摘 要
本文主要介紹了WIN-VC矢量控制變頻器用于張力控制不銹鋼收卷的控制原理，此技術(shù)的成功應(yīng)用表明，微能WIN-VC變頻器的產(chǎn)品性能可與同類進口產(chǎn)品相媲美，由于其具有優(yōu)良的性價比，完全可代替同類進口產(chǎn)品，廣泛用于造紙、紡織、皮革、印染、印刷、拉絲、纖維、橡膠、膠粘帶、電線電纜、塑料薄膜等行業(yè)中成品的收、放卷工藝中，實現(xiàn)保持收放料（線材、板材）張力的恒定。

關(guān)鍵字 WIN-VC變頻器 張力收卷控制 PG矢量

一、前言
隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展和城市化進程的加快，不銹鋼所具有的輕巧、環(huán)保、美觀等優(yōu)點被大量使用，尤其是在大城市和沿海城市，不銹鋼的使用數(shù)量已超過歐美國家。不銹鋼已廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、水工業(yè)、建筑業(yè)、家電業(yè)、環(huán)保工業(yè)等現(xiàn)代化工業(yè)中，可以這樣說，中國城市化的過程就是擴大使用不銹鋼的過程。在最近幾年，不銹鋼行業(yè)取得了飛速的發(fā)展，面臨著前所未有的巨大機遇，眾多國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)受到生產(chǎn)設(shè)備技術(shù)條件的限制，生產(chǎn)的產(chǎn)品還處于中、低端市場，競爭力不強。用先進的自動化控制技術(shù)來提升我國裝備制造業(yè)水平，縮短與世界先進生產(chǎn)設(shè)備的距離，對生產(chǎn)設(shè)備進行升級換代，已刻不容緩。由深圳市微能科技有限公司研發(fā)生產(chǎn)的高性能強功能矢量型變頻器—WIN-VC系列產(chǎn)品，該變頻器達到了極高的響應(yīng)性和穩(wěn)定性，真正能在各種工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用自如，是國內(nèi)眾多工業(yè)設(shè)備和自動化機械制造客戶的首選。通過WIN-VC矢量型變頻器在不銹鋼磨砂機張力收卷上的成功應(yīng)用表明，以前進口品牌在收、放卷、提升等變頻器高端應(yīng)用領(lǐng)域壟斷的局面將被打破，WIN-VC系列變頻器的面世將大大促進我國裝備制造業(yè)總體水平的提高。

二、張力控制變頻收卷應(yīng)用及工藝要求
2.1 原收卷裝置的弊端
在不銹鋼的加工過程中，它的磨砂和清洗工藝是否先進對產(chǎn)品品質(zhì)起著決定性的作用，系統(tǒng)一般由以下部分組成：放卷、收卷由兩臺5.5KW電機驅(qū)動，壓輥、磨砂帶各由1臺2.2KW電機驅(qū)動，四個動力點的速度都由同步控制器輸出0-10V信號，控制變頻器同步運行。不銹鋼板從放卷電機開卷，經(jīng)前整壓輥引入進入生產(chǎn)線，通過磨砂帶的高速旋轉(zhuǎn)打磨拋光，進入到清洗水箱進行液體噴射清潔、高壓風(fēng)機干燥處理后，由收卷電機進行收卷、包裝。

