1 引言

　　近年來隨著中國經濟的不斷發展，使得張力控制設備市場需求日益增加，也對張力控制的精度和設備和自動化程度提出更高要求。傳統的張力控制器加磁粉離合器的方案已不能滿足市場需要，變頻調速技術的誕生為張力控制設備的發展插上騰飛的翅膀，本文介紹了深圳市英威騰電氣股份有限公司張力控制專用產品的應用相關知識。

　　2 張力控制基本概念

　　1.什么是張力?

　　張力指的是材料表面的拉伸力，在工業生產的許多領域中，都需要進行精確的張力控制，保持驅動設備輸出恒定。

　　2.張力和扭矩、卷徑的關系

　　

圖 1 張力和扭矩的關系

　　如圖1所示F表示材料張力，T表示卷簡扭矩，D表示卷簡材料直徑(D=2×R)，關系如下：

　　F張力=T扭矩/R半徑

　　根據以上公式可知，不管材料速度如何變化，張力與扭矩和半徑的關系保持不變。因此控制好扭矩與卷簡的半徑關系就能保持材料張力F恒定。恒張力控制的基本原理就是讓電機輸出力矩根據卷簡材料直徑變化而變化。    

     3.張力控制兩種模式

　　轉矩控制：控制電機輸出力矩大小保持材料張力恒定，轉矩控制一般用于需要高精度的張力控制場合，如漿紗機、復合機、印刷機、分切機等。

　　圖 2 轉矩控制放卷

　　速度控制：通過調節電機轉速快慢控制恒張力。速度模式一般和張力調節輥配合使用，張力大小由外部調節輥調節。速度控制一般用于張力控制要求不高的場合，如拉絲機等。

圖 3 速度控制放卷

　　4.張力控制系統基本要求

　　張力控制系統是張力傳感器和張力控制器的一種系統集成，是一種實現恒張力的自動控制系統，其作用主要是實現輥間的同步，收卷和放卷的均勻控制，工藝方面要求如下：

　　? 在設備起動，恒速運行，停機整個過程中都能保持恒張力;

　　? 在纏繞類收放卷設備中，剛起動空卷時和停機前滿卷時都能保持恒張力;

　　? 張力大小可以自由設定，系統能顯示實際卷徑大小。

　　5.張力控制系統的方案

　　目前市場上使用的張力控制方案主要有四種(見表1)。

表 1 常用張力控制方案比較

　　通過變頻調速技術控制電機轉速快慢或控制電機力矩大小來實現恒張力，是目前市場上應用最先進的方案。深圳市英威騰電氣股份有限公司自主研發的張力控制專用產品目前有GD35-07和GD200A-03二款，為收放卷及其它需要恒張力控制的場合提供全套解決方案。

　　3 英威騰張力控制產品GD35-07概述

　　1.產品概述

　　GD35-07系列產品是深圳市英威騰電氣股份有限公司針對張力控制場合研發的專用變頻調速產品，軟件內含多種張力控制功能模塊，采用閉環矢量控制，有很好的轉矩和速度控制性能，保證滿足機械運轉平穩、響應迅速、轉矩脈動小的要求。該產品具有以下技術特點：

　　A. 低頻性能好：啟動頻率/啟動轉矩在0Hz/200%;

　　B. 強過載能力：150%額定電流60s，180%額定電流10s，200%額定電流1s;

　　C. 內置C3濾波器，防干擾能力更強;

　　D. 變頻內置過流，過壓，缺相，過熱等幾十種保護功能，保障設備安全運行;

　　E. 功能強大：軟件內置轉矩控制和速度控制兩種功能運算模塊，方便實現多種控制功能。

　　2.張力速度控制簡述

　　張力速度模式典型應用如圖4，適用于設備配有張力檢測反饋裝置的場合，變頻器根據張力給定和張力反饋信號做PID運算，實時調整電機轉速保證線速度同步和張力恒定。在用張力擺桿或浮動輥做反饋時可通過改變PID給定值改變張力大小，也可通過改變機械配重來調整張力大小。典型應用設備有雙變頻拉絲機。速度控制時軟件內部運算邏輯如圖5所示。　　

圖 4 速度控制典型應用

　

　圖 5 速度控制運算邏輯圖

　　從圖5可知速度控制模式主要由PID計算模塊、線速度處理模塊、卷徑計算等模塊組成。線速度信號一般通過AI 或HDI接口輸入，經過加減速時間延時形成當前線速度信P19.09，卷徑計算模塊根據選擇的計算方法和相關工藝參數算出當前卷徑P26.14，當前線速度信號和當前卷徑相除得出基本運行頻率P19.05，PID計算模塊根據PID反饋信號算出微調頻率P19.06，基本頻率和PID微調頻率相加形成當前電機運行頻率，保證設備實時同步和線速恒定。

      3.張力轉矩控制簡述

　　張力轉矩模式典型應用如圖6所示，適用于設備沒有加裝張力反饋裝置的場合。該模式可根據卷軸卷徑變化調整電機輸出轉矩大小來保持張力恒定，其轉速根據材料的線速度自動變化。收卷電機需工作在有PG矢量模式下，所以電機需要加裝編碼器，該模式無需加裝張力反饋裝置使設備機械部分更簡單，適用于需要高精度張力控制的場合。典型應用設備有：漿紗機、復合機械、分切機等。轉矩控制內部控制邏輯如圖7所示。

