在工業生產的很多行業都要進行精確的張力控制保持張力的恒定以提高產品的質量諸如造紙印刷印染包裝電線電纜光纖電纜紡織皮革金屬箔加工纖維橡膠冶金等行業都被廣泛應用在變頻技術還沒有成熟以前通常采用直流控制以獲得良好的控制性能隨著變頻技術的日趨成熟出現了矢量控制變頻器張力控制專用變頻器等一些高性能的變頻器其控制性能已能和直流控制性能相媲美由于交流電動機的結構性價比使用維護等很多方面都優于直流電動機矢量變頻控制正在這些行業被越來越廣泛的應用有取代直流控制的趨勢

張力控制的目的就是保持線材或帶材上的張力恒定矢量控制變頻器可以通過兩種途徑達到目的一通過控制電機的轉速來實現另一種是通過控制電機輸出轉矩來實現

速度模式下的張力閉環控制

速度模式下的張力閉環控制是通過調節電機轉速達到張力恒定的首先由帶（線）的線速度和卷筒的卷徑實時計算出同步匹配頻率指令然后通過張力檢測裝置反饋的張力信號與張力設定值構成PID閉環調整變頻器的頻率指令

同步匹配頻率指令的公式如下

F=（V×p×i）/（π×D）

其中F變頻器同步匹配頻率指令V材料線速度p電機極對數（變頻器根據電機參數自動獲得）i機械傳動比D卷筒的卷徑

變頻器的品牌不同設計者的用法不同獲得以上各變量的途徑也不同特別是材料的線速度（V）和卷筒的卷徑（D）計算方法多種多樣在此不一一列舉

這種控制模式下要求變頻器的PID調節性能要好同步匹配頻率指令要準確這樣系統更容易穩定否則系統就會震蕩不穩定這種模式多用在拉絲機的連拉和軋機的連軋傳動控制中若采用轉矩控制模式當材料的機械性能出現波動就會出現拉絲困難軋機軋不動等不正常情況

轉矩模式下的張力控制

一轉矩模式下的張力開環控制

在這種模式下無需張力檢測反饋裝置就可以獲得更為穩定的張力控制效果結構簡潔效果較好但變頻器需工作在閉環矢量控制方式必須安裝測速電機或編碼器以便對電機的轉速做精確測量反饋

轉矩的計算公式如下

T=（F×D）/（2×i）

其中T變頻器輸出轉矩指令F張力設定指令i機械傳動比D卷筒的卷徑

電機的轉矩被計算出來后用來控制變頻器的電流環這樣就可以控制電機的輸出轉矩所以轉矩計算非常重要這種控制多用在對張力精度要求不高的場合在我鑫科公司就有廣泛的應用如精帶公司的脫脂機氣墊爐的收卷控制中都采用了這中控制模式

二轉矩模式下轉矩模式下的張力開環控制

張力閉環控制是在張力開環控制的基礎上增加了張力反饋閉環調節

通過張力檢測裝置反饋張力信號與張力設定值構成PID閉環調節調整變頻器輸出轉矩指令這樣可以獲得更高的張力控制精度其張力計算與開環控制相同不論采用張力開環模式還是閉環模式在系統加減速的過程中需要提供額外的轉矩用于克服整個系統的轉動慣量如果不加補償將出現收卷過程加速時張力偏小減速時張力偏大放卷過程加速時張力偏大減速時張力偏小的現象

這種控制模式多用在造紙紡織等卷取微張力控制的場合下在我公司尚無需這種控制

卷徑計算

在所有的模式中都需要用到卷筒的卷徑大家知道在生產過程中開卷機的卷徑是在不斷變小卷取機的卷徑在不斷變大也就是說轉矩必須隨著卷徑的變化而變化才能獲得穩定的張力控制可見卷筒的卷徑計算是多么地重要卷徑的計算有兩中途徑一種是通過外部將計算好的卷徑直接傳送給變頻器一般是在PLC中運算獲得另一種是變頻器自己運算獲得矢量控制型變頻器都具有卷徑計算功能在大多數的應用中都是通過變頻器自己運算獲得這樣可以減少PLC程序的復雜性和調試難度降低成本

變頻器自己計算卷徑的方法有三種

1速度計算法

通過系統當前線速度和變頻器輸出頻率計算卷徑

其公式如下

D=（i×V）/（π×n）D所求卷徑I機械傳動比n電機轉速V線速度

當系統運行速度較低時材料線速度和變頻器輸出頻率都較低較小的檢測誤差就會使卷徑計算產生較大的誤差所以要設定一個最低線速度當材料線速度低于此值時卷徑計算停止卷徑當前值保持不變此值應設為正常工作線速度以下多數應用場合下的變頻器都使用這種方法進行卷徑計算

2度積分法

根據材料厚度按卷筒旋轉圈數進行卷徑累加或遞減對于線材還需設定每層的圈數

這種方法計算要求輸入材料厚度若厚度是固定不變的可以在變頻器中設定此方法在單一產品的生產場合被廣泛應用

若厚度是需要經常變化的需要通過人機界面HMI或智能儀表將厚度信號傳送到PLC由PLC或儀表進行運算后再傳送給變頻器這種計算方法可以獲得比較精確的卷徑在一般的國產設備上應用較少我公司的進口設備氣墊爐的收放卷控制上就采用這種計算方式

3模擬量輸入

當選用外部卷徑傳感器時卷徑信號通過模擬輸入口輸入給變頻器由于卷徑傳感器的性能價格使用環境等原因在國內鮮有使用

結束語

矢量變頻技術在卷取應用中的方法多種多樣在當前技術條件下上述模式是最具有代表性的無論是設計還是維修了解你所使用設備的工作模式和控制特點是非常重要的變頻技術還在高速發展新的理論和控制技術將不斷涌現控制模式還將繼續推陳出新我們期待著更先進更實用的技術不斷出現以此來改變我們的生活