現(xiàn)有系統(tǒng)的弊端有以下幾點：1）四個傳動點由于各動力點的受力不均勻，無法在同一線速度下實現(xiàn)同步運行。2）放卷電機由普通變頻器驅(qū)動，經(jīng)常在手動模式下由于操作工后兩個傳動點開得太快，使V1經(jīng)常跳OU故障，容易引起飛車危險。3）壓輥、磨砂電機在低速時易打滑，影響產(chǎn)品品質(zhì)。4）收卷處電機V4經(jīng)常出現(xiàn)過載和失速現(xiàn)象，鋼帶經(jīng)常出現(xiàn)張力過大繃緊變形，或者達不到內(nèi)緊外松的收卷要求。5）在上料、下料時不易控制，危及操作工的安全。
2.2 微能WIN-VC變頻器簡介
解決上述弊端的方法：必須保證四個傳動點的線速度V1=V2=V3=V4；V1和V4能工作在恒張力模式下，進行速度/力矩控制。用變頻器做恒張力控制的實質(zhì)是閉環(huán)矢量控制，即加旋轉(zhuǎn)編碼器進行速度反饋。對收卷來說，收卷的卷徑是由小到大變化的，為了保證恒張力，所以要求電機的輸出轉(zhuǎn)矩要由小到大變化。在收卷的過程中，小卷、大卷啟動時的瞬間加速、減速、停車，都要在不同卷徑下進行不同的轉(zhuǎn)矩補償，這樣才能使得收卷的整個過程很穩(wěn)定，避免小卷時張力過大，而大卷啟動時松馳現(xiàn)象。 V2、V3在低速時保證足夠的轉(zhuǎn)矩，保證上料過程中不出現(xiàn)打滑、倒退的現(xiàn)象。由深圳市微能科技有限公司研發(fā)生產(chǎn)的無感矢量型WIN-VB、電流矢量型WIN-VC變頻器產(chǎn)品可滿足上述要求。
WIN-VC變頻器是一款通用高性能矢量變頻器，是真正的電流矢量控制變頻器，以先進技術(shù)的控制理論為基礎(chǔ)，通過智能化的控制手段，使變頻器控制的調(diào)速系統(tǒng)達到了極高的響應(yīng)性和穩(wěn)定性，具有高起動轉(zhuǎn)距、低速穩(wěn)定性好，精確的力矩控制、節(jié)能控制、零伺服功能、下垂控制（DROOP）等強大功能，達到同類進口產(chǎn)品的性能，真正能在各種工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用自如。WIN-VC可實現(xiàn)四種控制方式：
1、無PG矢量控制：應(yīng)用于所有需要變速驅(qū)動的場合
2、有PG矢量控制：簡易伺服驅(qū)動，高精度速度控制，力矩控制的場合
3、無PG V/f控制： 傳統(tǒng)的變頻器控制方式，可使一臺變頻器驅(qū)動多臺電機
4、有PGV/f控制： 簡易速度反饋控制
特別是在PG矢量控制方式下，以其極高的速度控制精度（+0.02%）、極高的零起動轉(zhuǎn)矩（在0r/min時達150%額定轉(zhuǎn)矩）并可實現(xiàn)力矩控制，與PLC配合使用，可以實現(xiàn)速度鏈控制、自動負荷控制、自動速差控制等功能，在生產(chǎn)線傳動中得到大量應(yīng)用，并取得了較好的控制效果。
2.3 變頻張力開環(huán)控制收卷系統(tǒng)組成
張力控制的定義：所謂的張力控制，就是能控制電機輸出的力矩，即輸出多少牛頓·米。反應(yīng)到電機軸即能控制電機的輸出轉(zhuǎn)距。目前控制張力途徑有兩個：一是通過控制電機的速度來實現(xiàn)；二是通過控制電機的輸出轉(zhuǎn)矩來實現(xiàn)。WIN-VC變頻器可通過三種方式可實現(xiàn)張力控制：
1、張力閉環(huán)控制方式（速度模式）。通過PLC檢測和計算材料的線速度和卷徑的實時計算，由張力檢測裝置反饋的張力信號與張力設(shè)定值構(gòu)成PID閉環(huán)，調(diào)整變頻器的輸出頻率。
2、張力開環(huán)控制方式（轉(zhuǎn)矩模式）。變頻器工作在閉環(huán)矢量方式下，系統(tǒng)須安裝旋轉(zhuǎn)編碼器。控制系統(tǒng)簡單，無需張力反饋裝置，即可獲得穩(wěn)定的張力效果。這種控制方式適合在較低速度下的大張力控制，本文所要介紹的就是此種張力控制方式。
3、張力閉環(huán)控制方式（轉(zhuǎn)矩模式）。在b）的基礎(chǔ)上增加了張力反饋閉環(huán)調(diào)節(jié)，由張力檢測裝置反饋張力信號與張力設(shè)定值構(gòu)成PID閉環(huán)，調(diào)節(jié)變頻器輸出轉(zhuǎn)矩，可實現(xiàn)精確的張力控制精度。
在 2.張力開環(huán)控制這種模式下，利用變頻器矢量控制的轉(zhuǎn)矩控制功能，實時的根據(jù)張力的設(shè)定值、錐度、補償量，以及卷軸直徑計算出所需要的轉(zhuǎn)矩，從而達到間接的控制張力的目的。結(jié)構(gòu)簡潔，效果非常好。系統(tǒng)組成如下:

