速度控制与张力控制 Last revised by LE LE in 2021
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.
3. 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。
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5.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。
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7.二．张力控制变频收卷在纺织行业的应用及工艺要求
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9.1．传统收卷装置的弊端
10.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。
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12.2．张力控制变频收卷的工艺要求
13.* 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。
14.* 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。
15.* 在加速、减速、停止的状态下也不能有上述情况出现。
16.* 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。
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18.3．张力控制变频收卷的优点
19.* 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.
20.* 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;
21.张力锥度计算公式的应用;转矩补偿的动态调整等等.
22.* 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
23.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。
24.* 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、
25.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。
26.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
27.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，
28.使得收卷的性能更好。
29.* 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
30.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。
31.* 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。
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33.三．变频收卷的控制原理及调试过程
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35.* 卷径的计算原理：根据V1=V2来计算收卷的卷径。因为V1=ω1*R1,
36.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.
37.* 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.
38.* 转矩的补偿标准
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40.(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
41.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.
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43.(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。
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45.(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。
46.* 计算当中的公式计算
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48.(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:
49.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;
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51.(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:
52.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
53.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.
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55.(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).
56.* 调试过程：
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58.1．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。
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60.2．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，
61.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
62.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。
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64.3．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。
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66.4．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。
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68.四．真正的张力控制.
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70.1.什么是张力控制：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。
