变频器在卷染机恒张力恒定线速度控制系统的应用1.doc

本文着重进行了实现卷染机恒张力、恒线速控制系统的设计。通过可靠的数学分析，为系统的可靠运行提供依据，实现卷染机恒速、恒张力的控制，提高运行速度、减小头尾色差、实现低张力控制、减少机头布浪费。以两个高性能矢量变频器为传动单元，三菱FXPLC为逻辑控制器，嵌入式工控机和组态软件为数据监视记录器，组成双变频常温常压卷染机系统，实时完成卷径自动计算的变转矩、速度控制模式。无张力和运行速度传感器检测，无需布厚设置，系统通过自学习能轻松获得所有参数，系统自动记录上布圈数，来回无累计误差。
1引言随着染整厂多批量、小品种日益增多，卷染机以其占地小、控制方便、更换品种方便、染液浪费少、可进行水洗工艺加工和染色等优点，越来越受到欢迎。随着客户要求的不断提高，早先的卷染机性能已经不能达到生产要求，必须改进卷染机控制系统。控制织物在染色过程中经过染液的时间和带走染液的量恒定，使布匹手感好，经向和纬向无色差，防止织物伸长，改善吸色效果。本文结合可编程逻辑控制器、嵌入式工控机、变频器的高性能电流矢量控制，研究具有恒张力、恒线速、高效率、低成本、操作简单、维护方便的常温常压卷染机控制系统。卷染机控制系统通常分为：（1）直流控制(直流调速,直流制动)，特点是通过调节放卷电机的制动量来调节张力输出。缺点是直流机械传动同步性能不理想，无法实现恒线速、恒张力，对大卷装情况尤其突出。同时直流电动机的开启式结构，不能很好地适合印染厂潮湿（冬季滴水）、充满腐蚀性气体的恶劣环境。（2）液压控制（液压站,流量比例阀)，特点是通过调节放卷电机的流量比例阀来调节张力输出。存在问题一是国产液压件密封性能、可靠性差。二是进口的虽然质量可靠，但价格高、备件困难。（3）变频控制,分为单变频控制和双变频控制，单变频控制通过调节放卷电机的直流制动电压来调节张力输出；双变频控制通过调节放卷电机的输出力矩来调节张力输出。特点是交流电机具有密封性能好、过载能力强的特点，同时变频器技术基本成熟，价格下降，多单元交流传动在染整联合机组已经得到普遍应用。
2卷染机变频调速控制系统结构及特点

图1系统结构图
卷染机恒张力恒线速控制系统结构如图1。其优点有：（1）提高电机的低速特性和动态特性，在0.5Hz以下工作时，变频器也有100%的转矩输出。弥补了变频器低速时机械特性软的缺点，解决了大卷低速摆动不稳的情况。适当提高变频器的过载电流，就能达到与伺服电机类似的输出，与直流和液压系统比要简单可靠得多。（2）速度和力矩控制结合，在动态响应方面，速度控制要优于力矩控制，而在稳定性方面，力矩控制要优于速度控制。低速和加速时的控制模式采用速度控制，当速度稳定后，改为力矩控制方式。在力矩控制时，由于系统在运行的整个过程中都需要有张力，所以放卷侧的电机始终处于发电状态，变频器直流共母线的使用很好地解决了这个问题。
3恒张力恒线速的实现方式恒张力就是机器从运行到停止的整个过程中，织物在卷染机内所受的张力是恒定的。不管是加速、减速、匀速还是卷径变化。恒线速就是在没有人为干预速度的情况下，机器从放卷最大卷径到最小卷径的整个过程中，织物在卷染机内的线速度是恒定的。本项目以变频器为驱动元件，以PLC为逻辑控制器，以嵌入式工控机等组成的双变频常温常压卷染机，不需要检测器件来检测运行张力和运行速度，系统通过自学习获得所有参数，包括布厚、上布米数等。系统自动记录上布圈数，无累计误差。本课题提出了另一种控制方法，即采用变频器控制收放卷，收卷辊采用速度矢量控制，根据收卷辊卷径的变化输出不同的速度，确保主令速度的相对稳定。放卷辊采用矢量力矩控制方式，根据卷径的不同放卷辊输出不同的力矩，到达张力的恒定。其中放卷收卷棍没有固定，因为往复来回过程中前次的放卷本次是收卷，所以运行控制过程中收放卷辊的控制方式在不停的变化。3.1匀速运行时恒张力的实现恒张力的实现主要是随着卷径的变化，电机的转矩输出会跟着变化，如图2。现将系统分成系统匀速运行和系统有加速度运行两个状态来分析。

图2放卷辊放卷模型
假设V＝K恒定，根据受力分析扭矩平衡得:FR=TM+TF（1）得到静态方程:（2）其中：TM—电机输出力矩；TF—摩擦阻尼力矩；R—为当前半径；F—为当前系统张力。

图3收放卷示意图
不难看出，当系统匀速运行时只要给定力矩稳定，实际张力就稳定，但前提是卷径不能变化。在实际运行中卷径R是在不断变化的，因此只要能实际运算出卷径的变化就可以解决正常情况下的张力恒定控制。如图3，当放卷辊从R逐渐放到r时，由于是恒张力控制，F1=F2，而电机输出转矩MR和Mr的关系为:MR=F1×R;Mr=F2×r；；；由F1=F2得：（3）随着卷径的变化，电机输出转矩数字量是初始设定张力转矩数字量的卷径比倍。当放卷卷径随着时间不断变小，实际放卷电机输出转矩数字量在不断变小，即