張力控制及多機聯動系統概述

一般在線纜、造紙、紡織印染、印刷、食品、薄膜生產中，在處理如線纜、紙張、絲、線、布、膜等材料，進行復卷、分切、排繞、復合、印刷時，都會用上卷殼及滾筒組成的加工生產線，在此類線上，常須實現各環節速度、張力同時受控的目標，即通常所說的張力控制及多機聯動系統。 為保證產品的質量和生產的效率及可靠性，目前國內常成套進口整套控制系統。為幫助各廠家完善設備、提高效率、降低成本、提高產品競爭力，我們精心設計制作了一系列張力控制及多機聯動系統，針對目前國內相關設備的設計、制造及進口設備、舊設備的改造更新，提出了現實張力伺服控制及多系統聯動的優化方案。

1.張力伺服控制系統組成

張力伺服控制系統常包含張力檢測單元、張力控制運算單元、張力錐度控制單元、伺服執行機構等。

2.張力檢測單元

張力伺服控制系統中所用的張力檢測單元一般為力傳感器式和氣壓浮輥式兩種。 力傳感器式張力檢測單元是通過檢測輪將卷料張力以微變形的方式反映到壓力傳感器上，然后通過應變檢出裝置檢出張力，再將信號經放大后送張力控制運算單元處理（如下圖）。由于傳感器自重及檢測輪及卷料的重量的存在，即使張力為零，力傳感器的輸出也不為零，而是隨傳感器安裝角度、檢測輥的重量及卷料的重量變化，因此必須調節傳感器的零位。基于此單元是以微變形檢測張力，因此當處于平衡態的系統受到較強擾動時，系統一般瞬間來不及發生反應，卷料上張力的變化幅值較大，對張力控制系統盡快重新進入平衡不利。 力傳感器檢測方式

氣壓浮輥式張力檢測單元通過對連接在檢測輥浮動擺臂上的氣缸氣壓的調節來檢測卷料的張力，當氣缸氣壓設定后，擺臂上的氣缸推力F1即為定值，如浮動輥上的卷料拉力2F（F為卷料張力）加擺輥重力的水平分量不能與F1平衡，則擺臂即偏離原來的位置，而使連接于擺臂端的電位器發生偏轉，忽略擺輥重力的影響，此偏轉即為實際張力與設定值的偏差。通過張力伺服系統控制糾偏后，浮動輥應停流在圖示的平衡位置，此時，擺輥重力的影響亦自然消除，實際卷料張力與期望值相等。處于平衡態的該類系統，當發生較強擾動時，如系統瞬間來不及發生反應，則卷料上的張力波動可暫時因浮動輥的偏擺而得到有效緩解。在某些機構中，圖中的氣缸可由彈簧及阻尼機構替代，從而演化為下圖所示的模式。

氣壓浮輥式張力檢測方式

浮輥式張力檢測方式

3.張力運算控制單元及張力錐度控制單元

在獲取張力反饋信號（來自力傳感器式張力檢測單元）或張力誤差信號（來自氣壓浮輥式張力檢測單元）以后，張力控制單元協同卷料的線速參考信號，決定控制單元的輸出。 張力運算控制單元的原理框圖如下： 張力錐度及張力初

張力錐度及張力初值含義如圖，圖中F是卷料半徑最小（等于卷芯半徑）時的實際張力，角α即為錐度角，當卷料半徑卷至x時，實際張力f由下式得到： f=F-（x-r）tgα 張力錐度角α的設置應使卷徑達到最大卷徑R時張力值不出現負值為限。 如果采用恒張力控制，則張力錐度為零。

4.張力執行機構

執行機構常有磁粉離合器、矢量變頻器、直流伺服系統、交流伺服系統等幾種，本專題中著重介紹MFC系列寬調速矢量變頻器、SC系列直流伺服系統及NC系列交流伺服系統作為張力執行機構和進行多機聯動控制的應用情況。 在中高檔張力控制及多機聯動系統中，由于更高的速度及生產工藝對張力控制提出了更高的要求，使得磁粉離合器已不能勝任該類系統的執行單元，目前進口的中高檔印刷機、分切機、復合機、印染機等均采用交、直流伺服系統。

