张力控制原理教程

10本文从应用的角度阐述了当前技术条件下，矢量变频技术在卷取传动中运用和设计的方法和思路。有较强的实用性和理论指导性。

关键词：

张力 变频 矢量 转矩 卷径

引言：

在工业生产的很多行业，都要进行精确的张力控制，保持张力的恒定，以提高产品的质量。诸如造纸、印刷印染、包装、电线电缆、光纤电缆、纺织、皮革、金属箔加工、纤维、橡胶、冶金等行业都被广泛应用。在变频技术还没有成熟以前，通常采用直流控制，以获得良好的控制性能。随着变频技术的日趋成熟，出现了矢量控制变频器、张力控制专用变频器等一些高性能的变频器。其控制性能已能和直流控制性能相媲美。由于交流电动机的结构、性价比、使用、维护等很多方面都优于直流电动机，矢量变频控制正在这些行业被越来越广泛的应用，有取代直流控制的趋势。

张力控制的目的就是保持线材或带材上的张力恒定，矢量控制变频器可以通过两种途径达到目的：一、通过控制电机的转速来实现；另一种是通过控制电机输出转矩来实现。

速度模式下的张力闭环控制

速度模式下的张力闭环控制是通过调节电机转速达到张力恒定的。首先由带（线）的线速度和卷筒的卷径实时计算出同步匹配频率指令，然后通过张力检测装置反馈的张力信号与张力设定值构成PID闭环，调整变频器的频率指令。

同步匹配频率指令的公式如下：

F=（V×p×i）/（π×D）

其中：F 变频器同步匹配频率指令 V 材料线速度 p 电机极对数（变频器根据电机参数自动获得） i 机械传动比 D 卷筒的卷径

变频器的品牌不同、设计者的用法不同，获得以上各变量的途径也不同，特别是材料的线速度（V）和卷筒的卷径（D），计算方法多种多样，在此不一一列举。

这种控制模式下要求变频器的PID调节性能要好，同步匹配频率指令要准确，这样系统更容易稳定，否则系统就会震荡、不稳定。这种模式多用在拉丝机的连拉和轧机的连轧传动控制中。若采用转矩控制模式，当材料的机械性能出现波动，就会出现拉丝困难，轧机轧不动等不正常情况。

转矩模式下的张力控制

一、转矩模式下的张力开环控制

在这种模式下，无需张力检测反馈装置，就可以获得更为稳定的张力控制效果，结构简洁，效果较好。但变频器需工作在闭环矢量控制方式，必须安装测速电机或编码器，以便对电机的转速做精确测量反馈。

转矩的计算公式如下：

T=（F×D）/（2×i）

其中：T 变频器输出转矩指令 F 张力设定指令 i 机械传动比 D 卷筒的卷径

电机的转矩被计算出来后，用来控制变频器的电流环，这样就可以控制电机的输出转矩。所以转矩计算非常重要。这种控制多用在对张力精度要求不高的场合，在我鑫科公司就有广泛的应用。如精带公司的脱脂机、气垫炉的收卷控制中都采用了这中控制模式。

二、转矩模式下转矩模式下的张力开环控制

张力闭环控制是在张力开环控制的基础上增加了张力反馈闭环调节。通过张力检测装置反馈张力信号与张力设定值构成PID闭环调节，调整变频器输出转矩指令，这样可以获得更高的张力控制精度。其张力计算与开环控制相同。不论采用张力开环模式还是闭环模式，在系统加、减速的过程中，需要提供额外的转矩用于克服整个系统的转动惯量。如果不加补偿，将出现收卷过程加速时张力偏小，减速时张力偏大，放卷过程加速时张力偏大，减速时张力偏小的现象。

这种控制模式多用在造纸、纺织等卷取微张力控制的场合下。在我公司尚无需这种控制。

卷径计算

在所有的模式中都需要用到卷筒的卷径，大家知道，在生产过程中开卷机的卷径是在不断变小，卷取机的卷径在不断变大，也就是说转矩必须随着卷径的变化而变化，才能获得稳定的张力控制。可见卷筒的卷径计算是多么地重要。卷径的计算有两中途径：一种是通过外部将计算好的卷径直接传送给变频器，一般是在PLC中运算获得。另一种是变频器自己运算获得，矢量控制型变频器都具有卷径计算功能，在大多数的应用中都是通过变频

器自己运算获得。这样可以减少PLC程序的复杂性和调试难度、降低成本。

变频器自己计算卷径的方法有三种：

1、 速度计算法：

通过系统当前线速度和变频器输出频率计算卷径。

其公式如下：

D=（i×V）/（π×n） D 所求卷径 I 机械传动比 n 电机转速 V 线速度

当系统运行速度较低时，材料线速度和变频器输出频率都较低，较小的检测误差就会使卷径计算产生较大的误差，所以要设定一个最低线速度，当材料线速度低于此值时卷径计算停止，卷径当前值保持不变。此值应设为正常工作线速度以下。多数应用场合下的变频器都使用这种方法进行卷径计算。

