1 引言

　　近年來隨著中國經(jīng)濟的不斷發(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)備和自動化程度提出更高要求。傳統(tǒng)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，本文介紹了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。

　　2 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，都需要進行精確的張力控制，保持驅(qū)動設(shè)備輸出恒定。

　　2.張力和扭矩、卷徑的關(guān)系

圖 1 張力和扭矩的關(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輸出力矩根據(jù)卷簡材料直徑變化而變化。    

     3.張力控制兩種模式

　　轉(zhuǎn)矩控制：控制電機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、復(fù)合機、印刷機、分切機等。

　　圖 2 轉(zhuǎn)矩控制放卷

　　速度控制：通過調(diào)節(jié)電機轉(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，如拉絲機等。

圖 3 速度控制放卷

　　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，是一種實現(xiàn)恒張力的自動控制系統(tǒng)，其作用主要是實現(xiàn)輥間的同步，收卷和放卷的均勻控制，工藝方面要求如下：

　　? 在設(shè)備起動，恒速運行，停機整個過程中都能保持恒張力;

　　? 在纏繞類收放卷設(shè)備中，剛起動空卷時和停機前滿卷時都能保持恒張力;

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

　　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四種(見表1)。

表 1 常用張力控制方案比較

　　通過變頻調(diào)速技術(shù)控制電機轉(zhuǎn)速快慢或控制電機力矩大小來實現(xiàn)恒張力，是目前市場上應(yīng)用最先進的方案。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。

　　3 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，有很好的轉(zhuǎn)矩和速度控制性能，保證滿足機械運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、響應(yīng)迅速、轉(zhuǎn)矩脈動小的要求。該產(chǎn)品具有以下技術(shù)特點：

　　A. 低頻性能好：啟動頻率/啟動轉(zhuǎn)矩在0Hz/200%;

　　B. 強過載能力：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;

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

　　E. 功能強大：軟件內(nèi)置轉(zhuǎn)矩控制和速度控制兩種功能運算模塊，方便實現(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做PID運算，實時調(diào)整電機轉(zhuǎn)速保證線速度同步和張力恒定。在用張力擺桿或浮動輥做反饋時可通過改變PID給定值改變張力大小，也可通過改變機械配重來調(diào)整張力大小。典型應(yīng)用設(shè)備有雙變頻拉絲機。速度控制時軟件內(nèi)部運算邏輯如圖5所示?！　?/p>

圖 4 速度控制典型應(yīng)用

　圖 5 速度控制運算邏輯圖

　　從圖5可知速度控制模式主要由PID計算模塊、線速度處理模塊、卷徑計算等模塊組成。線速度信號一般通過AI 或HDI接口輸入，經(jīng)過加減速時間延時形成當(dāng)前線速度信P19.09，卷徑計算模塊根據(jù)選擇的計算方法和相關(guān)工藝參數(shù)算出當(dāng)前卷徑P26.14，當(dāng)前線速度信號和當(dāng)前卷徑相除得出基本運行頻率P19.05，PID計算模塊根據(jù)PID反饋信號算出微調(diào)頻率P19.06，基本頻率和PID微調(diào)頻率相加形成當(dāng)前電機運行頻率，保證設(shè)備實時同步和線速恒定。

      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)材料的線速度自動變化。收卷電機需工作在有PG矢量模式下，所以電機需要加裝編碼器，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、復(fù)合機械、分切機等。轉(zhuǎn)矩控制內(nèi)部控制邏輯如圖7所示。

圖 6 轉(zhuǎn)矩控制典型應(yīng)用

圖 7 轉(zhuǎn)矩控制運算邏輯

    轉(zhuǎn)矩控制模式主要由線速度處理，張力給定，卷徑計算， 轉(zhuǎn)矩補償?shù)裙δ苣K組成。線速度信號一般通過AI或HDI端口輸入，經(jīng)過加減速時間延時形成當(dāng)前線速度信號P19 .09 ，卷徑計算模塊根據(jù)當(dāng)前線速度和選擇的計算方法算出當(dāng)前卷徑P26.14。張力給定信號一般能過AI 端口輸入，經(jīng)過零速偏置和錐度計算形成實際張力給定值P19.16。轉(zhuǎn)矩補償模塊根據(jù)設(shè)定的靜摩擦、動摩擦補償系數(shù)算出轉(zhuǎn)矩補償值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)矩補償值相加得出最終電機輸出轉(zhuǎn)矩。

　4.英威騰GD35-07應(yīng)用舉例

　　國內(nèi)某機械公司生產(chǎn)的塑料制袋機共有8臺電動機，其中6臺放卷，2臺牽引。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，塑料制袋機機械傳動框圖如圖8所示。

圖 8 塑料制袋機機械傳動框圖

　　制袋機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)送線速度信號給2臺主機，放卷變頻跟蹤主機線速度信號和擺桿實時位置，算出當(dāng)前運行頻率，保持設(shè)備線速度同步。

　　塑料制袋機從投入生產(chǎn)以來一直處于24小時連續(xù)運行狀態(tài)，張力控制非常穩(wěn)定，生產(chǎn)出來的產(chǎn)品質(zhì)量過硬，為客戶帶來了良好的經(jīng)濟效益，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。

　　4 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與核心算法基礎(chǔ)上，結(jié)合線纜行業(yè)拉絲機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、卷徑計算、抱閘控制、零位變換等拉絲機專用功能模塊。采用高性能無PG矢量控制技術(shù)， 保證電機良好的低頻控制性能。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、小型及微型拉絲機的恒速控制場景中，這里以小型雙變頻拉絲機為例進行介紹。

　　2.雙變頻拉絲機簡介

　　雙變頻拉絲機一般由水箱、塔輪、收線機構(gòu)、張力擺桿、放線機構(gòu)、顯示儀表等組成。拉絲機的作用是將直徑較粗的金屬線材加工成直徑較細的線材。日常生活中通過拉絲機加工的產(chǎn)品隨處可見：電纜、鐵絲、漆包線、鋼絲繩等。

　　拉絲機對變頻要求如下：

　　? 收線盤卷徑變化時，PID控制要穩(wěn)定;

　　? 動態(tài)響應(yīng)要快，控制精度要高;

　　? 主機和從機要保證線速度實時同步。

　　3.控制方案

　　雙變頻拉絲機一般由兩臺變頻器控制，分別為拉絲變頻和收卷變頻，拉絲變頻控制水箱主電機帶動線材在塔輪模具里移動，完成線徑由粗變細過程。收卷變頻根據(jù)張力擺桿反饋的0-10V信號和主機送過來的0-10V線速度信號計算當(dāng)前運行頻率， 實時調(diào)整收卷電機轉(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。

圖 9 雙變頻拉絲機控制原理

　　4.電氣原理如圖10所示。

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

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

圖 10 雙變頻拉絲機電氣接線圖

　　5 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，自動化程度低，維護成本高等諸多難題，體現(xiàn)了英威騰公司在張力控制領(lǐng)域豐富的技術(shù)實力。