　

圖 6 轉矩控制典型應用

　

圖 7 轉矩控制運算邏輯

    轉矩控制模式主要由線速度處理，張力給定，卷徑計算， 轉矩補償等功能模塊組成。線速度信號一般通過AI或HDI端口輸入，經過加減速時間延時形成當前線速度信號P19 .09 ，卷徑計算模塊根據當前線速度和選擇的計算方法算出當前卷徑P26.14。張力給定信號一般能過AI 端口輸入，經過零速偏置和錐度計算形成實際張力給定值P19.16。轉矩補償模塊根據設定的靜摩擦、動摩擦補償系數算出轉矩補償值P19.20。當前卷徑P26.14乘給定張力P19.16得出基本輸出轉矩P19.19。基本轉矩再和轉矩補償值相加得出最終電機輸出轉矩。

　4.英威騰GD35-07應用舉例

　　國內某機械公司生產的塑料制袋機共有8臺電動機，其中6臺放卷，2臺牽引。放卷變頻器選用英威騰GD35-07產品，牽引選用英威騰GD100產品。設備加工材料為塑料薄膜，塑料制袋機機械傳動框圖如圖8所示。

圖 8 塑料制袋機機械傳動框圖

　　制袋機的功能是將多張薄膜加工成食品包裝袋。該設備先將6張薄膜復合成2張，2張薄膜然后壓在一起形成食品塑料袋的兩面，最后通過加熱設備完成袋子密封。該設備有張力反饋裝置，所以6臺放卷采用速度張力控制模式， 為保證控制精度放卷變頻工作在有PG矢量模式。PLC先發送線速度信號給2臺主機，放卷變頻跟蹤主機線速度信號和擺桿實時位置，算出當前運行頻率，保持設備線速度同步。

　　塑料制袋機從投入生產以來一直處于24小時連續運行狀態，張力控制非常穩定，生產出來的產品質量過硬，為客戶帶來了良好的經濟效益，證明了英威騰GD35變頻器在產品性能與可靠性方面完全可以滿足薄膜收、放卷設備的生產要求。

　　4 英威騰張力控制產品GD200A-03概述

　　1.產品概述

　　GD200A-03系列產品是在英威騰GD200A系列高性能矢量變頻器的硬件控制平臺與核心算法基礎上，結合線纜行業拉絲機對變頻器的特殊要求，開發出來的一款專用產品。軟件內置斷線檢測、卷徑計算、抱閘控制、零位變換等拉絲機專用功能模塊。采用高性能無PG矢量控制技術， 保證電機良好的低頻控制性能。軟件內置多種應用宏，使調試步驟更簡單。該產品廣泛用于大型、中型、小型及微型拉絲機的恒速控制場景中，這里以小型雙變頻拉絲機為例進行介紹。

　　2.雙變頻拉絲機簡介

　　雙變頻拉絲機一般由水箱、塔輪、收線機構、張力擺桿、放線機構、顯示儀表等組成。拉絲機的作用是將直徑較粗的金屬線材加工成直徑較細的線材。日常生活中通過拉絲機加工的產品隨處可見：電纜、鐵絲、漆包線、鋼絲繩等。

　　拉絲機對變頻要求如下：

　　? 收線盤卷徑變化時，PID控制要穩定;

　　? 動態響應要快，控制精度要高;

　　? 主機和從機要保證線速度實時同步。

　　3.控制方案

　　雙變頻拉絲機一般由兩臺變頻器控制，分別為拉絲變頻和收卷變頻，拉絲變頻控制水箱主電機帶動線材在塔輪模具里移動，完成線徑由粗變細過程。收卷變頻根據張力擺桿反饋的0-10V信號和主機送過來的0-10V線速度信號計算當前運行頻率， 實時調整收卷電機轉速， 保持設備在加速、恒速、減速過程中線速度同步。控制原理圖如圖9所示。

圖 9 雙變頻拉絲機控制原理

　　4.電氣原理如圖10所示。

　　拉絲機主機速度由外接電位器AI2給定，主機AO1輸出運行頻率到從機AI3作為線速度給定。張力擺桿電位器信號接從機AI2，從機根據主機線速度和擺桿電位器信號算出當前運行頻率。主機和從機都采用端子控制，從機加減速時間一般設為0.1秒。從機有卷徑計算卷徑復位按鈕，收線盤換空盤以后通過此信號讓軟件內部計算的卷徑清零。

　　GD200A- 03雙變頻拉絲機同步方案技術成熟、調試簡單、穩定可靠， 經過市場驗證完全滿足拉絲行業應用需求。

圖 10 雙變頻拉絲機電氣接線圖

　　5 結束語

　　英威騰GD35-07和GD200A-03系列張力控制產品已在紡織、包裝、線纜、印刷、造紙等行業大規模應用，其成功解決了傳統控制方案系統復雜，自動化程度低，維護成本高等諸多難題，體現了英威騰公司在張力控制領域豐富的技術實力。