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0前言

    變頻器(Variable-frequencyDrive，VFD)是應用變頻技術與微電子技術，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設備。變頻器主要由整流(交流變直流)、濾波、逆變(直流變交流)、制動單元、驅動單元、檢測單元微處理單元等組成。變頻器靠內部IGBT的開斷來調整輸出電源的電壓和頻率，根據電機的實際需要來提供其所需要的電源電壓，進而達到節能、調速的目的，另外，變頻器還有很多的保護功能，如過流、過壓、過載保護等等。隨著工業自動化程度的不斷提高，變頻器也得到了非常廣泛的應用。20世紀80年代中后期，美、日、德、英等發達國家的VVVF變頻器技術實用化，商品投入市場，得到了廣泛應用。最早的變頻器可能是日本人買了英國專利研制的。不過美國和德國憑借電子元件生產和電子技術的優勢，高端產品迅速搶占市場。

    自動恒張力控制器是通過接收兩只張力檢測器傳送的信號，經控制器與設定張力比較，輸出控制磁粉離合器，制動器，力矩電機或伺服電機，實現自動控制放卷或收卷長尺寸大卷徑材料張力的設備。自動恒張力控制器的工作原理為兩只張力檢測器測量到實際目標(即測量張力)，與人為設定設定所需的工作張力(即設定張力)相比較，如果兩個比較的張力相等時，張力控制器不調節輸出比例，而兩個比較的張力不等時，張力控制器將判斷測定張力大于或小于設定而相應的減小或增大輸出比例，從而使測量張力與設定張力保持動態平衡來實現恒張力。

    用變頻器做恒張力控制的實質是閉環矢量控制，即加編碼器反饋。對收卷來說，收卷的卷經是由小到大變化的，為了保證恒張力，所以要求電機的輸出轉距要由小到大變化。同時在不同的操作過程，要進行相應的轉距補償。即小卷啟動的瞬間、加速、減速、停車，大卷啟動時，要在不同卷經時進行不同的轉距補償，這樣就能使得收卷的整個過程很穩定，避免小卷時張力過大；大卷啟動時松紗的現象。

1張力控制變頻收卷的應用及工藝要求

1.1普通收卷裝置現狀

    紡織機械如：漿紗機、漿染聯合機、并軸機等設備都會有收卷的環節。傳統的收卷都是采用機械傳動，因為機械的同軸傳動對于機械的磨損是非常嚴重的，據了解，用于同軸傳動部分的機械平均壽命基本上是一年左右。而且經常要維護，維護的時候也是非常麻煩的,不僅浪費人力而且維護費用很高,給客戶帶來了很多的不便。尤其是紡織設備基本上是開機后不允許中途停車的，如發生意外情況需要停車會造成很大的浪費。在這種情況下，張力控制變頻收卷開始逐漸取代傳統的機械傳動系統。

    （1）張力設定在人機上設定，人性化的操作，單位為力的單位：牛頓。

    （2）使用先進的控制算法：卷徑的遞歸運算；空心卷徑激活時張力的線性遞加；張力錐度計算公式的應用；轉矩補償的動態調整等等。

    （3）卷徑的實時計算，精確度非常高，保證收卷電機輸出轉矩的平滑性能好。并且在計算卷徑時加入了卷徑的遞歸運算，在操作失誤的時候，能自己糾正卷徑到正確的數值。

    （4）因為收卷裝置的轉動慣量是很大的，卷徑由小變大時。如果操作人員進行加速、減速、停車、再激活時很容易造成爆紗和松紗的現象，將直接導致紗的質量。而進行了變頻收卷的改造后，在上述各種情況下，收卷都很穩定，張力始終恒定。而且經過PLC的處理，在特定的動態過程，加入一些動態的調整措施，使得收卷的性能更好。

