张力控制原理教程

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1、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： 关键词： 张力 变频 矢量 转矩 卷径 引言： 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

2、、 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： 同步匹配频率指令的公式如下： F=（

3、Vxpxi） / （ nxD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

4、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：转矩的计算公式如下：T= （FxD）/ （2xi）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。 控制电机的输出转 矩。 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

5、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

6、。 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： 变频器自己计算卷径的方法有

7、三种： 1、 速度计算法： 、 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=（ixV） / （ nx）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： 、 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

8、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： 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

9、， 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

10、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

11、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

12、.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

13、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

14、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

15、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

16、 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=1*R1, V2=2*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Ll/At=L2/At ,Anl*Cl=An2*C2/i（Anl单位时间 内牵引电机运行的圈数、An2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)Anl*n*Dl=An2*n*D2/i D2=Anl*Dl*i/An2,因为 An2=AP2/P2(AP2收卷编码器产生的脉冲数、P2收卷编码器的线数).An1=AP1/P1 取Anl=l,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/AP2，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