2、 度积分法：

根据材料厚度按卷筒旋转圈数进行卷径累加或递减，对于线材还需设定每层的圈数。

这种方法计算要求输入材料厚度，若厚度是固定不变的，可以在变频器中设定。此方法在单一产品的生产场合被广泛应用。

若厚度是需要经常变化的，需要通过人机界面HMI或智能仪表将厚度信号传送到PLC，由PLC或仪表进行运算后再传送给变频器。这种计算方法可以获得比较精确的卷径。

在一般的国产设备上应用较少，我公司的进口设备，气垫炉的收、放卷控制上就采用这种计算方式。

3、 模拟量输入

当选用外部卷径传感器时，卷径信号通过模拟输入口输入给变频器。由于卷径传感器的性能、价格、使用环境等原因，在国内鲜有使用。

结束语：

矢量变频技术在卷取应用中的方法多种多样，在当前技术条件下，上述模式是最具有代表性的。无论是设计还是维修，了解你所使用设备的工作模式和控制特点是非常重要的。变频技术还在高速发展，新的理论和控制技术将不断涌现，控制模式还将继续推陈出新。我们期待着更先进、更实用的技术不断出现，以此来改变我们的生活。

要了解这四种模式，需要先分别了解开环和闭环、速度和转矩模式的区别

2、开环和闭环在变频器中是指是否有速度编码器反馈给变频器，如果没有，则为开环，此时变频器需选择无速度传感器矢量控制（简称：开环矢量），如果有则称为有速度传感器矢量控制（简称：闭环矢量）。

3、速度模式是指变频器以控制电机的转速为目的，此时电机的力矩必须为保持该速度而调整。所以控制系统中外环为速度环，内环为电流环。速度环的输出为电流环的给定（力矩给定），该电流环也称为转矩环。采用开环速度，则电机的转子速度是通过电压、电流及电机模型计算出来的，所以其速度精度、速度响应肯定比闭环要差和慢，所以开环速度控

制只用在对低频速度和转矩响应不高的场合。闭环速度控制由于使用了编码器，速度、转子位置可以通过编码器直接测量，所以速度精度和响应远远超过开环，但增加了编码器带来了故障点和成本增加，所以有些对精度要求不高的场合不使用闭环速度控制，反之则必须使用闭环速度控制

4、转矩模式是指变频器是以控制电机的输出力矩为目的，速度大小和外部负载有关，与转矩无关。此时变频器一般无速度环，只有电流环，外部给定直接给电流环作为力矩设定。为防止超速，许多高档变频器都带速度外环限制超速，这是一种增强型的转矩模式，此时速度环只起一个限制最大速度的作用，电流环依然起主导作用。开环转矩在响应和精度方面比闭环要差，原因和速度模式是一样的。

4、开环速度、闭环速度应用最为广泛，闭环转矩模式一般用在张力控制居多，而开环转矩应用的比较少，目前也就是在个别传动如：双电机同轴、皮袋传输等有一些应用。

1.什么是张力控制：所谓的张力控制，通俗点讲就是要能控制电机输出多大的力，即输出多少牛顿。反应到电机轴即能控制电机的输出转距。

2.真正的张力控制不同于靠前后两个动力点的速度差形成张力的系统，靠速度差来调节张力的实质是对张力的PID控制，要加张力传感器。而且在大小卷启动、停止、加速、减速、停车时的调节不可能做到象真正的张力控制的效果，张力不是很稳定。肯定会影响生产出产品的质量。

用变频器做恒张力控制的实质是死循环矢量控制，即加编码器反馈。对收卷来说，收卷的卷经是由小到大变化的，为了保证恒张力，所以要求电机的输出转距要由小到大变化。同时在不同的操作过程，要进行相应的转距补偿。即小卷启动的瞬间，加速，减速，停车，

大卷启动时，要在不同卷经时进行不同的转距补偿，这样就能使得收卷的整个过程很稳定，避免小卷时张力过大；大卷启动时松纱的现象。

二．张力控制变频收卷在纺织行业的应用及工艺要求

1．传统收卷装置的弊端

纺织机械如：浆纱机、浆染联合机、并轴机等设备都会有收卷的环节。传统的收卷都是采用机械传动，因为机械的同轴传动对于机械的磨损是非常严重的，据了解，用于同轴传动部分的机械平均寿命基本上是一年左右。而且经常要维护，维护的时候也是非常麻烦的,不仅浪费人力而且维护费用很高,给客户带来了很多的不便。尤其是纺织设备基本上是开机后不允许中途停车的，如发生意外情况需要停车会造成很大的浪费。在这种情况下，张力控制变频收卷开始逐渐取代传统的机械传动系统。