5.MFC系列寬調速矢量變頻器用于張力控制及多機聯動系統的主傳動

在多機聯動系統中，由于生產線各運動部件的機械加工精度的限制，各部件的振動、摩擦阻力的變化常會造成對主傳動速度的擾動，主傳動的速度的過度波動常導致從動系統跟蹤精度下降乃至控制失敗。在這種機構中，主傳動的穩速能力已經成為收、放卷張力控制精度進一步提高的關鍵因素。隨著這類系統對主傳動的要求越來越高，主傳動經歷了普通電機——滑差電機——VVVF變頻驅動的發展。VVVF通用變頻器在5Hz以下就很難穩定工作，所以設備啟動時總是要經過一段速度波動時間，使張力控制及整機工作無法順利進入穩定狀態，并且在運行過程中遇到負載變化時，速度波動較大，直接影響產品質量。 MFC系列變頻器具有優秀的寬調速特性及穩速特性，它可驅動最普通的Y系列三相異步電機實現200倍以上的開環調速比，可以使您的設備從零速開始真正做到平滑升速，讓您的用戶一開機就能得到滿意的印刷包裝成品。在機器進入穩態后，MFC的速度控制精度可達0.2%，即使出現外部因素強烈變動帶來100%的負載變化（即負載轉矩在零轉矩至滿轉矩之間突變），MFC控制下的速度變化率也不超過額定速度的±1.5% 。 MFC系列寬調速變頻器是一種無速度傳感器的矢量變頻器，它具有進口矢量變頻器所不能比擬的參數自適應能力，MFC是變頻器中的“傻瓜機”，它真正做到了免調試，它的高性能不依賴調試水平的高低，而是與生俱來的，每個人都是MFC的使用專家！

MFC獨有的快速反應性能亦是設備生產廠家期待已久的。通過簡單地改變升降速梯度，可使電機在0.1—0.2秒內由零速度升到額定轉速，并且可以連續快速啟動、減速停機、換向，而且在整個過程中電機絕不過流！

MFC系列寬調速變頻器可廣泛應用于復卷機、分切機、復合機、連續輪轉印刷機、多色連續印刷機、制袋機等。由于MFC系列寬調速變頻器所配的電機為Y系列電機，因而配套價格低廉，免維護性能好，與傳統的滑差電機或進口矢量變頻器相比，具有明顯的性能、價格優勢。

下表是幾種主要控制模式變頻器的性能、特色比較：

6.MFC系列寬調速矢量變頻器用作張力控制的執行單元

不同于普通的VVVF變頻器，MFC系列寬調速矢量變頻器可以象伺服系統那樣用-10V～+10V的設定電壓直接控制廉價的Y系列三相異步電機的轉速和轉向，并且在電機速度過零時穩定運行實現平滑換向，同時，MFC系列變頻器具有很強的動態調節能力，用于收、放卷機構的張力控制閉環中，可平滑控制收、放卷張力，快速適應負載變化和整機線速度的變化。在放卷料卷在直徑由大變小的過程中，MFC可使放卷電機自動從拉料漸變為主動送料，而在以前，該控制必須采用價格昂貴的伺服系統，而較為廉價的磁粉制動器維護困難，并且必須配有助走電機以實現主動放卷。

7.SC系列直流伺服系統/NC系列交流伺服系統用作張力控制的執行單元

SC系列直流脈寬伺服系統是一類高性能的直流伺服系統，廣泛應用于各類要求快速相應、精密跟蹤的執行機構中。NC系列感應式交流伺服系統是基于交流調速原理的最新突破而開發的，它使廉價的感應電機達到了無刷直流電機或同步電機構成的交流伺服系統的運動指標，并且NC系列交流伺服系統的價格相當于同等伺服精度進口交流伺服系統價格的2/3～1/2，具有很強的競爭力。

8.多機聯動控制原理

多機聯動是基于對系統中的某一傳動機構的速度進行跟蹤而實現控制的，跟蹤方式可以是多種多樣的，如速度直接跟蹤伺服、位置隨動伺服、通過張力伺服控制器進行速度跟蹤等。

下圖是簡單的速度-張力聯動系統的示意圖，該結構廣泛應用于真空鍍膜機、復卷機、印刷機、線纜設備等，是該類設備的基礎結構和技術關鍵。其中，電機M2為主傳動電機，對它的速度控制決定了整條生產線的走料線速度，M1為放卷電機，系統通過張力伺服控制器和引入的主線速度信號及通過計算或測量得到的放卷卷料半徑來控制電機的旋轉速度，從而實現對主線速度的跟蹤。M3為收卷電機，它與放卷電機的區別是引入了收卷張力錐度，系統根據預先設定的初始張力、張力錐度、當前主線速度及通過計算或測量得到的收卷半徑來計算、控制收卷電機的旋轉速度。M4是一個獨立的速度跟蹤部件，如在線纜設備中的排纜機構，它實現速度跟蹤的方法是直接速度跟蹤，即根據收卷速度及跟蹤比例調節器進行線性跟蹤。如果M2電機的控制器為雙向驅動控制器，則整個系統成為可逆系統，即可正向走料也可反向退料。

在圖示聯動機構正常工作時，主動放卷M1和收卷M3系統中常有一個是處于發電狀態的，聯動控制系統將其發出的電能以泵能方式回饋至公用的直流母線供處于電動機狀態的分系統使用，因而系統同時還具備很好的節能效果。