摘 要：本文針對臺達(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)合臺達(dá)機(jī)電產(chǎn)品自身的特點(diǎn)和優(yōu)勢設(shè)計了成熟、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。不僅對方案本身的控制原理做非常詳細(xì)的分析和闡述，同時結(jié)合成功的應(yīng)用案例進(jìn)行說明。
關(guān)鍵詞：同步傳動 恒張力 中達(dá)機(jī)電

1 引言

在傳統(tǒng)的電力拖動領(lǐng)域，同步控制、張力控制是非常經(jīng)典的控制環(huán)節(jié)。同時因?yàn)榭刂茖ο蟆⒐に囈蠹翱刂凭取⑿Ч牟煌嬖谙鄳?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。臺達(dá)機(jī)電產(chǎn)品利用自身的特點(diǎn)及較高的性價比能夠?yàn)榭蛻籼峁┏墒臁⑼晟频耐胶蛷埩刂频姆桨负拖到y(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所示多級同步與張力控制框圖，整個系統(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)，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)。這就是傳統(tǒng)的同步控制系統(tǒng)。張力輥的同軸安裝一個電位器，電源為+5V電源，當(dāng)張力輥處于中間平衡位置時將電位器的輸出調(diào)整為0V，當(dāng)張力輥偏離平衡位置時，反饋信號即會有變化，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，相應(yīng)的同步控制器的輸出會減小或增大，自動調(diào)整變頻器的頻率，達(dá)到動態(tài)的平衡，使得張力輥始終在平衡位置附近輕微的擺動，起到同步的效果。

圖1 多級同步與張力控制系統(tǒng)框圖
張力控制通過張力傳感器實(shí)時檢測張力、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)張力的動態(tài)恒定。

2.2應(yīng)用領(lǐng)域

多級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)載變化較大的時候，電機(jī)的轉(zhuǎn)差率會加大，相應(yīng)張力輥會偏離平衡位置。相應(yīng)電機(jī)的速度會發(fā)生變化，如果是對同步的要求非常嚴(yán)格的場合，可能會有一定的局限性。同時因?yàn)樗俣冉o定及反饋都是模擬量信號，而且對于生產(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 基于臺達(dá)機(jī)電技術(shù)的張力傳動控制解決方案

3.1 開環(huán)張力閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)設(shè)計

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。

圖2 硬同步及開環(huán)張力閉環(huán)矢量控制方案
表1 臺達(dá)機(jī)電自動化平臺配置

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)，在每個單元的電機(jī)后加編碼器反饋，并將編碼器信號接入變頻器，形成閉環(huán)矢量控制。這樣電機(jī)的特性曲線會比較硬，能夠有效避免負(fù)載小變化時轉(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，同時有效避免了電氣耦合對模擬量信號的干擾。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

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單元之間的速度關(guān)系：Vn=Kdn*Vn-1+Kfn*Vn-1。整個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)備都會有收卷的環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的收卷都是采用機(jī)械傳動，因?yàn)闄C(jī)械的同軸傳動對于機(jī)械的磨損是非常嚴(yán)重的，據(jù)了解，用于同軸傳動部分的機(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)械傳動系統(tǒng)。

（2）張力控制變頻收卷的工藝要求

·在收卷的整個過程中都保持恒定的張力。張力的單位為：牛頓或公斤力。
·在啟動小卷時，不能因?yàn)閺埩^大而斷紗；大卷啟動時不能松紗。
·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。