变频器在自动分条机上的张力控制
摘要：本文主要介绍了分条机的用途、工艺要求、控制方式、控制难点以及实现的方法、调试过程。重点介绍了如何用台达V 系列的变频器实现张力控制。应用V 系列变频器实现转矩控制时应该注意的调试步骤、过程及参数的设定。
关键字：台达机电分条机张力控制变频器
1引言
胶带、保护膜生产设备主要包括各种胶粘制品及无胶纸类、布类、皮革类、多种塑料制品类物料的上胶、多层贴合、分条、复卷、分切、冲型机械等。其中分条机在生产过程中根据不同需要对材料进行切边、分切等。其中分条机（图1）主要用于将宽幅卷材分切成窄幅卷材。分条工艺包括放卷和收卷两个过程。放卷和收卷的张力控制是分条机的关键自动化环节。本案例的方案特点是在原有电控系统的基础上选用变频器实现收放卷转矩控制，达到了理想的效果，在原来的基础上提高机器工作性能，使机器在高速运转中更趋稳定，操作方便，安全可靠，耐用性强，减轻了劳动强度。
二．系统构成
1．硬件组成
2．系统框图
（1）. 设备图片
多功能贴合复卷分条机
（2）. 系统控制框图
图1
三．工艺要求及控制原理
1. 工艺要求：
（1）. 恒张力控制：张力的给定通过张力控制器。张力控制器控制的原理是通过检测收卷的线速度计算卷径，负载转距=F＊D/2（F 为设定张力，D 为当前卷径），因此当设定了张力的大小，因为当前卷径通过计算已得知，所以负载转距就算出来了。张力控制器能够输出标准的0～10V 的模拟量信号，对应异步电机的额定转距。所以我们用该模拟量信号接入变频器，选择转距给定。这样在整个收卷的动态过程中，能够保证张力的恒定。
（2）. 转距模式下，对速度进行限制。在张力控制模式下，不论直流电机、交流电机还是伺服电机都要进行速度限制，否则当电机产生的转距能够克服负载转距而运行时，会产生转动加速度，而使转速不断增加，最终升速到最高速，就是所谓的飞车。如图1所示，收放卷的速度是通过主轴B 系列变频器的模拟量输出AFM 而限定的，也就是将主轴B 系列的变频器上3—05（模拟信号输出选择）参数设
定为03（频率指令输出），如下图所示。将该信号分别接到收放卷变频器的模拟量输入端口上，作为频率给定和上限频率的设定信号。
（3）. 零速张力，当收放卷以0Hz 运行时，电机的输出轴上有一定的张力输出，而且可调。该要求主要是防止当收放卷运转当中停车，再起动时能够保证收放卷的盘头不会松掉。在该控制系统中，可以通过调整张力控制器上的初始张力设定而达到要求。
2．控制原理
（1）. 恒张力控制的原理
对于收放卷过程中恒张力控制的实质是需要知道负载在运行当中卷径的变化，因为卷径的变化，导致为了维持负载的运行，需要电机的输出转矩要跟随着卷径的变化而变化。对与V 系列变频器而言，因为能够做转矩控制，因此能够完成收卷恒张力的控制。V 系列变频器提供了三路模拟量输入端口，AUI 、AVI 、ACI 。这三路模拟量输入口能够定义为多种功能，因此，可以任选一路作为转矩给定，另外一路作为速度限制。0~10V对应变频器输出0~电机额定转矩，这样通过调整0~10V的电压就能够完成恒张力的控制。
而对于分条机，计算卷径的部分是通过张力控制器来计算的，当然用PLC 架构来实现也是没有问题的。也就是说，可以通过在人机或文本上设定张力，通过PLC 计算卷径，T=F*D/2，所以可以算出需要电机输出的转矩大小，通过模拟量输出接到V 系列变频器的转矩给定端就可以了。
已知空芯卷径Dmin=200mm，满卷卷径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）；减速比i=9；速度的限制如下:因为:V=π＊D ＊n/i（V —线速度、D —卷径、n —转速，对于收卷电机）→收卷电机在空芯卷径时的转速最快。所以:90=3.14＊0.2＊n/9→n=1290r/min。
（2）. 同步转速计算
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:收卷电机有最低速度的限制. 计算如下：对四极电机而言，其同步转速计算如下:
n1=60f1/p→n1=1500r/min→2HZ/50HZ=N/1500→n=60r/min
（f1—为额定频率、p —为极对数、n1—同步转速）
（3）限速运行
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。
（4）. 张力及转矩的计算如下:
如果F ＊D/2=T/i（F —张力、D —卷径、T —转距、i —减速比）→F=2＊T ＊i/D，对于3.7kW 的交流电机，其额定转矩的计算如下:T=9550＊P/n→T=24.88N.m（T —电机的额定转距、P —电机的额定功率、n —为电机的额定转速），所以Fmax=2＊24.88＊9/0.6=74.64N。
四．调试过程及参数设定
1．PG04的接线
2．调试过程
（1）. 电机的自整定
