收卷张力控制摘要：一：力矩电机，力矩控制器力矩电机是一种具有软件机械特性，和 宽调速范围的特种电机并且以恒转矩输出二：变频电机，利用矢量型变频器做变频电机的转矩控制，使变频电机处于 恒转矩输出具有速度反馈的控制方式其转矩控制的精度更高三：利用压力传感器，或者位置传感器来检测传动负载的张力，作为反馈信 号通过 PID 过程控制的计算，使放卷与收卷保持相对应的速度来达到传动负载恒 张力的控制放卷与收卷均采用变频器转速控制或者变频器 PID 控制以上三种都是收卷张力控制，在实际生产中各有优缺点，现将这三种电气控 制的方法进行阐述和比较关键词：力矩电机 ，变频矢量转矩控制， 过程 PID 控制，张力传感器正文 ：在纺织，电线电缆，金属制品加工，造纸，橡胶等行业中通常需要将 产品卷绕在卷筒（铁盘，木盘）上卷绕的直径从始至末由小变大，为保持传动 负载（被卷绕产品）张力均衡（机线速度不变）就要求卷筒的转速越越小，卷绕 力越卷越大,产品绕卷时卷筒的直径逐渐增大（负载转矩增大）在整个过程 中保持被卷产品的张力不变十分重要，若张力过大会将产品（如线材，纸制品） 拉细或者断裂亦或者产品厚度，直径等不均匀工艺要求达不到要求。
而张力过小 则可造成卷绕松弛不能保证产品的收卷为了使产品在卷绕过程中张力保持不变 必须在产品卷绕到卷盘上的盘径增大时驱动卷盘的电机的输出力矩也要增大，同 时保持卷绕的线速度不变，那么电机的转速也要逐步减小需要达到上述要求的控制，在实际应用中通常采用力矩电机控制，变频电机 转矩控制，以及张力传感器的 PID 调速控制现将这三种控制方法在实际应用中 的优缺点进行比较，并且分析这三种控制方式在使用过程中的注意点第一力矩电机：力矩电机是一种具有软机械特性和宽调速范围的特种电机 这种电机的轴不是以恒功率输出动力而是以恒力矩输出动力,当负载增加时，电 动机的转速能自动的随之降低，而输出力矩增加，保持与负载平衡力矩电机的 堵转矩高，堵转电流小，能承受一定时间的堵转运行在实际应用中力矩电机控制卷绕恒张力存在如下几个问题：1 由于转子的电阻较大，损耗较高，所以产生较大的热量，特别在低速和堵 转是，更为严重因此力矩电机的能耗较大并且需要强制风冷为了保证风冷的 效果，一般力矩电机的后端盖上开孔，风冷可直接冷却定子以及转子，这样来保 证冷却效果但是会导致力矩电机内部粉尘大，甚至有异物从而减少电机的使 用寿命2 力矩电机控制器是一种电子调压装置，是力矩电机的控制元件，在恒转矩 负载情况下，可以通过改变加在定子绕组上的电压来改变转速；在卷绕控制中， 由于负载不断增加，电机输出的转矩也不断增加，因此在定子绕组电压不变的情 况下力矩电机的转速与转矩成反比。
在要求张力恒定的场合，要求这种反比关系 是呈线性的但是在实际使用中，由于空载减速机的阻力等因素吗，这种反比关 系不可能是线性关系，因此单纯的开环电压控制并不能保证力矩电机的输出转矩 恒定不变因此可以选择带转速反馈的力矩控制器3 对于卷绕盘空盘直径与满盘直径相差比较大的情况下，就要求电机的转速 调节范围比较宽而力矩电机的转速调节只能从最高额定转速做降速运行因此 调速范围相对不宽4 根据某电机厂家提供的交流三相力矩电机的技术资料情况可以知道常用三 相交流力矩电机的功率大约在 1.5KW-7.5KW 之间最大的输出力矩是 40NM综述以上分析的几点，用三相交流力矩电机控制收卷张力控制时造价经济， 安装方便，但是能耗较大，开环电压控制输出转矩的精度不高，恒张力控制效果 不好，转速范围相对低，电机功率选择性小因三相交流力矩电机控制收卷张力 是多用于机械减速比较大，以及张力精度要求不高的场合第二变频电机转矩控制：变频电机的转矩控制方式主要依赖于矢量变频器的 开环矢量控制（SVC），和闭环矢量控制（FVC）这两种控制模式，使得三相交流 异步电机工作在可控的转矩输出状态下（按照电机的额定转矩的百分比进行的转 矩给定）。
