张力综合

转速闭环与线速闭环张力闭环之探讨 【内容摘要】闭环系统、什么是转速闭环？什么是线速闭环？ 【关键词】闭环系统、转速闭环、线速闭环、张力闭环。 闭环系统 输出量直接或间接地反馈到输入端，形成闭环参与控制的系统称为闭环控制系统。闭环控制系统也叫反馈控制系统。 为了实现闭环控制，必须对输出量进行测量，并将测量的结果反馈到输入端与输入量进行相减得到偏差，再由偏差产生直接控制作用去消除偏差。整个系统形成一个闭环。 在闭环系统中被测信号（反馈信号）是电机轴上的转速信号被测元件安装在电机轴上，速度与电机同步，检测出的信号是用来控制电机转速的稳定。称之转速闭环。 而在闭环系统中被测信号（反馈信号）是在加工工作部件的前进速度中，信号被测元件安装在加工工作部件上，速度与加工工作部件速度同步，检测出的信号是用来控制加工工作部件的运行速度的稳定。称之线速闭环。 转速闭环与线速闭环各自的用途。 转速闭环顾名思义就是稳定设备本身的电机转速度，从而达到加工部件运行稳定的状态。转速闭环一般用于拉丝、挤塑、轧压、纺纱等初加工行业较为理想。也就是说，加工工作部件的运行速度（线速度）与电机的转速按一定比例一直保持不变的设备适用于转速闭环。 随着变频交流电机日趋完善，特别是数字脉冲对闭环的应用使得转速闭环凸显出它的缺憾。特别是卷绕型收卷机、收线机采用转速闭环后，都无法避免出现反应迟缓的现象。让我来转速闭环的工作原理，来分析出反应迟缓的原因。 请看下列的图示： 从图中不难看出，PI调节器输入量是速度给定电压Usn与速度反馈电压Ufn的偏差ΔU。当调速系统突加Usn启动时，电动机由于机械惯性转速要逐步加速，反馈电压Ufn亦要逐步建立，偏差电压ΔU=Usn—Ufn≈Ufn较大，使调节器的输出一开始就达到较大值，因而定子频率迅速上升，产生较大的电动力矩，电动机转速很快上升。由于PI调节器的存在，只要ΔU≠0，系统就会起调节作用，使转速继续上升，直到Ufn=Usn，ΔU=0，动态调节作用才停止。 当负载转矩TL1突增至TL2时，负载转矩大于电动机转矩而造成电动机转速下降，出现了动态速降Δη。此时转速负反馈电压增量ΔUfn=αnΔη，使调节器输入电压ΔU =ΔUfn，于是开始了比例积分调节过程。此时，PI调节器的比例控制作用UC2=UC1+KPΔU立即使频率产生一个增量，及时阻止转速下降。UC2的控制作用越强，最大动态速降Δηmax就越小。由于在调节过程的初、中期，速降Δη也较大，所以PI调节器的比例部分其主要作用。在调节过程的后期，Δη已很小，比例控制作用逐渐减弱。而这时积分部分经过一段时间的积累，积分调节作用逐渐增大，使转速进一步较快地回升。只要转速还没有回升到原先数值，ΔU仍大于零，调节作用就继续存在。转速回升，直至η= η1，ΔU =0，系统进入新的稳态运行。 从上述分析不难看出，转速反馈起主导作用。为了使系统能够稳态运行，它能迅速起调节作用。而速度给定电压处于固定、被动的状态。如果此时将速度给定电压设置于收线张力环内，该电压只能起到从动跟踪作用，无法起主导地位。更是其反应迟缓的致命弱点是变频器中的加速时间和减速时间的设置，一般至少要设置在0.3秒。这就延缓了带张力环的收卷机的反应时间，大大增加了调节时间，使张力环处于摆动状态。这种状态困扰了许多工程师和设计人员，尤其是在拉丝、挤塑等高速状态下的收卷机尤为突出。突加给定电压启动时，由于收卷变频器反应迟缓，张力轮可以摆动到下死点。有的设计师只能将下死点的故障行程开关取消，使其能够缓慢的回升。 在这里我们不能不谈一下转速与线速度的关系。 首先什么是转速？转速就是角速度。