三、變頻張力開環(huán)收卷的控制原理
要保證收卷過程的平穩(wěn)性，不論是大卷、小卷、加速、減速、激活、停車都能保證張力的恒定，需要進行轉(zhuǎn)矩的補償。在不同速度的時候，補償?shù)南禂?shù)是不同的，即加速轉(zhuǎn)矩、減速轉(zhuǎn)矩、停車轉(zhuǎn)矩、激活轉(zhuǎn)矩，具有不同的補償系數(shù)。收卷整個過程的轉(zhuǎn)矩補償過程：電機的輸出轉(zhuǎn)矩=靜摩擦轉(zhuǎn)矩（激活瞬間）+滑動摩擦轉(zhuǎn)矩+負載轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)矩的補償為:（1）在加速時還要加上加速轉(zhuǎn)矩。（2）在減速時要減去減速轉(zhuǎn)矩。（3）停車時，因為是通過程控減速至設(shè)定的最低速，所以停車時的轉(zhuǎn)矩補償與減速轉(zhuǎn)矩的處理方法相同。 在張力控制模式下,要對速度進行限制,否則會出現(xiàn)飛車。轉(zhuǎn)矩的計算和卷徑的計算原理如下：
1）轉(zhuǎn)矩的計算：
T=（F×D）/（2×i）
其中：T 變頻器輸出轉(zhuǎn)矩指令， F 張力設(shè)定指令， i 機械傳動比， D 卷筒的卷徑，電機的轉(zhuǎn)矩被計算出來后，作為變頻器的電流環(huán)的給定，這樣就可以控制電機的輸出轉(zhuǎn)矩，所以轉(zhuǎn)矩計算非常重要。
2）卷徑算法原理:
厚度積分法。在系統(tǒng)中，PLC根據(jù)工藝需要來決定輸出速度/力矩，并同時從各個變頻器中讀取速度、電流、轉(zhuǎn)矩等信號，用作控制和顯示。PLC程序的主要任務(wù)是：處理起停連鎖、故障報警、速度控制以及顯示， 根據(jù)材料厚度按卷筒旋轉(zhuǎn)圈數(shù)進行卷徑累加或遞減，如果是線材還需設(shè)定每層的圈數(shù)，也可以從PG獲得圈數(shù)此方法在單一產(chǎn)品的生產(chǎn)場合被廣泛應(yīng)用。若厚度是需要經(jīng)常變化的，需要通過人機界面HMI將厚度信號傳送到PLC，由PLC進行運算后再傳送給變頻器。

四、系統(tǒng)調(diào)試過程
不銹鋼生產(chǎn)線的變頻控制系統(tǒng)算是一個比較復(fù)雜的傳動系統(tǒng)，必須分步進行調(diào)試。包括變頻器調(diào)試、PLC調(diào)試、生產(chǎn)試運行三個步驟。
4.1變頻器的參數(shù)設(shè)定及說明
收卷變頻調(diào)速及其控制：V2、V3用WIN-VB系列變頻器工作在無感矢量模式下，自動轉(zhuǎn)矩補償可滿足低速高轉(zhuǎn)矩的要求；V1、V4用WIN-VC系列變頻器工作在力矩/速度模式下，可達到收、放卷的性能要求。在變頻器的PG矢量控制中，轉(zhuǎn)速指令和實際速度的比較值通過一個速度調(diào)節(jié)器ASR后再進行轉(zhuǎn)矩限定，然后用來控制變頻器的輸出轉(zhuǎn)矩。限制轉(zhuǎn)矩的作用就是用來限定速度調(diào)節(jié)器輸出的轉(zhuǎn)矩電流指令，直接限制變頻器的輸出頻率。對于收卷而言，隨著卷徑的逐漸增大，速度將慢慢減小而轉(zhuǎn)矩值也隨之增大，這時主要控制轉(zhuǎn)矩值的大小就可以基本上保證轉(zhuǎn)矩值的精度。
1）自學(xué)習(xí)：要實現(xiàn)高精度的矢量控制性能，需建立在精確的電機模型參數(shù)上。WIN-VC的動態(tài)自學(xué)習(xí)模式，可測量從低到高不同頻率段時電機的參數(shù)，從而獲得準確的電機參數(shù)。在不同的頻率段建立相應(yīng)頻率段的電機模型，使變頻器從低頻到高頻都能精確控制電機。由于電機的一些參數(shù)（如空載電流、額定滑差、轉(zhuǎn)子電阻、鐵芯飽和系數(shù)等）在不同的溫度下有較大差異，為獲得最佳電機參數(shù)，使系統(tǒng)達到最佳的控制性能，建議在自學(xué)習(xí)之前最好將變頻器帶電機先運行十分鐘以上，待電機溫升達到正常工作時的溫度再進行自學(xué)習(xí)。
2） 將編碼器的信號接至變頻器，并在變頻器上設(shè)定編碼器的參數(shù)。然后用鍵盤給定頻率和進行啟停控制，觀察顯示的運行頻率是否在設(shè)定頻率的左右波動。因為運用閉環(huán)矢量控制時，運行頻率總是在參考編碼器反饋的速度，最大限度的接近設(shè)定頻率，所以運行頻率是在設(shè)定頻率的附近變化的。
3）放卷變頻器V1實際上只是提供一個反向的拉緊力，所以其控制精度要求不高。調(diào)試相對簡單。關(guān)于零速時的反向拉緊，即零速保持，必須同時設(shè)定速度極限功能，可避免斷料時的飛車情況，保障操作人員的安全。
4） V4在速度/力矩模式下重要參數(shù)調(diào)整說明：
a、力矩限制功能：在PG矢量控制方式下，力矩限制功能的典型應(yīng)用是開環(huán)力矩限制收（放）卷功能。力矩指令可以由多功能模擬量輸入端子、ModBus通信卡修改L7組相應(yīng)參數(shù)或通過操作鍵盤修改L7組相關(guān)參數(shù)等輸入信號任意設(shè)定。當不想在負載上施加一定量以上的力矩及不想發(fā)生一定量以上的再生能量時，可以使用力矩限制功能。力矩限制的精度：在輸出頻率10Hz以上時，為±5%，10Hz以下時精度較低。電機輸出力矩達到力矩限制值時，力矩控制優(yōu)先，電機的轉(zhuǎn)速控制和補償都無效。應(yīng)該注意的是會出現(xiàn)加減速時間增加及轉(zhuǎn)速降低的情況，而轉(zhuǎn)速降低正是收卷時所需要的特性。矢量控制時的速度（ASR）是把速度指令和速度檢出值（PG的反饋或者速度運算值的偏差）調(diào)為零，來控制力矩指令。