在实际使用中，共计使用过五种品牌的矢量型变频器，有汇川 MD380 系列， 台达200系列，三菱E700系列，蓝海华腾V6-H，以及吉泰科，这几种不同品牌 的矢量变频器开环矢量控制的转矩输出精度±5%，稳速精度±0.02%但是在实 际使用中各变频器开环矢量控制的精度差异较大，尤其在低转矩给定的情况下， 稳速精度较低汇川MD380通用矢量变频器是几种变频器品牌中控制转矩较 好的，一般情况下也只用于张力控制精度不高的场合闭环矢量控制（FVC），是矢量型变频器控制电机转矩的最佳方式其变频 器的控制主要依赖于变频器CPU的数学模型矢量计算，然后对电机实行的控制 因此无论是 SVC 控制，还是 FVC 控制，第一步需要做的是电机的矢量识别，或者叫 做电机参数调谐，电机矢量识别的方式有三种：1 静态调谐，2 电机空载动态调 谐，3 电机带载动态调谐，其中电机空载动态调谐的效果最佳，一般选择电机空 载动态调谐当矢量识别后，变频器可以得到相关的电机参数，如异步电机定子 转子电阻，漏感抗等相关的值，作为在转矩控制时的矢量计算参数闭环矢量控制（FVC）的反馈是速度反馈，一般情况下选择编码器作为速度 反馈原件。
编码器最好选择差分增量编码器，并选择相匹配的编码器PG卡差 分增量编码器更能适应工况环境，编码器PG卡的使用在各变频器说明书中都有 具体介绍闭环矢量控制（FVC）做电机的转矩控制时需要设置的参数也比较简单，而 且不同品牌的变频器的设置参数大致相同以汇川MD380的矢量变频器为例，列 出了主要相关的参数设置值序; 功能码定义设定值备注F0-01234F1-27F1-30电机控制方式电机额定电流编码器线数ABZ编码器相序电机额定功率设定根据电机铭牌电机额定转速牌设定设定根据编码器铭根据实际方向7A0-00速度/转矩方式选择1转矩控制方式8A0-01转矩设定源0根据具体的控制方式选择9A0-03转矩设定值15%可根据转矩要求更改根据实际使用的情况对不，不同品牌的矢量型变频器做闭环矢量控制（ FVC） 转矩控制时，控制转矩的精度相差不大综述以上分析：1：变频电机转矩控制时，闭环控制的精度远大于开环的控制精度一般情 况下应尽量采用闭环控制与开环控制比较，在造价方面相差一只增量编码器， 和变频器编码器PG卡的费用2：变频器的设置参数比较简单，调试方便，目前市场上的主流变频器品牌 都能够满足控制要求，因此变频器的选型空间大。
普通的三相交流异步电机能够 满足使用，同样电机的选型空间也较大3:与力矩电机控制相比较，使用变频器控制具有控制方法灵活，比如转矩给 定的方式模量电压信号，模拟量电流信号，通讯等等，控制电机的启停方式同样 也有多种方式，还具备转矩控制与转速控制的切换功能，在实际电气控制中多样 化的功能设计，满足不同的应用场合并且变频器经过矢量识别后对电机的保护 功能强大，灵敏度高并且变频调速的范围较宽，通常情况下最高转速可以设置 到 100HZ4在采用闭环矢量控制（FVC）时，其控制是建立在数学矢量模型的计算上 的，决定其转矩控制精度的主要是两个方面，矢量识别参数的准确性，以及增量 编码器的脉冲信号的质量所以电机空载动态识别的效果最佳增量编码需要选 择差分形式的，编码器的线尽量使用双屏蔽的双绞线，并且屏蔽层单端可靠接地 变频 FVC 的控制转矩输出精度是±5%，稳速精度±0.02%但是其控制的实质与 力矩电机控制是一样的，尤其在转矩给定低于 5%时，转速与转矩成非线性反比关 系所以一般情况下变频器的转矩给定要大于 5%综述以上几点，使用变频器闭环矢量控制电机输出转矩时具有控制简单，转 矩输出精度高，速度调整范围宽，应用灵活，恒张力控制效果较好。