角速度的公式：ω=Φ/t=2π/T=2πf。 其中：Φ为角度 T为周期 F为频率 ω为角速度 其次什么是线速度，线速度的公式：V=s/t=2πR/T 其中s为弧长 R为半径 V为线速度 转速与线速度的关系就是：V=ωR=πD D为直径 从中可以看到，转速与频率有关，而线速度只与直径的长短有关。不难看出在转速不变的情况下，直径（盘径）越大，线速度越高。反之在线速度不变的情况下，直径（盘径）越大，转速则越低。因此，转速闭环其实就是阻碍了线速的稳定，要想得到线速的稳定，只有抛弃原有的转速闭环的理论，建立一个新的理论——线速闭环。 线速闭环从而解决了以上的困惑。线速闭环顾名思义就是不再用转速信号反馈，而用线速信号来控制反馈，这在闭环控制中是一大突破。实现线速闭环以后有效的防止了张力轮摆动，震荡等不稳定因素。线速闭环，在闭环系统中被测信号（反馈信号）是在加工工作部件的前进速度中，信号被测元件安装在加工工作部件上，速度与加工工作部件速度同步，检测出的信号是用来控制加工工作部件的运行速度的稳定。线速闭环的工作原理基本上和转速闭环大致相同，只是被测对象不同，因此从根本上改变了系统的性质。线速闭环中的转速不再起主导作用，线速闭环需要的是不断变化的转速，动态的转速。这在转速闭环中仅靠速度给定电压不断变化已经很难完成，只有线速闭环和速度给定电压（张力闭环）共同实现高精度的收线卷绕工作。 线速闭环，一般采用的是旋转编码器检测线速信号来反馈，实现高精度的控制。由于旋转编码器有1024个脉冲，对线速信号的误差特别敏感，因此能够做到高精度的稳定。在此基础上还实现了转速开环，在输入量和输出量之间的关系固定，且内部参数或外部负载扰动等因素对转速影响不大，稳定了系统，加快了响应，提高了从动跟踪。转速开环线速闭环同样也能对负载的扰动起到了快速响应。线速闭环对线速度来讲是起到了一个稳态运行，但对转速了说却是一个动态运行。由于卷绕盘径不断的增大，需要不断的调整输出来恒定线速度，对张力而言相对应的张力就成了主导信号，起到了主动作用。因此，张力不再是反应迟缓，摆动不稳。对此，我单位设计生产的高精度钽丝退火收线机，采用线速闭环控制，得到了全国各钽业事业部用户的极高评价。 在线速度较高的场合下，设备对精度要求更高的场合，如果线速闭环对高速启动还不能满足要求的话，这就需要增加张力闭环控制来解决了。 张力开环和张力闭环各自的作用 张力控制也有张力开环转矩模式、张力闭环速度模式和张力闭环转矩模式三种控制模式。张力开环转矩模式具有不需安装张力传感器，同时可以节约张力传感器成本的优势，被广泛应用于张力控制要求不高的场合。但要求电机的最小输出转矩最好控制在电机额定转矩的10%以上。 在张力差别较大，选择电机时我们须按最大卷径和最大张力给定值来计算电机的额定输出转矩 （转矩指令公式T=F × D / 2 × i　 T : 为变频器的输出转矩指令； F: 为张力设定指令； D: 为卷筒的卷径； I: 为机械传动比） T=（3000 ×0.78） / （2 × 11.73）=100 N 　 那么电机的最小输出转矩则按最小卷径和最小张力给定值来计算： T=（800 ×0.11） / （2 × 11.73）=3.78 N 如果我们选择张力开环转矩模式，那么要求电机的最小输出转矩只有电机额定输出转矩的2.7%（ 3.78N/140N），远低于10%的要求，这样我们在生产小张力时，要保证小卷径的收卷张力恒定是很困难的。也就是说在作张力控制时既要求张力恒定，又要求张力可调范围要大，使用张力开环转矩模式是很难达到控制要求的。 速度模式下的张力闭环控制是通过调节电机转速达到张力恒定的。