1. 将驱动器的所有参数恢复成出厂值。
2. 将电机轴与负载脱开。
3. 将电机额定电压01—02、电机额定频率参数01—01、分别正确填入数值。
4. 将参数05—00设定为1，然后按Keypad RUN的命令，此时立即执行电机的自动整定。执行约2min 的时间（功率越大，要将加减速时间设定长一些）。
5. 执行后检查05—02、05—06～05—09、05—12、05—16～19参数是否已自动将测量的数据填入，若没有请再次设定05—00参数，RUN 一次。
（2）. 闭环矢量试运行
将运行方式设定为面板起动，频率给定方式为面板给定。运行方式为V/F+PG将频率设定成10Hz ，然后运行，观察变频器是否会报PG 报警，如果报PG 报警，则将10—01设定为1（原来为0，反之设定为0），然后断电重新上电。再次按运行按钮，确保变频器不再报警，同时按Mode 键，切换置显示运行频率，观察运行频率是否在10Hz 上下波动，确保闭环矢量运行调试完成。
（3）. 转距控制参数设定
主轴VFD037B43A 参数设定：
01—00——————50 最大操作频率
01—01——————50 最大电压频率
02—00——————1 第一频率来源（AVI ）
02—01——————1 第一运转指令来源（外部端子起动）
03—05——————3 频率指令输出
收放卷VFD037V43A 参数设定
00—04—————40 观察上限频率
00—20—————2 频率指令来源（外部模拟量输入）
00—21—————1 运转指令来源（外部端子起动）
01—00—————50 最大操作频率
01—01—————50 最大电压频率
00—12—————1 第一加速时间
00—13—————1 第一减速时间
03—00—————4 AVI上限频率限定
03—02—————1 转距给定
03—09—————110 模拟量输入增益（AVI ）
03—11—————200 模拟量输入增益（AUI ）
10—00—————1024 编码器线数
10—01—————1 编码器方向
五．结论
当应用V 系列变频器做张力控制时，一定要考量控制介质能承受的张力范围，保证张力控制的范围不能太小。一般张力范围在几百牛顿甚至更大时，用变频器做张力控制是能满足客户的需要的。如果张力范围太小，是无法用变频器进行张力控制的。所以在做类似应用时，还是要了解清楚客户的要求，以免无法达到客户的要求。
变频器在自动分条机上的张力控制
摘要：本文主要介绍了分条机的用途、工艺要求、控制方式、控制难点以及实现的方法、调试过程。重点介绍了如何用台达V 系列的变频器实现张力控制。应用V 系列变频器实现转矩控制时应该注意的调试步骤、过程及参数的设定。
关键字：台达机电分条机张力控制变频器
1引言
胶带、保护膜生产设备主要包括各种胶粘制品及无胶纸类、布类、皮革类、多种塑料制品类物料的上胶、多层贴合、分条、复卷、分切、冲型机械等。其中分条机在生产过程中根据不同需要对材料进行切边、分切等。其中分条机（图1）主要用于将宽幅卷材分切成窄幅卷材。分条工艺包括放卷和收卷两个过程。放卷和收卷的张力控制是分条机的关键自动化环节。本案例的方案特点是在原有电控系统的基础上选用变频器实现收放卷转矩控制，达到了理想的效果，在原来的基础上提高机器工作性能，使机器在高速运转中更趋稳定，操作方便，安全可靠，耐用性强，减轻了劳动强度。
二．系统构成
1．硬件组成
2．系统框图
（1）. 设备图片
多功能贴合复卷分条机
（2）. 系统控制框图
图1
三．工艺要求及控制原理
1. 工艺要求：
（1）. 恒张力控制：张力的给定通过张力控制器。张力控制器控制的原理是通过检测收卷的线速度计算卷径，负载转距=F＊D/2（F 为设定张力，D 为当前卷径），因此当设定了张力的大小，因为当前卷径通过计算已得知，所以负载转距就算出来了。张力控制器能够输出标准的0～10V 的模拟量信号，对应异步电机的额定转距。所以我们用该模拟量信号接入变频器，选择转距给定。这样在整个收卷的动态过程中，能够保证张力的恒定。
（2）. 转距模式下，对速度进行限制。在张力控制模式下，不论直流电机、交流电机还是伺服电机都要进行速度限制，否则当电机产生的转距能够克服负载转距而运行时，会产生转动加速度，而使转速不断增加，最终升速到最高速，就是所谓的飞车。如图1所示，收放卷的速度是通过主轴B 系列变频器的模拟量输出AFM 而限定的，也就是将主轴B 系列的变频器上3—05（模拟信号输出选择）参数设
定为03（频率指令输出），如下图所示。将该信号分别接到收放卷变频器的模拟量输入端口上，作为频率给定和上限频率的设定信号。
（3）. 零速张力，当收放卷以0Hz 运行时，电机的输出轴上有一定的张力输出，而且可调。该要求主要是防止当收放卷运转当中停车，再起动时能够保证收放卷的盘头不会松掉。在该控制系统中，可以通过调整张力控制器上的初始张力设定而达到要求。
