复卷机的运动控制毕业论文

III摘 要论文主要介绍复卷机主传动电机的选型依据，采用直流电控系统对退纸辊的张力控制，及两后底辊的负荷分配控制等。在张力控制中，分别对直接张力控制和间接张力控制进行了详细的分析。在直接张力控制中，直接张力控制是用实测张力作为反馈信号，与给定信号相比较，用张力调节器，组成张力闭环对张力进行调节。主要有下面三种控制方案采用张力速度电流三闭环控制。采用直接张力控制与/D=常数的扰动补偿控制结合起来，以获得良好效果。用张力电流双闭环控制系统。在间接张力控制中，通过磁场运算器，计算出产生相对于总的制动转矩所需要的电枢电流；再将此电流值作为转速电流双闭环控制系统中电流环的限副值去控制电机电枢电流。达到控制制动转矩、从而控制张力的目的。关键字 复卷机 张力控制 电机 传动目 录摘 要I1 绪论11.1 复卷机的概述11.2 复卷机的发展状况及国内外现状的对比21.3 此设计的工作32复卷机的工艺要求及控制系统的功能分析42.1 复卷机的机械结构42.2 复卷机的工艺要求42.2.1纸卷质量指标42.2.2 控制要求52.2.3压纸辊压力的调整机构52.2.4支承辊转矩程序控制62.2.5张力调整机构62.2.6电力驱动的“扰性”起动及适当的速度程序控制72.2.7复卷效率进一步提高72.3控制系统功能介绍83 控制系统的设计103.1原始数据103.2主传动电机的选型103.2.1复卷机主传动电机的选型依据103.2.2 退纸辊电机的计算方法113.2.3底辊电机的计算方法123.2.4本设计的电机选型133.3系统的配置143.3.1直流传动装置简介143.3.2 590装置的主回路143.3.3 590装置的程序控制163.3.4 590装置的功能模块与参数设置174 主要被控量的控制原理194.1 负荷分配控制194.2 压纸辊的程序控制194.3 S扰性起动214.4退卷张力控制224.4.1退卷张力控制总体分析224.4.2张力的产生234.4.3间接张力控制244.4.4直接张力控制25五 主传动的控制方案305.1总体说明305.2前后底辊的控制305.2.1前底辊的外部控制及组态305.2.2后底辊的控制原理说明315.3 退纸辊电机的控制方案325.3.1控制特点325.3.2设计分析325.3.3退纸辊间接张力控制的具体实现及其组态335.3.4 这样处理的优点：345.3.5 张力的扰动分析：355.3.6 张力的几个扰动量的常规补偿方法。356小结37致 谢38参考文献39393800/800复卷机电控系统的设计1 绪论1.1 复卷机的概述在造纸行业中，复卷机是卷筒纸生产过程中的最后一道环节，从抄纸机上生产出来的原纸卷，必须经过复卷之后才能作为成品纸出厂。由于纸机的抄造过程是连续性的，纸卷的更换并不需要停车；而复卷机的工作是间歇式的，每次更换原纸卷时必须停车，并且通常情况下，一个原纸卷，可能要分成若干次才能复卷完毕，也就是说中间会有几次停车过程，将卷好的成品纸卷卸辊，然后更换新的纸芯，再开始一次新的复卷过程。这些间歇过程通常是避免不了的，所以假如复卷机的工作车速不够快的话，会出现原纸卷的复卷时间大于抄造时间，其后果就是造成原纸卷的积压。而由于车间的空间面积总是有限的，而且生产原纸卷所需要的卷轴数量也是有限的，如果不能及时复卷出来，则一是放置原纸卷的空间不够，二是造成没有抄造卷取所需要的卷轴，这样就会迫使纸机停车。由于上述原因，通常要求复卷机的设计车速是纸机设计车速的3倍以上，因此说复卷机是造纸设备中工作车速最快的设备，这就为复卷机的设计与制造带来了很高的要求。复卷机设计车速的高低、运行工况的好坏直接影响着纸机是否能够正常工作。另外，对复卷机的要求，除了工作车速之外，还包括成品纸卷的卷取质量。对于成品纸卷卷取质量的评价，主要包括两个方面，一是外观要求，即分切端面是否平整光滑，没有台阶形状；其次是对内在质量的要求，首先是不允许在复卷过程中纸张出现打摺现象。第二是紧度在纸卷径向上的分布要求，考虑到纸卷的储存、运输以及用户设备的需要，要求成品纸卷的紧度在径向上分布均匀，并呈递减性态，俗称内紧外松。影响纸卷紧度的分布情况的因数主要包括三个方面：纸幅张力（Tension）、压区压力（Nip load）、扭矩（Torque），简称TNT。为了达到纸卷对紧度的要求，需要对这三个指标进行严格控制。图1-1是一个典型的双底辊下引纸复卷机的简单工作示意图，对这三个方面进行了说明。从图中可以看到，纸幅张力是纸张从原纸卷至后底辊这一段运行期间的张力，要求纸张在这一段期间内张力平稳。否则纸幅会出现横向偏移，造成纸卷端面不齐，形成台阶形状，严重时会出现打摺。压区压力如图中所示，指压纸辊对成品纸卷形成的压力，通常为液压驱动，可通过控制液压比例阀门控制压纸辊压力，一般需要设置由程序控制的压力曲线，随着成品纸卷直径的增大使得压力逐渐减小。