机械减速比 的调整范围比较宽（可选择不同功率的电机），有利于机械设计加工适用于对 恒张力要求较高的场合，多用于股绳的收卷但是不适合要求张力绝对恒定，以 及稳速精度极高的场合第三利用压力传感器，或者位置传感器做反馈信号的PID转速控制：PID控 制是过程控制的常用方法，通过对被控量的反馈信号与目标信号的差量进行比例 积分，微分运算，运算结果来调整控制变频器的输出频率(或者利用 PLC 的模拟 量，数字量的形式输出)，构成负反馈系统，使被控物理量(张力)稳定在目标 值其控制原理框图如下：离散化处理的PID的计算公式如下：Mn二Kc*En+(Ki*En+Mx)+Kd*(En-(En-l)), 也就是说PID的输出值二比例项+积分项+微分项Mn： PID回路的输出值；KC:增 益；En：偏差值;En-l：上一时刻的偏差值；Ki：积分项的比例：Kd微分项的比 例；Mx：积分项前值在要求张力的值绝对恒定时，将压力变送器，或者位置传感器的这标准模拟 信号作为反馈值经过PID运算后，结果以变频器频率输出或者PLC的模拟量数 字量形式输出PID的运算一般是通过两种方式：第一通过PLC程序执行，第二 通过变频器的PID应用来实现的控制。
以MD380变频器内置有PID调节器为例， 通过频率源输出功能的选择，可将变频器设置成PID控制模式，具体的控制框图 如下：K3mi器PID控制模式时具有参数设置简单，可以频率的形式直接输出，设计控制方法简单等优点过程找制的频岀関环控制使用变频i-A-t'imfR turn 1内賈ND调布髀—d 1J_1严狂卄 J*1 Efl ；fta：*r *P1D2:IIH r I£l Jt-li使用PLC来实现PID控制也比较方便，并且应用灵活，以西门子200系列的 PLC为例可以调用其指令向导，生成PID程序当然也可以自行编写PID的运算 程序使用PLC向导实现PID控制时最大的优点是可以使用PID控制调节面板，方 便PID的相关参数调节，便于工程调试同样可以使用自己在PLC内部编写PID程序主要用的的计算公式如下1•增 益公式 MPn二Kc* (Spn-PVn) 2.积分公式 Mln二Kc*Ts/Ti* (Spn-PVn) +Mx 3 微分公 式MDn二KC*Td/Ti*(PVn-1-PVn)Ts：周期采样时间，Ti：积分时间，Td：微分时 间在使用离散量的PID控制时优点是控制方式简单，并且能够保证放卷与收卷 的张力恒定。
但是比例参数，积分时间的参数值比较难调整周期时间可以根据 需要的最快响应速度计算出来比例，积分时间，微分时间需要动态时不断的调 整需要一定的时间来调试，才能得出相对准确的设定值利用PLC的向导生成的 PID调节器具有PID调节控制面，使用这个调节面板可以方便的看到实际值的变 化趋势，以及动态响应速度，并且具备手动，和自动调整模式，给比例，积分时 间，微分时间的调整设定提供了方便如下图：在实际使用中，固定的放卷 速度可以相对容易调整出 比例参数，积分时间等参 数，但是在加速状态(比 如启动时)或者加速状态(比如停车时)并且加减速时间变化较快时，定速时所整定出的比例，积分时间 可能满足不了动态的调节功能，可能造成加速是PID输出值偏小，调节速度偏慢, 减速时PID输出值过大，调节速度过快或者在加减速时造成反馈的振荡为例解 决这一问题通常会将放卷的速度与收卷的速度计算出基准速比收卷的最终速度 由基准速比算出的速度值与PID调节的输出相加收卷在使用变频器张力控制时, 将放卷变频器的模量输出按照一定减速比例给定于收卷变频器，在收卷变频器内做主加辅的控制方。