摘 要：本文針對臺達機電關注的紡織、印染、造紙等重點行業中經典的同步控制、恒張力控制技術問題，結合臺達機電產品自身的特點和優勢設計了成熟、完善的同步控制和恒張力控制的方案，為長期困擾客戶的核心技術難點提供成熟、穩定、完善的控制方案。不僅對方案本身的控制原理做非常詳細的分析和闡述，同時結合成功的應用案例進行說明。
關鍵詞：同步傳動 恒張力 中達機電
1 引言
在傳統的電力拖動領域，同步控制、張力控制是非常經典的控制環節。同時因為控制對象、工藝要求及控制精度、效果的不同，存在相應的技術開發難點。同步控制廣泛的應用于紡織、印染、造紙等行業，因為這樣的控制要求，出現了例如中達同步控制器這樣的產品。但隨著客戶對設備技術含量和成本的要求，簡單的利用同步控制器來實現同步控制已越來越不能滿足客戶的要求，用人機、PLC、變頻器、伺服、直流調速等產品來集成精度更高的同步控制和恒張力控制已經成為新的技術趨勢。臺達機電產品利用自身的特點及較高的性價比能夠為客戶提供成熟、完善的同步和張力控制的方案和系統。
2 傳統同步控制及張力控制方案
2.1同步控制及張力控制控制原理
根據圖1所示多級同步與張力控制框圖，整個系統以1單元機架為主，1單元的速度為主給定乘以1通道的同步比例系數。即Out1=Kd1*Vo（其中Kd1為1通道同步比例系數，Vo為主給定）。Out2=Kd2*Vo+Kf2*Vf2(Kd2為2通道同步比例系數，Kf2為2通道反饋比例系數，Vf2為通道2反饋信號)，同理Out5=Kd5*Vo+Kf5*Vf5(Kd5為5通道同步比例系數，Kf5為5通道反饋比例系數，Vf5為通道5反饋信號)。這就是傳統的同步
控制系統。張力輥的同軸安裝一個電位器，電源為+5V電源，當張力輥處于中間平衡位置時將電位器的輸出調整為0V，當張力輥偏離平衡位置時，反饋信號即會有變化，變化的范圍在+5V之間，這樣反饋量乘以反饋系數，再加上同步比例系數乘以主給定，所得到的結果就是總輸出。因此當張力輥偏離平衡位置時，相應的同步控制器的輸出會減小或增大，自動調整變頻器的頻率，達到動態的平衡，使得張力輥始終在平衡位置附近輕微的擺動，起到同步的效果。
圖1 多級同步與張力控制系統框圖
張力控制通過張力傳感器實時檢測張力、通過張力控制器或PLC進行張力的PID運算，這種張力控制的實質是通過調整速差實現張力的動態恒定。
2.2應用領域
多級同步與張力控制系統廣泛地應用于紡織、印染、造紙等行業（染漿聯合機、印染設備）。
2.3缺點及不足分析
首先，可以看出該系統同步屬于開環控制，當負載變化較大的時候，電機的轉差率會加大，相應張力輥會偏離平衡位置。相應電機的速度會發生變化，如果是對同步的要求非常嚴格的場合，可能會有一定的局限性。同時因為速度給定及反饋都是模擬量信號，而且對于生產線比較長，設備安裝等不可預知的因素，可能會比較容易受到到各種電氣耦合的干擾，造成系統運轉不穩定。
張力控制采用PID，由于積分的作用，如果積分增益調整的不好，容易造成系統的振蕩或響應的滯后。對于PID運算的各參數要求較高。但在要求不是非常高的場合，該系統還是比較穩定的，應用也比較廣泛。
3 基于臺達機電技術的張力傳動控制解決方案
3.1 開環張力閉環矢量控制系統設計
硬同步及開環張力閉環矢量控制方案框圖參見圖2。系統配置參見表1。
圖2 硬同步及開環張力閉環矢量控制方案
表1 臺達機電自動化平臺配置
為了克服由于負載的變化造成電機轉差率變大，電機特性曲線偏軟的缺點，在每個單元的電機后加編碼器反饋，并將編碼器信號接入變頻器，形成閉環矢量控制。這樣電機的特性曲線會比較硬，能夠有效避免負載小變化時轉速及轉矩的下降。達到硬同步控制的效果。所有單元變頻器的頻率給定方式是通過RS485，這樣不僅省略了同步控制器，同時有效避免了電氣耦合對模擬量信號的干擾。系統運行更加的穩定而且成本也較低，控制效果也更好。
3.2 控制算法設計
速度同樣以1單元為主，在人機上設定的一般為線速度，要將線速度轉換成相應的頻率。由于1單元與2單元之間在機械方面的差異、傳送介質的打滑等因素的存在，勢必決定了1單元變頻器與2單元變頻器的運行頻率不可能完全一致，存在一定的系數關系。同理2單元與3單元、3單元與4單元、4單元與5單元之間、5單元與6單元之間也存在不同的系數關系。依據如下的算法處理每兩個單元之間的速度關系：Vn=Kdn*Vn-1+Kfn*Vn-1。整個控制的核心及編程思想參見圖3。
圖3 控制核心及編程思想
在調試時需要嚴格的按照步驟進行：主速設定后，通過調整1單元的比例系數K（D530），將實際用速度表測出的線速度調整到與主速設定的一致，即完成了1單元的調試；同理，其它任意兩單元之間的同步關系的調試也是同理。直到每兩單元之間的同步系數全部確定下來為止。
3.3開環張力閉環矢量控制原理以及在紡織行業應用的工藝要求分析
（1）傳統收卷裝置的弊端
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。
（2）張力控制變頻收卷的工藝要求
·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。
·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。
·在加速、減速、停止的狀態下也不能有上述情況出現。
·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。
（3）張力控制變頻收卷的優點
·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。
·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。
·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。
· 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。
· 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。
·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。
3.4 張力控制系統設計
（1）變頻收卷的控制原理及調試過程
圖4為張力控制系統設計。卷徑的計算原理根據V1=V2（線速度）來計算收卷的卷徑。因為V1=ω1*R1， V2=ω2*Rx。（R1-測長輥的半徑、Rx-收卷盤頭的半徑） 因為在相 同的時間內由測長輥走過的紗的長度(L1、L2)與收卷收到的紗的長度是相等的。即L1/Δt=L2/Δt → Δn1*C1=Δn2*C2/i(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/i， D2=Δn1*D1*i/Δn2，因為Δn2=ΔP2/P2(ΔP2---收卷編碼器產生的脈沖數、P2---收卷編碼器的線數、D1—為測長輥直徑、D2—收卷盤頭卷徑). 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.那么D2=D1*i*P2/ΔP2，這樣收卷盤頭的卷徑就得到了。
圖4 張力控制系統
（2）收卷的動態過程分析
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。
（3）轉矩的補償標準
· 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.