b、速度限制功能：為了防止負載力矩因故消失后電機發(fā)生飛車現(xiàn)象，力矩模式控制時可以設(shè)定速度限制值。速度限制的給定同樣可以由多功能模擬量輸入端子、ModBus通信、操作鍵盤等輸入信號任意設(shè)定。速度限制的控制功能在力矩控制的收、放卷系統(tǒng)中非常有用，可以控制收卷的速度時刻跟隨著牽引的速度，控制因過速引起的收卷故障。力矩控制時的另一個特點是在控制過程中可以加入力矩補償，在力矩控制的系統(tǒng)起動時，為克服系統(tǒng)的靜摩擦提供了一個額外的力矩，使系統(tǒng)的響應(yīng)更加迅速。
4.2 PLC程序調(diào)試
PLC程序主要功能有：
1、磨砂傳動的速度給定，并讀取該傳動的速度、電流、轉(zhuǎn)矩信號
2、根據(jù)磨砂速度來決定各動力點的速度給定，并讀取該傳動點的速度、電流、轉(zhuǎn)矩信號
3、處理收卷傳動的切換，即工位之間互換時速度給定和轉(zhuǎn)矩限幅的給定，各I/O信號是否動作正確。
在程序中設(shè)定空芯卷徑和最大卷徑的數(shù)值。通過前面卷徑計算，算出電機尾部所加編碼器產(chǎn)生的最大脈沖量（P2）和最低脈沖量 （ P2 ）。通過算出的最大脈沖量對收卷電機的速度進行限定，因為變頻器用作張力控制時，如果不對最高速進行限定，一旦出現(xiàn)異常情況，收卷電機會出現(xiàn)飛車危險。
4.3 生產(chǎn)試運行
在生產(chǎn)試運行前，必須設(shè)定好各動力點的參數(shù)，各種保護功能是否正確動作，速度的限制控制值和轉(zhuǎn)矩的限制值是否設(shè)定正確等等。同時還應(yīng)注意：
各個動力點必須先進行空載運行試驗。
在帶載試生產(chǎn)中，根據(jù)生產(chǎn)的實際情況還應(yīng)修正各類系數(shù)，如力矩補償、力矩增益、ASR參數(shù)等等，以確保各動力點的速度協(xié)調(diào)。通過設(shè)定以上的幾個參數(shù)，可以有效的改變系統(tǒng)慣量對加、減速時的影響，可以達到非常好的收卷效果。在用戶現(xiàn)場測試，加工厚度D=0.3mm到D=1mm不銹鋼板材時，磨砂機各個動力點的控制相當平穩(wěn)，加工出來的不銹鋼表面光潔，無氣孔，無渣，收卷達到內(nèi)緊外松的要求。

結(jié)束語
采用WIN-VC矢量型變頻器實現(xiàn)了磨砂機的收、放卷張力控制，與原系統(tǒng)相比，具有操作簡單、安全、可靠、加工精度高等優(yōu)點。張力設(shè)定在人機界面HMI上完成，使用卷徑的實時計算方法，精確度非常高，保證了電機輸出轉(zhuǎn)矩的平滑特性，使得板材、線材類的高速加工成為了現(xiàn)實，從而大大提高了設(shè)備的可靠性和生產(chǎn)率，成本上并沒有過多的增加，提升了企業(yè)的產(chǎn)品品質(zhì)和競爭力。