控制要穩(wěn)定;

　　l 動(dòng)態(tài)響應(yīng)要快，控制精度要高;

　　l 主機(jī)和從機(jī)要保證線速度實(shí)時(shí)同步。

　　3. 控制方案

　　雙變頻拉絲機(jī)一般由兩臺(tái)變頻器控制分別為拉絲變頻和收卷變頻，拉絲變頻控制水箱主電機(jī)帶動(dòng)線材在塔輪模具里移動(dòng)，完成線徑由粗變細(xì)過程。收卷變頻根據(jù)張力擺桿反饋的0-10V信號(hào)和主機(jī)送過來的0-10V線速度信號(hào)計(jì)算當(dāng)前運(yùn)行頻率，實(shí)時(shí)調(diào)整收卷電機(jī)轉(zhuǎn)速保持設(shè)備在加速、恒速、減速過程中線速度同步?？刂圃韴D如圖9所示。

　　4. 電氣原理如他10所示。

　　拉絲機(jī)主機(jī)速度由外接電位器AI2給定，主機(jī)AO1輸出運(yùn)行頻率到從機(jī)AI3作為線速度給定。張力擺桿電位器信號(hào)接從機(jī)AI2，從機(jī)根據(jù)主機(jī)線速度和擺桿電位器信號(hào)算出當(dāng)前運(yùn)行頻率。主機(jī)和從機(jī)都采用端子控制，從機(jī)加減速時(shí)間一般設(shè)為0.1秒。從機(jī)有卷徑計(jì)算卷徑復(fù)位按鈕，收線盤換空盤以后通過此信號(hào)讓軟件內(nèi)部計(jì)算的卷徑清零。

　　GD200A-03雙變頻拉絲機(jī)同步方案技術(shù)成熟、調(diào)試簡單、穩(wěn)定可靠、經(jīng)過市場驗(yàn)證完全滿足拉絲行業(yè)應(yīng)用需求。

　　四、 結(jié)束語

　　英威騰GD35-07和GD200A-03系列張力控制產(chǎn)品已在紡織、包裝、線纜、印刷、造紙等行業(yè)大規(guī)模應(yīng)用，其成功解決了傳統(tǒng)控制方案系統(tǒng)復(fù)雜，自動(dòng)化程度低，維護(hù)成本高等諸多難題，體現(xiàn)了英威騰公司在張力控制領(lǐng)域豐富的技術(shù)實(shí)力。