· 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。
· 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。
（4）系統計算公式
· 已知空芯卷徑Dmin=200mm，滿卷卷徑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(V-線速度、D-卷徑、n-轉速，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。
· 因為我們知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（f1-為額定頻率、p-為極對數、n1-同步轉速）。 = >2HZ/50HZ=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。
· 張力及轉矩的計算如下：如果F*D/2=T/i（F--張力、D--卷徑、T--轉距、i--減速比），=>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.（T-電機的額定轉距、P-電機的額定功率、n-為電機的額定轉速）所以Fmax=2*140*9/0.6=4200N。
（5）調試過程：
· 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。
· 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。
· 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。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。
4 基于臺達機電技術的同步傳動控制解決方案
4.1 高精度同步控制方案
對于同步要求精度非常高的場合，如噴涂、印刷、包裝等設備上經常會遇到高精度的同步控制。這種場合由于精度非常高，因此普通的調速系統滿足不了要求，可以選擇臺達伺服系統來實現。利用伺服驅動上提供的PG編碼器分周比輸出A、B、Z端子， OA、/OA、OB、/OB、OZ、/OZ即為分頻脈沖輸出端子。可以將該輸出端子接到第二臺伺服驅動的SIGN、/SIGN、PULSE、/PULSE輸入端子。如果同步單元超過兩個單元，則同理類推，可以將第二臺伺服驅動的PG分周輸出端子接到第三單元的脈沖輸入端子。例如玻璃纖維折紙機、木地板拋光套色等同步傳動應用案例。
4.2 伺服追變頻同步方案
（1）控制要求
變頻拖動電機帶傳送帶向右移動，傳送帶上有需要定長切的材料，電機后加編碼器，編碼器的A/B相脈沖接V系列變頻器構成閉環矢量控制，保證電機特性曲線的硬度，另外將A/B相脈沖接進PLC高速計數。同時將A相脈沖接PLC的Y1觸點連接的繼電器的常開觸點。PLC的脈沖輸出觸點Y0接繼電器的常閉觸點。工藝要求如下所述：變頻拖動傳送帶輸送要被裁切的材料，伺服拖動滾刀連續運轉，當到達設定的要裁切的長度時，正好保證滾刀運行至最低點，將材料切斷。
（2）控制原理
控制原理如圖6所示。設定需要裁切的長度可以轉換成脈沖數。啟動時，Y1沒有輸出，即伺服是通過PLC的Y0觸點發脈沖來驅動，這時讓滾刀快速運轉到上圖的A位置，這時通過PLC的高速計數值與定長轉換后的脈沖數相差很小時，假設滾刀接收到10000個脈沖轉一圈。定長轉換后的脈沖數為5000個脈沖，則啟動時，通過PLC發脈沖快速讓滾刀運行9000個脈沖停在A位置做等待，當高速計數為4000時，開中斷讓Y1輸出，這時伺服由編碼器驅動，同時剩余1000個脈沖由同樣的頻率走完1000個脈沖，達到同步切的效果。例如染漿聯合機、多單元紗漿機等應用領域。
圖6 伺服追變頻同步控制原理
5 案例圖片
5.1同步控制及張力控制成功案例
染漿聯合機
7單元漿紗機
（3）預縮機 （4）漿點涂層機
玻璃纖維折紙機
5 結束語
同步與張力控制是經典的傳動自動化問題，在紡織、印染、造紙、印刷、線材等多機架連續物料生產制造領域有十分廣泛的工程應用。進入變頻器傳動時代以來，結合PLC的同步與張力控制系統成為前沿電氣傳動自動化工程集成熱點。高新性能的同步與張力傳動控制系統正在帶動著眾多行業的技術進步。本文結合臺達機電平臺的技術特點，系統討論了應用新技術為傳統的傳動自動化提供的解決方案和取得的工程技術業績，有深遠的技術推廣價值。
