基于臺(tái)達(dá)機(jī)電技術(shù)的同步與張力傳動(dòng)控制方案
| 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(wèn)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(zhǎng)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(shuō)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(kāi)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(jiǎn)單的利用同步控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)同步控制已越來(lái)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(lái)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 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(guò)張力傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)張力、通過(guò)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(guò)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(kāi)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(chǎng)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(zhǎng)，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(chǎng)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 3.1 開(kāi)環(huán)張力閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(guò)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?jī)蓚€(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。 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(guò)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?jī)蓡卧g的同步系數(shù)全部確定下來(lái)為止。 3.3開(kāi)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(lái)了很多的不便。尤其是紡織設(shè)備基本上是開(kāi)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(kāi)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(guò)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^(guò)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)定張力的大小(力的單位)，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(guò)PLC的處理，在特定的動(dòng)態(tài)過(guò)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(jiǎn)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(zhǎng)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) (1)變頻收卷的控制原理及調(diào)試過(guò)程 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(lái)計(jì)算收卷的卷徑。 因?yàn)閂1=ω1*R1, V2=ω2*Rx。(R1-測(cè)長(zhǎng)輥的半徑、Rx-收卷盤頭的半徑) 因?yàn)樵谙?nbsp;同的時(shí)間內(nèi)由測(cè)長(zhǎng)輥?zhàn)哌^(guò)的紗的長(zhǎng)度(L1、L2)與收卷收到的紗的長(zhǎng)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(zhǎng)輥的周長(zhǎng)、C2---收卷盤頭的周長(zhǎng)、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(zhǎng)輥直徑、D2—收卷盤頭卷徑). Δn1=ΔP1/P1取Δn1=1,即測(cè)長(zhǎng)輥轉(zhuǎn)一圈,由霍爾開(kāi)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(guò)程分析 要能保證收卷過(guò)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(lái),首先要克服靜摩擦力所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩,簡(jiǎn)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(guò)計(jì)算出的實(shí)時(shí)卷徑除以2再乘以設(shè)定的張力大小,經(jīng)過(guò)減速比折算到電機(jī)軸.這樣就分析出了收卷整個(gè)過(guò)程的轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)倪^(guò)程?？偨Y(jié):電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩=靜摩擦轉(zhuǎn)矩(激活瞬間)+滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)矩+負(fù)載轉(zhuǎn)矩.(a)在加速時(shí)還要加上加速轉(zhuǎn)矩;(b)在減速時(shí)要減去減速轉(zhuǎn)矩.(c)停車時(shí),因?yàn)槭峭ㄟ^(guò)程控減速至設(shè)定的最低速,所以停車轉(zhuǎn)矩的補(bǔ)償同減速轉(zhuǎn)矩的處理. (3)轉(zhuǎn)矩的補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn) • 靜摩擦轉(zhuǎn)矩的補(bǔ)償:因?yàn)殪o摩擦轉(zhuǎn)矩只在激活的瞬間存在,在系統(tǒng)激活后就消失了.因此靜摩擦轉(zhuǎn)矩的補(bǔ)償是以計(jì)算后電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩乘以一定的百分比進(jìn)行補(bǔ)償. • 滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)矩的補(bǔ)償:滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)矩的補(bǔ)償在系統(tǒng)運(yùn)行的整個(gè)過(guò)程中都是起作用的.補(bǔ)償?shù)拇笮∫允站黼姍C(jī)的額定轉(zhuǎn)矩為標(biāo)準(zhǔn).補(bǔ)償量的大小與運(yùn)行的速度有關(guān)系。所以在程序中處理時(shí)，要分段進(jìn)行補(bǔ)償。 • 加減速、停車轉(zhuǎn)矩的補(bǔ)償：補(bǔ)償硬一收卷電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩為標(biāo)準(zhǔn)，相應(yīng)的補(bǔ)償系數(shù)應(yīng)該比較穩(wěn)定，變化不大。 (4)系統(tǒng)計(jì)算公式 • 已知空芯卷徑Dmin=200mm,滿卷卷徑Dmax=1200mm;線速度的******值Vmax=90m/min,張力設(shè)定******值Fmax=50kg(約等于500牛頓);減速比i=9;速度的限制如下:因?yàn)?V=π*D*n/i(V-線速度、D-卷徑、n-轉(zhuǎn)速，對(duì)于收卷電機(jī))=>收卷電機(jī)在空芯卷徑時(shí)的轉(zhuǎn)速是最快的。所以:90=3.14*0.2*n/9=>n=1290r/min。 • 因?yàn)槲覀冎雷冾l器工作在低頻時(shí),交流異步電機(jī)的特性不好,激活轉(zhuǎn)矩低而且非線性。因此在收卷的整個(gè)過(guò)程中要盡量避免收卷電機(jī)工作在2HZ以下.因此:收卷電機(jī)有個(gè)最低速度的限制.計(jì)算如下:對(duì)于四極電機(jī)而言其同步轉(zhuǎn)速為:n1=60f1/p=>n1=1500r/min(f1-為額定頻率、p-為極對(duì)數(shù)、n1-同步轉(zhuǎn)速). =>2HZ/50HZ=N/1500=>n=60r/min。當(dāng)達(dá)到******卷徑時(shí),可以求出收卷整個(gè)過(guò)程中運(yùn)行的最低速.V=π*D*n/i=>Vmin=3.14*1.2*60/9=25.12m/min.張力控制時(shí),要對(duì)速度進(jìn)行限制,否則會(huì)出現(xiàn)飛車.因此要限速. • 張力及轉(zhuǎn)矩的計(jì)算如下:如果F*D/2=T/i(F--張力、D--卷徑、T--轉(zhuǎn)距、i--減速比),=>F=2*T*i/D對(duì)于22KW的交流電機(jī),其額定轉(zhuǎn)矩的計(jì)算如下:T=9550*P/n=>T=140N.m.(T-電機(jī)的額定轉(zhuǎn)距、P-電機(jī)的額定功率、n-為電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速)所以Fmax=2*140*9/0.6=4200N. (5)調(diào)試過(guò)程： • 先對(duì)電機(jī)進(jìn)行自整定，將電機(jī)的定子電感、定子電阻等參數(shù)讀入變頻器。 • 將編碼器的信號(hào)接至變頻器，并在 |