首先由带（线）的线速度和卷筒的卷径实时计算出同步匹配频率指令，然后通过张力检测装置反馈的张力信号与张力设定值构成PID闭环，调整变频器的频率指令。 同步匹配频率指令的公式如下： F=（V×p×i）/（π×D） 其中：F——变频器同步匹配频率指令； V——材料线速度； p——电机极对数（变频器根据电机参数自动获得）； i——机械传动比； D——卷筒的卷径 变频器的品牌不同、设计者的用法不同，获得以上各变量的途径也不同，特别是材料的线速度（V）和卷筒的卷径（D），计算方法多种多样。 这种控制模式下要求变频器的PID调节性能要好，同步匹配频率指令要准确，这样系统更容易稳定，否则系统就会震荡、不稳定。这种模式多用在拉丝机的连拉和轧机的连轧传动控制中。 若采用转矩控制模式，当材料的机械性能出现波动，就会出现拉丝困难，轧机轧不动等不正常情况。 那么控制只能选择张力闭环模式，张力闭环模式又分张力闭环速度模式和张力闭环转矩模式。张力闭环速度模式虽对PID参数有一定的依赖性，但相对于张力闭环转矩模式而言，调试要相对简单，且完全能达到控制要求。因此建议采用张力闭环速度模式，在收卷辊和压纱辊之间增加张力传感器（24V DC电源、4---20mA电流信号输出）、张力辊和角度辊，通过张力传感器的信号反馈实现张力闭环控制，从而达到收卷张力恒定的目的。 <>   作者：佚名　来源： 浏览次数：531　时间：2008-09-19 10:06:11   摘要：本文从应用的角度阐述了当前技术条件下，矢量变频技术在卷取传动中运用和设计的方法和思路。有较强的实用性和理论指导性。关键词：张力 变频 矢量 转矩 卷径引言：在工业生产的很多行业，都要进行精确的张力控制，保持张力的恒定，以提高产品的质量。诸如造纸、印刷印染、包装、电线电缆、光纤电缆、纺织、皮革、金属箔加工、纤维、橡胶、冶金等行业都被广泛应用。在变频技术还没有成熟以前，通常采用直流控制，以获得良好的控制性能。随着变频技术的日趋成熟，出现了矢量控制变频器、张力控制专用变频器等一些高性能的变频器。其控制性能已能和直流控制性能相媲美。由于交流电动机的结构、性价比、使用、维护等很多方面都优于直流电动机，矢量变频控制正在这些行业被越来越广泛的应用，有取代直流控制的趋势。张力控制的目的就是保持线材或带材上的张力恒定，矢量控制变频器可以通过两种途径达到目的：一、通过控制电机的转速来实现；另一种是通过控制电机输出转矩来实现。速度模式下的张力闭环控制速度模式下的张力闭环控制是通过调节电机转速达到张力恒定的。首先由带（线）的线速度和卷筒的卷径实时计算出同步匹配频率指令，然后通过张力检测装置反馈的张力信号与张力设定值构成PID闭环，调整变频器的频率指令。同步匹配频率指令的公式如下：F=（V×p×i）/（π×D）其中：F 变频器同步匹配频率指令 V 材料线速度 p 电机极对数（变频器根据电机参数自动获得） i 机械传动比 D 卷筒的卷径变频器的品牌不同、设计者的用法不同，获得以上各变量的途径也不同，特别是材料的线速度（V）和卷筒的卷径（D），计算方法多种多样，在此不一一列举。这种控制模式下要求变频器的PID调节性能要好，同步匹配频率指令要准确，这样系统更容易稳定，否则系统就会震荡、不稳定。这种模式多用在拉丝机的连拉和轧机的连轧传动控制中。若采用转矩控制模式，当材料的机械性能出现波动，就会出现拉丝困难，轧机轧不动等不正常情况。转矩模式下的张力控制一、转矩模式下的张力开环控制在这种模式下，无需张力检测反馈装置，就可以获得更为稳定的张力控制效果，结构简洁，效果较好。