基于台达机电技术的同步与张力传动控制解决方案

1引言

在传统的电力拖动领域，同步控制、张力控制是非常经典的控制环节。同时因为控制对象、工艺要求及控制精度、效果的不同，存在相应的技术开发难点。同步控制广泛的应用于纺织、印染、造纸等行业，因为这样的控制要求，出现了例如中达同步控制器这样的产品。但随着客户对设备技术含量和成本的要求，简单的利用同步控制器来实现同步控制已越来越不能满足客户的要求，用人机、PLC、变频器、伺服、直流调速等产品来集成精度更高的同步控制和恒张力控制已经成为新的技术趋势。台达机电产品利用自身的特点及较高的性价比能够为客户提供成熟、完善的同步和张力控制的方案和系统。

2传统同步控制及张力控制方案

图1 多级同步与张力控制系统框图

2.1同步控制及张力控制控制原理

根据图1所示多级同步与张力控制框图，整个系统以1单元机架为主，1单元的速度为主给定乘以1通道的同步比例系数。即Out1=Kd1*Vo（其中Kd1为1通道同步比例系数，Vo为主给定）。Out2=Kd2*Vo+Kf2*Vf2(Kd2为2通道同步比例系数，Kf2为2通道反馈比例系数，Vf2为通道2反馈信号)，同理Out5=Kd5*Vo+Kf5*Vf5(Kd5为5通道同步比例系数，Kf5为5通道反馈比例系数，Vf5为通道5反馈信号)。这就是传统的同步控制系统。张力辊的同轴安装一个电位器，电源为+5V电源，当张力辊处于中间平衡位置时将电位器的输出调整为0V，当张力辊偏离平衡位置时，反馈信号即会有变化，变化的范围在+5V之间，这样反馈量乘以反馈系数，再加上同步比例系数乘以主给定，所得到的结果就是总输出。因此当张力辊偏离平衡位置时，相应的同步控制器的输出会减小或增大，自动调整变频器的频率，达到动态的平衡，使得张力辊始终在平衡位置附近轻微的摆动，起到同步的效果。

张力控制通过张力传感器实时检测张力、通过张力控制器或PLC进行张力的PID运算，这种张力控制的实质是通过调整速差实现张力的动态恒定。

2.2应用领域

多级同步与张力控制系统广泛地应用于纺织、印染、造纸等行业（染浆联合机、印染设备）。

2.3缺点及不足分析

首先，可以看出该系统同步属于开环控制，当负载变化较大的时候，电机的转差率会加大，相应张力辊会偏离平衡位置。相应电机的速度会发生变化，如果是对同步的要求非常严格的场合，可能会有一定的局限性。同时因为速度给定及反馈都是模拟量信号，而且对于生产线比较长，设备安装等不可预知的因素，可能会比较容易受到到各种电气耦合的干扰，造成系统运转不稳定。

张力控制采用PID，由于积分的作用，如果积分增益调整的不好，容易造成系统的振荡或响应的滞后。对于PID运算的各参数要求较高。但在要求不是非常高的场合，该系统还是比较稳定的，应用也比较广泛。

3 基于台达机电技术的张力传动控制解决方案

图2硬同步及开环张力闭环矢量控制方案

表1 台达机电自动化平台配置

3.1 开环张力闭环矢量控制系统设计

硬同步及开环张力闭环矢量控制方案框图参见图2。系统配置参见表1。

为了克服由于负载的变化造成电机转差率变大，电机特性曲线偏软的缺点，在每个单元的电机后加编码器反馈，并将编码器信号接入变频器，形成闭环矢量控制。这样电机的特性曲线会比较硬，能够有效避免负载小变化时转速及转矩的下降。达到硬同步控制的效果。所有单元变频器的频率给定方式是通过RS485，这样不仅省略了同步控制器，同时有效避免了电气耦合对模拟量信号的干扰。系统运行更加的稳定而且成本也较低，控制效果也更好

3.2 控制算法设计

速度同样以1单元为主，在人机上设定的一般为线速度，要将线速度转换成相应的频率。由于1单元与2单元之间在机械方面的差异、传送介质的打滑等因素的存在，势必决定了1单元变频器与2单元变频器的运行频率不可能完全一致，存在一定的系数关系。同理2单元与3单元、3单元与4单元、4单元与5单元之间、5单元与6单元之间也存在不同的系数关系。依据如下的算法处理每两个单元之间的速度关系：Vn=Kdn*Vn-1+Kfn*Vn-1。整个控制的核心及编程思想参见图3。

图3 控制核心及编程思想

在调试时需要严格的按照步骤进行：主速设定后，通过调整1单元的比例系数K（D530），将实际用速度表测出的线速度调整到与主速设定的一致，即完成了1单元的调试；同理，其它任意两单元之间的同步关系的调试也是同理。直到每两单元之间的同步系数全部确定下来为止。

3.3开环张力闭环矢量控制原理以及在纺织行业应用的工艺要求分析
（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