2．控制原理
（1）. 恒张力控制的原理
对于收放卷过程中恒张力控制的实质是需要知道负载在运行当中卷径的变化，因为卷径的变化，导致为了维持负载的运行，需要电机的输出转矩要跟随着卷径的变化而变化。对与V 系列变频器而言，因为能够做转矩控制，因此能够完成收卷恒张力的控制。V 系列变频器提供了三路模拟量输入端口，AUI 、AVI 、ACI 。这三路模拟量输入口能够定义为多种功能，因此，可以任选一路作为转矩给定，另外一路作为速度限制。0~10V对应变频器输出0~电机额定转矩，这样通过调整0~10V的电压就能够完成恒张力的控制。
而对于分条机，计算卷径的部分是通过张力控制器来计算的，当然用PLC 架构来实现也是没有问题的。也就是说，可以通过在人机或文本上设定张力，通过PLC 计算卷径，T=F*D/2，所以可以算出需要电机输出的转矩大小，通过模拟量输出接到V 系列变频器的转矩给定端就可以了。
已知空芯卷径Dmin=200mm，满卷卷径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）；减速比i=9；速度的限制如下:因为:V=π＊D ＊n/i（V —线速度、D —卷径、n —转速，对于收卷电机）→收卷电机在空芯卷径时的转速最快。所以:90=3.14＊0.2＊n/9→n=1290r/min。
（2）. 同步转速计算
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:收卷电机有最低速度的限制. 计算如下：对四极电机而言，其同步转速计算如下:
n1=60f1/p→n1=1500r/min→2HZ/50HZ=N/1500→n=60r/min
（f1—为额定频率、p —为极对数、n1—同步转速）
（3）限速运行
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。
（4）. 张力及转矩的计算如下:
如果F ＊D/2=T/i（F —张力、D —卷径、T —转距、i —减速比）→F=2＊T ＊i/D，对于3.7kW 的交流电机，其额定转矩的计算如下:T=9550＊P/n→T=24.88N.m（T —电机的额定转距、P —电机的额定功率、n —为电机的额定转速），所以Fmax=2＊24.88＊9/0.6=74.64N。
四．调试过程及参数设定
1．PG04的接线
2．调试过程
（1）. 电机的自整定
1. 将驱动器的所有参数恢复成出厂值。
2. 将电机轴与负载脱开。
3. 将电机额定电压01—02、电机额定频率参数01—01、分别正确填入数值。
4. 将参数05—00设定为1，然后按Keypad RUN的命令，此时立即执行电机的自动整定。执行约2min 的时间（功率越大，要将加减速时间设定长一些）。
5. 执行后检查05—02、05—06～05—09、05—12、05—16～19参数是否已自动将测量的数据填入，若没有请再次设定05—00参数，RUN 一次。
（2）. 闭环矢量试运行
将运行方式设定为面板起动，频率给定方式为面板给定。运行方式为V/F+PG将频率设定成10Hz ，然后运行，观察变频器是否会报PG 报警，如果报PG 报警，则将10—01设定为1（原来为0，反之设定为0），然后断电重新上电。再次按运行按钮，确保变频器不再报警，同时按Mode 键，切换置显示运行频率，观察运行频率是否在10Hz 上下波动，确保闭环矢量运行调试完成。
（3）. 转距控制参数设定
主轴VFD037B43A 参数设定：
01—00——————50 最大操作频率
01—01——————50 最大电压频率
02—00——————1 第一频率来源（AVI ）
02—01——————1 第一运转指令来源（外部端子起动）
03—05——————3 频率指令输出
收放卷VFD037V43A 参数设定
00—04—————40 观察上限频率
00—20—————2 频率指令来源（外部模拟量输入）
00—21—————1 运转指令来源（外部端子起动）
01—00—————50 最大操作频率
01—01—————50 最大电压频率
00—12—————1 第一加速时间
00—13—————1 第一减速时间
03—00—————4 AVI上限频率限定
03—02—————1 转距给定
03—09—————110 模拟量输入增益（AVI ）
03—11—————200 模拟量输入增益（AUI ）
10—00—————1024 编码器线数
10—01—————1 编码器方向
五．结论
当应用V 系列变频器做张力控制时，一定要考量控制介质能承受的张力范围，保证张力控制的范围不能太小。一般张力范围在几百牛顿甚至更大时，用变频器做张力控制是能满足客户的需要的。如果张力范围太小，是无法用变频器进行张力控制的。所以在做类似应用时，还是要了解清楚客户的要求，以免无法达到客户的要求。