但变频器需工作在闭环矢量控制方式，必须安装测速电机或编码器，以便对电机的转速做精确测量反馈。转矩的计算公式如下：T=（F×D）/（2×i）其中：T 变频器输出转矩指令 F 张力设定指令 i 机械传动比 D 卷筒的卷径电机的转矩被计算出来后，用来控制变频器的电流环，这样就可以控制电机的输出转矩。所以转矩计算非常重要。这种控制多用在对张力精度要求不高的场合，在我鑫科公司就有广泛的应用。如精带公司的脱脂机、气垫炉的收卷控制中都采用了这中控制模式。二、转矩模式下转矩模式下的张力开环控制张力闭环控制是在张力开环控制的基础上增加了张力反馈闭环调节。通过张力检测装置反馈张力信号与张力设定值构成PID闭环调节，调整变频器输出转矩指令，这样可以获得更高的张力控制精度。其张力计算与开环控制相同。不论采用张力开环模式还是闭环模式，在系统加、减速的过程中，需要提供额外的转矩用于克服整个系统的转动惯量。如果不加补偿，将出现收卷过程加速时张力偏小，减速时张力偏大，放卷过程加速时张力偏大，减速时张力偏小的现象。这种控制模式多用在造纸、纺织等卷取微张力控制的场合下。在我公司尚无需这种控制。卷径计算在所有的模式中都需要用到卷筒的卷径，大家知道，在生产过程中开卷机的卷径是在不断变小，卷取机的卷径在不断变大，也就是说转矩必须随着卷径的变化而变化，才能获得稳定的张力控制。可见卷筒的卷径计算是多么地重要。卷径的计算有两中途径：一种是通过外部将计算好的卷径直接传送给变频器，一般是在PLC中运算获得。另一种是变频器自己运算获得，矢量控制型变频器都具有卷径计算功能，在大多数的应用中都是通过变频器自己运算获得。这样可以减少PLC程序的复杂性和调试难度、降低成本。变频器自己计算卷径的方法有三种：1、 速度计算法：通过系统当前线速度和变频器输出频率计算卷径。其公式如下：D=（i×V）/（π×n） D 所求卷径 I 机械传动比 n 电机转速 V 线速度当系统运行速度较低时，材料线速度和变频器输出频率都较低，较小的检测误差就会使卷径计算产生较大的误差，所以要设定一个最低线速度，当材料线速度低于此值时卷径计算停止，卷径当前值保持不变。此值应设为正常工作线速度以下。多数应用场合下的变频器都使用这种方法进行卷径计算。2、 度积分法：根据材料厚度按卷筒旋转圈数进行卷径累加或递减，对于线材还需设定每层的圈数。这种方法计算要求输入材料厚度，若厚度是固定不变的，可以在变频器中设定。此方法在单一产品的生产场合被广泛应用。若厚度是需要经常变化的，需要通过人机界面HMI或智能仪将厚度信号传送到PLC，由PLC或仪表进行运算后再传送给变频器。这种计算方法可以获得比较精确的卷径。在一般的国产设备上应用较少，我公司的进口设备，气垫炉的收、放卷控制上就采用这种计算方式。3、 模拟量输入当选用外部卷径传感器时，卷径信号通过模拟输入口输入给变频器。由于卷径传感器的性能、价格、使用环境等原因，在国内鲜有使用。结束语：矢量变频技术在卷取应用中的方法多种多样，在当前技术条件下，上述模式是最具有代表性的。无论是设计还是维修，了解你所使用设备的工作模式和控制特点是非常重要的。变频技术还在高速发展，新的理论和控制技术将不断涌现，控制模式还将继续推陈出新。我们期待着更先进、更实用的技术不断出现，以此来改变我们的生活。 浅谈旋转编码器在线速度检测控制中的应用 时间：2011-10-14 09:58 作者：网络 来源：网络 引言 该项目是为某电缆厂的技术改造项目，要改造的设备是利用束线原理制造的盘绞式成缆机，改造的内容是更换全部电气控制系统。这种成缆机的放线盘固定，而收线盘固定在盘绞架上同时完成绞合和收线的双重运动。