    （5）在傳統機械傳動收卷的基礎上改造成變頻收卷，非常簡便而且造價低，基本上不需對原有機械進行改造。改造周期小，基本上兩三天就能安裝調試完成。

    （6）克服了機械收卷對機械磨損的弊端，延長機械的使用壽命。方便維護設備。

選擇合理PLC的型號，對于提高PLC控制系統的技術經濟指標起著重要作用。選擇機型的基本原則是在功能滿足要求的前提下，保證可靠，維護使用方便以及最佳功能價格比。

1.2張力控制變頻收卷的工藝要求

    （1）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。

    （2）在啟動小卷時，不能因為張力過大而斷紗；大卷啟動時不能松紗。

    （3）在加速、減速、停止的狀態下也不能有上述情況出現。

    （4）要求將張力量化，即能設定張力的大小（力的單位），能顯示實際卷徑的大小。

2變頻收卷的控制原理

2.1卷徑的計算原理

    根據：

    V1=V2

    可得收卷的卷徑。

    V1=ω1*R1,V2=ω2*Rx。

    因為在相同的時間內由測長輥走過的紗的長度與收卷收到的紗的長度是相等的。即L1/Δt=L2/Δt，Δn1*C1=Δn2*C2/i

    上式：Δn1---單位時間內牽引電機運行的圈數、Δn2---單位時間內收卷電機運行的圈數、C1---測長輥的周長、C2---收卷盤頭的周長、i---減速比。

    Δn1*π*D1=Δn2*π*D2/iD2=Δn1*D1*i/Δn2，

    Δn2=ΔP2/P2

    上式中：ΔP2---收卷編碼器產生的脈沖數、P2---收卷編碼器的線數。

    Δn1=ΔP1/P1

    取Δn1=1，

    即測長輥轉一圈，由霍爾開關產生一個信號接到PLC。

    可得：

    D2=D1*i*P2/ΔP2，

    D2為收卷盤頭的卷徑。

2.2收卷的動態特性

    要能保證收卷過程的平穩性，不論是大卷、小卷、加速、減速、激活、停車都能保證張力的恒定。需要進行轉矩的補償。整個系統要激活起來，首先要克服靜摩擦力所產生的轉矩，簡稱靜摩擦轉矩，靜摩擦轉矩只在激活的瞬間起作用；正常運行時要克服滑動摩擦力產生地滑動摩擦轉矩，滑動摩擦轉矩在運行當中一直都存在，并且在低速、高速時的大小是不一樣的。需要進行不同大小的補償，系統在加速、減速、停車時為克服系統的慣量，也要進行相應的轉矩補償，補償的量與運行的速度也有相應的比例關系。在不同車速的時候，補償的系數是不同的。即加速轉矩、減速轉矩、停車轉矩、激活轉矩；克服了這些因素，還要克服負載轉矩，通過計算出的實時卷徑除以2再乘以設定的張力大小，經過減速比折算到電機軸。這樣就分析出了收卷整個過程的轉矩補償的過程。總結:電機的輸出轉矩=靜摩擦轉矩(激活瞬間)+滑動摩擦轉矩+負載轉矩。

    （1）在加速時還要加上加速轉矩；

    （2）在減速時要減去減速轉矩。

    （3）停車時，因為是通過程控減速至設定的最低速，所以停車轉矩的補償同減速轉矩的處理。

2.3轉矩補償標準

    （1）靜摩擦轉矩的補償

因為靜摩擦轉矩只在激活的瞬間存在，在系統激活后就消失了。因此靜摩擦轉矩的補償是以計算后電機輸出轉矩乘以一定的百分比進行補償。

    （2）滑動摩擦轉矩的補償

滑動摩擦轉矩的補償在系統運行的整個過程中都是起作用的。補償的大小以收卷電機的額定轉矩為標準。補償量的大小與運行的速度有關系。所以在程序中處理時，要分段進行補償。

    （3）加減速、停車轉矩的補償

補償硬一收卷電機的額定轉矩為標準，相應的補償系數應該比較穩定，變化不大

2.4公式計算

    (1)已知空芯卷徑Dmin=200mm,Dmax=1200mm；線速度的最大值Vmax=90m/min,張力設定最大值Fmax=50kg(約等于500牛頓)；減速比i=9；速度的限制如下:因為:V=π*D*n/i(對于收卷電機)=>收卷電機在空芯卷徑時的轉速是最快的。所以:90=3.14*0.2*n/9=>n=1290r/min；

    (2)因為道變頻器工作在低頻時，交流異步電機的特性不好,激活轉矩低而且非線性。因此在收卷的整個過程中要盡量避免收卷電機工作在2HZ以下。因此:收卷電機有個最低速度的限制。計算如下:對于四極電機而言其同步轉速為:n1=60f1/p=>n1=1500r/min。=>2HZ/5HZ=N/1500=>n=60r/min。當達到最大卷徑時,可以求出收卷整個過程中運行的最低速。V=π*D*n/i=>Vmin=3.14*1。2*60/9=25.12m/min。張力控制時,要對速度進行限制，否則會出現飛車。因此要限速。