2．张力控制变频收卷的工艺要求

* 在收卷的整个过程中都保持恒定的张力。张力的单位为：牛顿或公斤力。

* 在启动小卷时，不能因为张力过大而断纱；大卷启动时不能松纱。

* 在加速、减速、停止的状态下也不能有上述情况出现。

* 要求将张力量化，即能设定张力的大小（力的单位），能显示实际卷径的大小。

3．张力控制变频收卷的优点

* 张力设定在人机上设定，人性化的操作,单位为力的单位:牛顿.

* 使用先进的控制算法:卷径的递归运算;空心卷径激活时张力的线性递加;

张力锥度计算公式的应用;转矩补偿的动态调整等等.

* 卷径的实时计算，精确度非常高，保证收卷电机输出转矩的平滑性能好。并且

在计算卷径时加入了卷径的递归运算，在操作失误的时候，能自己纠正卷径到正确的数值。

* 因为收卷装置的转动惯量是很大的，卷径由小变大时。如果操作人员进行加速、

减速、停车、再激活时很容易造成爆纱和松纱的现象，将直接导致纱的质量。

而进行了变频收卷的改造后，在上述各种情况下，收卷都很稳定，张力始终恒

定。而且经过PLC的处理，在特定的动态过程，加入一些动态的调整措施，

使得收卷的性能更好。

* 在传统机械传动收卷的基础上改造成变频收卷，非常简便而且造价低，基本

上不需对原有机械进行改造。改造周期小，基本上两三天就能安装调试完成。

* 克服了机械收卷对机械磨损的弊端，延长机械的使用寿命。方便维护设备。

三． 变频收卷的控制原理及调试过程

* 卷径的计算原理：根据V1=V2来计算收卷的卷径。因为V1=ω1*R1,

V2=ω2*Rx.因为在相同的时间内由测长辊走过的纱的长度与收卷收到的纱的长度是相等的。即L1/Δt=L2/Δt ,Δn1*C1=Δn2*C2/i(Δn1---单位时间内牵引电机运行的圈数、Δn2---单位时间内收卷电机运行的圈数、C1---测长辊的周长、C2---收卷盘头的周长、i---减速比) Δn1*π*D1=Δn2*π*D2/i D2=Δn1*D1*i/Δn2,因为Δn2=ΔP2/P2(ΔP2---收卷编码器产生的脉冲数、P2---收卷编码器的线数). Δn1=ΔP1/P1取Δn1=1,即测长辊转一圈,由霍尔开关产生一个信号接到PLC.那么D2=D1*i*P2/ΔP2,这样收卷盘头的卷径就得到了.

* 收卷的动态过程分析: 要能保证收卷过程的平稳性,不论是大卷、小卷、加速、减速、激活、停车都能保证张力的恒定.需要进行转矩的补偿.整个系统要激活起来,首先要克服静摩擦力所产生的转矩,简称静摩擦转矩,静摩擦转矩只在激活的瞬间起作用;正常运行时要克服滑动摩擦力产生地滑动摩擦转矩,滑动摩擦转矩在运行当中一直都存在,并且在低速、高速时的大小是不一样的。需要进行不同大小的补偿,系统在加速、减速、停车时为克服系统的惯量,也要进行相应的转矩补偿,补偿的量与运行的速度也有相应的比例关系.在不同车速的时候,补偿的系数是不同的。即加速转矩、减速转矩、停车转矩、激活转矩；克服了这些因素,还要克服负载转矩,通过计算出的实时卷径除以2再乘以设定的张力大小,经过减速比折算到电机轴.这样就分析出了收卷整个过程的转矩补偿的过程。总结:电机的输出转矩=静摩擦转矩(激活瞬间)+滑动摩擦转矩+负载转矩.<1>在加速时还要加上加速转矩;<2>在减速时要减去减速转矩.<3>停车时,因为是通过程控减速至设定的最低速,所以停车转矩的补偿同减速转矩的处理.

* 转矩的补偿标准

(1). 静摩擦转矩的补偿:因为静摩擦转矩只在激活的瞬间存在,在系统激活后就消

失了.因此静摩擦转矩的补偿是以计算后电机输出转矩乘以一定的百分比进行补偿.