工作时，在线缆盘直流电机的带动下，完成电缆的收线运动，在排线电机的带动下实现电缆在收线盘的整齐排列。在大盘电机的带动下，通过齿轮箱带动盘绞架实现轴向旋转，完成电缆绞合运动，是保证节距的关键。线速度是由收线盘的旋转速度决定的，如果收线电机的转速恒定，收线盘随着收线轴的变粗，线速度会增大，因此，为保证收线速度恒定，要逐渐降低收线电机的转速。 1 系统设计原理 根据电缆的生产工艺要求，不同型号的电缆，其走线速度是恒定的。通常，电缆的运行速度是由电缆带动旋转编码器来检测的。电缆线速度测速示意图如图1所示。 该项目中，采用的旋转编码器的型号是TRDJ1000系列，旋转一周输出1 000个脉冲。因此，根据在一定时间内检测到的脉冲数，就可以计算出电缆的走线速度。实际应用中，将其与一加工精度极高、周长为500 mm的旋转编码器测量主动轮与旋转编码器同轴安装，主动轮与电缆接触。在电缆生产运动过程中，依靠摩擦力拉动测量轮旋转，这样就把电缆的直线位移(长度)转化为旋转编码器的脉冲数字信号输出。 设旋转编码器每旋转一周，其计数脉冲个数为NP(脉冲个数/转)，则旋转编码器角分辨率(单位：(°)/个)为： P=360/NP 假定固定在旋转编码器转轴上的主动导向轮半径为r m，则旋转编码器位移分辨率(单位：m/个)为： Ps=27πr/NP 这时，若计数脉冲个数为N(个)，则由旋转编码器测量的位移量S(单位：m)为： S=Ps·N 线缆走线速度V(单位：m/s)为： V=S/T 式中：T为接收N个脉冲所用的时间(单位：s)。 2 硬件电路设计原理 该检测电路以AT89C51单片机为控制核心，如图2所示，旋转编码器输出的脉冲，经过电平转换，变成O～5 V的TTL电平脉冲，送到AT89 C51单片机的外部中断INT0端。每收到一个脉冲，单片机中断一次，同时计数脉冲存储器加1，与脉冲值比较后，单片机的P0口输出给定值数字量，再经过D/A转换变成给定值模拟量，送给收线电机调速器，控制电机转速。这里的D/A转换芯片采用8位数据输入，四路模拟量输出的TLC7226IDW。如果需要提高电机转速控制精度，可以选用其他10位、12位数据输入的D/A转换芯片。 工作时，当收线电机带动电缆运动时，带动旋转编码器的主动轮旋转，从而旋转编码器旋转，输出脉冲。该脉冲送入光电耦合器，进行隔离、整形、电平转换，送给AT89C51的12脚，外部中断INTO进行脉冲计数。每接收到一个脉冲，单片机执行外部中断INT0子程序一次，脉冲计数存储器加1。例如，每间隔1 s读取一次，从而可以根据计数脉冲的个数，与标准脉冲数比较，因此，可以判断当前线速度的大小。 线速度的计算方法如下： 例如，要求线速度V为0.1 m/s。 旋转编码器每秒输出脉冲数=V·Np/C 其中：C为旋转编码器主动轮周长(单位：m)。所以，线速度为O.1 m/s时，旋转编码器每秒输出标准脉冲数=0.1×1000/0.5=200个/s。 3 软件设计 在定时器中断中运行，在计时子程序中，每秒执行一次。即查询每秒收到的脉冲数是否与标准脉冲相同。该线速度控制子程序如图3所示。 首先，读脉冲计数存储器的数值，与标准脉冲数比较，等于标准脉冲，脉冲计数存储器数值清零，说明此时走线速度等于标准速度;若大于标准脉冲数，说明线速度大于标准线速度，因此，必须使调速器给定值减1，使得收线电机转速减低;若小于标准脉冲数，说明线速度小于标准线速度，必须使调速器给定值加1，使得收线电机转速增加，从而形成闭环线速度控制反馈系统，控制收线电机旋转速度，使得线速度保持恒定。 本文来自: 赛微电子网-电子工程师社区 原文地址：