    (3)張力及轉矩的計算如下:如果F*D/2=T/I=>F=2*T*i/D對于22KW的交流電機,其額定轉矩的計算如下:T=9550*P/n=>T=140N。m。所以Fmax=2*140*9/0.6=4200N。(其中P為額定功率,n為額定轉速)。

2.4變頻器調試

    （1）先對電機進行自整定，將電機的定子電感、定子電阻等參數讀入變頻器。

    （2）將編碼器的信號接至變頻器，并在變頻器上設定編碼器的線數。然后用面板給定頻率和啟停控制，觀察顯示的運行頻率是否在設定頻率的左右波動。因為運用死循環矢量控制時，運行頻率總是在參考編碼器反饋的速度，最大限度的接近設定頻率，所以運行頻率是在設定頻率的附近震蕩的。

    （3）在程序中設定空芯卷徑和最大卷徑的數值。通過前面卷徑計算的公式算出電機尾部所加編碼器產生的最大脈沖量（P2）和最低脈沖量(P2)。通過算出的最大脈沖量對收卷電機的速度進行限定，因為變頻器用作張力控制時，如果不對最高速進行限定，一旦出現斷紗等情況，收卷電機會飛車的。最低脈沖量是為了避免收卷變頻器運行在2Hz以下，因為變頻器在2Hz以下運行時，電機的轉距特性很差，會出現抖動的現象。

    （4）通過前面分析的整個收卷的動態過程，在不同卷徑和不同運行速度的各個階段，進行一定的轉距補償.補償的大小，可以以電機額定轉距的百分比來設定。

3恒張力控制.

    自動張力控制器，主要由張力檢測器，高精度A/D，D/A轉換器，高性能單片機等組成。該自動恒張力控制器是根據張力檢測器測量到卷料的張力與設定的目標張力相比較后，經單片機PID運算自動調整D/A輸出從而改變磁粉離合，制動器的勵磁電流或伺服電機的轉矩來實現卷料的恒張力，可廣泛用于各種需對張力進行精密測控的場合，具有使用靈活和廣泛的適用性。特點:1.液晶顯示器可選擇中文或英文顯示2.自動與手動切換簡單方便3.張力檢測器布線簡單方便4.便捷的參數設置5.帶雙工位換軸輸出功能參數:測量精度:<±1牛頓采樣速度:100毫秒主輸出方式:DC0-3A恒電流輸出(適配負載阻抗8-12Ω)輔助輸出:DC0-5V(MAX10MA)模擬量信號輸出外形尺寸:245×155×140(mm)(寬×高×深)安裝尺寸:230×150×120(mm)(寬×高×深)電源:AC180-245V50/60Hz。所謂的張力控制，通俗點講就是要能控制電機輸出多大的力，即輸出多少牛頓。反應到電機軸即能控制電機的輸出轉距。

    真正的張力控制不同于靠前后兩個動力點的速度差形成張力的系統，靠速度差來調節張力的實質是對張力的PID控制，要加張力傳感器。而且在大小卷啟動、停止、加速、減速、停車時的調節不可能做到象真正的張力控制的效果，張力不是很穩定。肯定會影響生產出產品的質量。

4變頻收卷對變頻器性能的要求

    （1）變頻收卷的實質是要完成張力控制，即能控制電機的運行電流，因為三相異步電機的輸出轉距T=CmφmIa，與電流成正比。并且當負載有突變時能夠保證電機的機械特性曲線比較硬.所以必須用矢量變頻器，而且必須要加編碼器死循環控制。

    （2）市場上能進行張力控制變頻收卷的變頻器主要有:安川、艾默生、倫次等。艾默生TD3300就是一款收放卷專用的變頻器，臺達V+系列的變頻器正在推出自己的收放卷專用的變頻器，總結收放卷專用變頻器的很多主要功能和參數并且加入了自己的算法，具有自己的特點，加上臺達在全國的聯保服務能夠解決客戶的后顧之憂。應該是客戶不錯的選擇。

5結論

    本文對變頻器和張力控制器設計進行了詳細的說明，并對張力控制變頻收卷的控制原理進行了介紹，目前此控制系統能夠使得在紡織行業中收卷的整個過程運行平穩，有效的避免小卷時張力過大；大卷啟動時松紗的現象。