(2). 滑动摩擦转矩的补偿:滑动摩擦转矩的补偿在系统运行的整个过程中都是起作用的.补偿的大小以收卷电机的额定转矩为标准.补偿量的大小与运行的速度有关系。所以在程序中处理时，要分段进行补偿。

(3). 加减速、停车转矩的补偿：补偿硬一收卷电机的额定转矩为标准，相应的补偿系数应该比较稳定，变化不大。

* 计算当中的公式计算

(1). 已知空芯卷径Dmin=200mm,Dmax=1200mm;线速度的最大值

Vmax=90m/min,张力设定最大值Fmax=50kg(约等于500牛顿);减速比i=9;速度的限制如下:

因为:V=π*D*n/i(对于收卷电机)=>收卷电机在空芯卷径时的转速是最快的.所以:90=3.14*0.2*n/9=>n=1290r/min;

(2). 因为我们知道变频器工作在低频时,交流异步电机的特性不好,激活转矩低而且非线性.因此在收卷的整个过程中要尽量避免收卷电机工作在2HZ以下.因此:收卷电机有个最低速度的限制.计算如下:

对于四极电机而言其同步转速为:n1=60f1/p=>n1=1500r/min. =>2HZ/5HZ=N/1500=>n=60r/min

当达到最大卷径时,可以求出收卷整个过程中运行的最低

速.V=π*D*n/i=>Vmin=3.14*1.2*60/9=25.12m/min.张力控制时,要对速度进行限制,否则会出现飞车.因此要限速.

(3). 张力及转矩的计算如下:如果F*D/2=T/i,=>F=2*T*i/D对于22KW的交流电机,其额定转矩的计算如下:T=9550*P/n=>T=140N.m.所以Fmax=2*140*9/0.6=4200N.(其中P为额定功率,n为额定转速).

* 调试过程：

1．先对电机进行自整定，将电机的定子电感、定子电阻等参数读入变频器。

2．将编码器的信号接至变频器，并在变频器上设定编码器的线数。然后用面板给定频率和启停控制，

观察显示的运行频率是否在设定频率的左右波动。因为运用死循环矢量控制时，运行频率总是在参

考编码器反馈的速度，最大限度的接近设定频率，所以运行频率是在设定频率的附近震荡的。

3．在程序中设定空芯卷径和最大卷径的数值。通过前面卷径计算的公式算出电机尾部所加编码器产生的最大脉冲量（P2）和最低脉冲量 ( P2 ).通过算出的最大脉冲量对收卷电机的速度进行限定，因为变频器用作张力控制时，如果不对最高速进行限定，一旦出现断纱等情况，收卷电机会飞车的。最低脉冲量是为了避免收卷变频器运行在2Hz以下，因为

变频器在2Hz以下运行时，电机的转距特性很差，会出现抖动的现象。

4．通过前面分析的整个收卷的动态过程，在不同卷径和不同运行速度的各个阶段，进行一定的转距补偿.补偿的大小，可以以电机额定转距的百分比来设定。

四．真正的张力控制.

1.什么是张力控制：所谓的张力控制，通俗点讲就是要能控制电机输出多大的力，即输出多少牛顿。反应到电机轴即能控制电机的输出转距。

2.真正的张力控制不同于靠前后两个动力点的速度差形成张力的系统，靠速度差来调节张力的实质是对张力的PID控制，要加张力传感器。而且在大小卷启动、停止、加速、减速、停车时的调节不可能做到象真正的张力控制的效果，张力不是很稳定。肯定会影响生产出产品的质量。

五．变频收卷对变频器性能的要求

1. 变频收卷的实质是要完成张力控制,即能控制电机的运行电流,因为三相异步电机的输出转距

T=CMφmIa,,与电流成正比.并且当负载有突变时能够保证电机的机械特性曲线比较硬.所以必须用矢量变频器,而且必须要加编码器死循环控制.

2. 市场上能进行张力控制变频收卷的变频器主要有: 安川,艾默生,伦次等.台达V系列的变频器是矢量型变频器,能够完成张力控制,但因为不属于收放卷专用型变频器,所以要配合外部其它接口设备才能完成收放卷的功能.艾默生TD3300就是一款收放卷专用的变频

器,也许台达也会在不久的将来推出我们自己收放卷专用的变频器,我们拭目以待.

六．使用台达产品做变频收卷的方案

1.硬件构成：DOP-A57GSTD+DVP-20EH+DVP—4DA-H+VFD-V

2.电气原理图：（以并轴机为例）

七．结论

通过以上的分析，使用台达V系列的矢量型变频器做张力控制变频收卷时，只要能对上述收卷的整个动态过程有比较清晰的认识，能在不同的过程中将转距补偿的量找到一个合适的数值，一定能保证恒张力的控制,满足客户的要求，但要提醒读者，这种控制方式也有一定的局限性，虽然实现了恒张力的控制要求，但如果控制张力的范围很小，比如：张力范围在0-200/300牛顿时，这种控制方式是不适用的。