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72.2.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。
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74.五．变频收卷对变频器性能的要求
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76.1. 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
77.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.
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79.2. 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.
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81.六．使用台达产品做变频收卷的方案
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83.1.硬件构成：DOP-A57GSTD+DVP-20EH+DVP—4DA-H+VFD-V
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85.2.电气原理图：（以并轴机为例）
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87.七．结论
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89.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。
速度控制系统
speed control systems
以速度（或转速）作为被控制量的自动控制系统。速度控制系统广泛应用于各种工业部门。例如，当用原动机（水轮机或汽轮机）驱动一个以某一频率（例如50赫）发电的交流发电机时，必须采用速度控制系统使原动机转速保持恒定，以保证发电机发出的交流电的频率符合要求。对于一台不带负载的柴油机，如不采用速度控制，就会产生飞车现象。在速度控制系统中，所期望的速度变化形式是由生产过程中对生产机械的工艺要求决定的。
速度（转速）控制的主要形式有调速、稳速和加减速控制三类。
①调速指在一定的最高转速和最低转速的范围内分档（有级）地或平滑（无级）地调节生产机械转速。调速系统由生产机械和调速器所组成。调速器通过适当改变流进和流出生产机械的能量来调节它的转速。调速器不仅可使生产机械运行在某个指定的转速，而且还能在负载变动时保持转速恒定或基本不变。保持转速恒定的调速器称为无差调速器。只能使转速基本不变的调速器称为有差调速器。
②稳速可使生产机械以一定的精度稳定在所需转速上运行的一种速度控制。在稳速系统中，调速器的调节作用能使生产机械的转速（速度）完全或基本上不受负载变化、电源电压变化、温度变化等外部和内部扰动的影
响。
③加减速控制常用于频繁起动和制动的生产机械。对加减速控制的基本要求是尽量缩短起动和制动时间以
提高生产效率，并使生产机械的起动和制动过程尽量平稳。
在生产过程中，从工艺要求出发，不同的生产机械对转速（速度）的控制形式具有不同的要求。例如轧钢机主、辅传动要求尽可能地缩短起动、制动和反转的时间，同时又能在较大范围内调速。而高速卷纸机则既要求有
高的稳速精度和一定调速范围，又要求起动和制动平稳。
实现速度控制的方法很多，有机械的、液压的和电气的。电气的方法比较简单，控制性能好，经济，易于维护，所以应用最广。速度控制系统一般都是闭环控制系统，可以是单环或多环的反馈控制系统。速度控制系统可应用自动控制理论的方法来进行设计。速度控制系统的一些实例有调速系统、多环直流调速系统、可逆调速系
统、交流频变调速系统、交流串级调速系统等。
速度控制与转矩控制
速度控制与转矩控制是伺服控制器的两种控制模式。速度控制模式已为大家所熟知，给定的是速度，反馈的也是速度，对速度形成闭环控制，保证速度为设定值，转矩则随负载浮动。转矩控制模式，给定的是转矩，伺服控制器计算出实际的转矩，如
果实际转矩低于设定转矩，就升速，反之，则减速，速度是浮动的。转矩控制模式非常适合于卷绕驱动。在卷绕驱动中，线速度恒定，转速随卷径的增大而降低，张力是系统的一个给定。转矩模式正好能满足这些要求。张力与半径的乘积就是转矩，作为转矩模式的给定，转矩模式的转速正好浮动到所要求的线速度，无须线速度控制。如果不用专门的检测装置，伺服控制（变频）器能够自己计算出卷径，问题可以进一步简化。图1示出了一个速度控制模式卷绕系统的框图。图示系统具有卷径测量环节，根据卷径算出转速给定。为了保证电机间同步，还使用了松紧架。显然，将伺服控制（变频）器的转矩控制模式用于卷绕驱动，可以省掉这个松紧架，从而简化控制系统。
2 具有内部卷径计算的卷绕驱动
如上所述，如果伺服控制（变频）器具有卷径计算功能，那么由外部张力给定就能算出转矩给定，使用转矩控制模式将变得很方便。
图2示出了一个二伺服控制器卷绕系统。伺服控制（变频）器1将系统的运行线速度传给伺服控制（变频）器2，伺服控制（变频）器2接受外部输入的张力给定和张力传感器输入的张力反馈信息构成张力闭环控制，伺服控制（变频）器2具有内部卷径计算功能并工作在转矩控制模式。伺服控制（变频）器2驱动异步电机以所要求的张力卷绕并自动将其速度浮动到运行线速度。下面以LENZE-9300系列伺服控制（变频）器为例，说明卷径的计算方法。LENZE-9300系列伺服控制（变频）器内部有五十多种功能块，能完成诸如加减乘除和一系列的变换功能，也能完成PID闭环调节。设v为线速度，ω为角速度，D为卷径，k为常数，则根据下式计算卷径：
D=k*v/ω =k*∫vdt/∫ωdt
其中，v为外部输入的线速度值，ω为伺服控制（变频）器知道的角速度值，k为由实验确定的常数。功能块的使用可以通过对一系列的代码进行设定完成。图3示出了一个由功能块组成的卷径计算框图。
3 应用实例
图4示出了一个湿法毡生产线的卷绕系统原理图。这里总共使用了三台LENZE-9300系列伺服控制（变频）器（9326），驱动三台带有旋转变压器（R）的变频专用异步电动机(M)。其中，拖辊伺服控制（变频）器工作在速度模式，它的速度给定（1/2端）来自生产线PLC的模拟量输出，辅助速度给定（3/4
端）来自于松紧架信号，以此和生产线保持同步；卷轴1和卷轴2伺服控制（变频）器工作在转矩模式，具有内部卷径计算功能，能对通过CAN总线由PLC发送来的张力给定数值和由张力传感器送来的实际张力数值比较后进行闭环控制。勿需对卷轴1和卷轴2实行专门的速度控制，它们能够自动地将其线速度浮动到需要的数值。卷径计算所需要的线速度信息由拖辊伺服控制（变频）器通过专门的速度级联接口X9-X10送来。卷轴1和卷轴2交替工作，实现连续的卷绕，由LENZE-8215变频器驱动的换轴电机完成换轴功能（图中没有画出）。CAN总线还将伺服控制（变频）器计算出的卷径信息发送到PLC，由PLC据此完成张力给定的计算。卷绕部分对卷轴的要求是内紧外松，这就要求初始张力大，随着卷径的变大，张力按照某种规律逐渐变小。该应用系统能完全满足这些要求，实际运行证明上述卷绕系统运行可靠，卷径由86毫米到1200毫米卷绕密实整齐，卷绕速度可达80米/分。
4结论
利用转矩模式卷绕与利用速度模式卷绕相比，利用转矩模式要简单得多，
这首先表现在利用转矩模式卷绕省掉了松紧架同步环节。伺服控制变频器的内部卷径计算能力，又省掉了卷径检测环节，进一步简化了系统硬件构成。虽然使用了张力检
测环节，那是为了改善张力控制的精度，并非必不可少。现场总线的使用，使得变频器和PLC之间的信息交换方便快捷。
图2 带内部卷径计算的转矩模式卷绕系统