扭矩为前后底辊电磁输出转矩之差，在复卷初期，要求纸卷硬度大一些，随着成 图1-1 复卷机工作示意图 品纸卷直径的增大，两个转矩的差别逐渐减小，趋于相等，甚至有时要求出现负值，即使得前底辊转矩略小于后底滚转矩。1.2 复卷机的发展状况及国内外现状的对比无论在国内国外，复卷机的发展无疑都是在造纸机发展的极大推动下进行的。为了满足日益提高的纸机抄造速度，复卷机的工作车速也随之一再提高。自20世纪90年代始，造纸机的发展突飞猛进，新技术、新设备不断涌现，纸机设计车速已经高达2500米/分钟，因应着这种发展形势，复卷机也取得了同步发展，展现出大量高新技术成果，获得了惊人的进步，总结起来主要有以下几个方面： 复卷机的车速提高了。设计车速已经达到了3500m/min,工作车速达到了3000m/min,复卷的幅宽也与纸机同步发展达到10m之多。像法国的Adlolf Tass纸业有限公司引进Valmet 公司生产的连续复卷、全自动WinDrum-M型的复卷机（抄速3000m/min,幅宽6000mm）,已投入生产。我国的南平、齐齐哈尔和华泰等厂家也都引进了高速复卷机，并都投入了生产。 出现了适用不同纸种、纸板复卷的各种型号的现代复卷机。在现代复卷机制造技术方面，居于领先地位的有两家公司，一是Voith Sulzer（伏依特-苏尔寿）公司，另一个是Valmet（维美德）公司。Valmet公司先后推出了5种有代表性的现代复卷机：WinDrum（双鼓复卷机）、WinBelt（皮带床复卷机）、WinAir（气垫减压式复卷机） JR1000E复卷机和WinRoll复卷机。Voith Sulzer 公司也推出了ToroTD 复卷机、 Toro Combi 复卷机和ToroSD 复卷机。 满足了市场对大直径卷筒纸的需求，由原来的只能复卷直径为11001250的卷筒纸，逐步发展到复卷直径为15001800的卷筒纸。 现代复卷机采用了模块化结构。 现代复卷机的控制水平、自动化水平大幅度提高。复卷中的许多人工操作实现了自动化，手工操作大量减少。 现代复卷机的设备利用率普遍提高，已由过去的0.60.8提高到0.850.95，甚至达到了0.951.0。可以看出，目前国际上复卷机的发展方向是高车速、大成品纸卷、大幅宽、高利用率，其最终目的是提高生产效率，从而降低对资源的消耗和浪费。而自动化程度的大幅提高，保证了设备使用率的提高，这就对复卷机设计车速的要求没有那么苛刻了，也就是说，复卷机的设计车速不一定非要达到造纸机设计车速的3-4倍。国外生产的高档复卷机中，几乎所有的操作均实现了自动化，即所谓的全自动复卷机，不仅提高了效率，同时也保障了操作人员的安全。比之于国外复卷机的发展情况，国产复卷机则相对落后得多。首先，国产复卷机的工作车速一般不高，大都集中在1500米/分钟以下，车速超过2000米/分钟的不多。其次，国产复卷机的品种比较单一，主要是上、下引纸两种。而作为代表目前复卷机发展方向的下引纸复卷机，也只是以双底辊复卷机为主，表明我国复卷机生产制造厂家对复卷机的复卷机理以及与纸张之间的适应性研究不够，因此也就限制了复卷机工作车速和复卷质量的提高。比之于进口复卷机，国产复卷机的另一个弱势是自动化程度不高。由此带来的问题是，复卷机的实际效率大打折扣，则抄纸机的车速必然受到限制，从而对生产效率的提高和生产成本的控制产生不利影响。综观我国造纸设备制造业的发展现状，抄纸机的工作车速可以达到500米/分，甚至更高。那么对复卷机的要求就是其工作车速必须达到抄纸机的34倍以上，即15002000米/分以上。如前所述，这恰恰是国产复卷机难以做到的。但是由于进口设备价格非常昂贵，并非国内所有企业都能够承受，因此目前国内很多企业所采取的措施是，以增加生产线来弥补生产效率的低下。导致我国大多数造纸企业仍然停留在低效率、高成本，以规模效益为主的层面上。这无疑是对我国有限的土地资源、水资源、能源以及原材料资源的浪费。因此说，目前国内业内对复卷机的研究已经滞后于生产发展的需要，成为制约我国造纸行业进一步提升行业水平的瓶颈之一。1.3 此设计的工作本文主要通过对复卷机的机械结构和工艺要求的分析，设计出能够满足工艺要求的复卷机电控系统。本课题选用直流调速控制系统，主要做以下几个方面的研究（1）复卷机工艺要求及控制系统功能分析；（2）对传动电机的选型依据、方法及计算；（3）复卷机控制系统的设计与组成；（4）复卷机电控系统的控制原理分析。2复卷机的工艺要求及控制系统的功能分析2.1 复卷机的机械结构下引纸复卷机是从机台下面送入纸幅使其绕过某一个支承辊再卷上纸卷的，纸从退纸卷上引过下方的几个引纸辊，通过固定位置的纵切机构，绕过前支承辊（按纸行方向数第二辊）或后支承辊，然后卷在卷纸轴上。其示意如图2-1所示：在复卷过程中，纸幅张力力图把纸卷拉向支承辊，使逐渐增大的纸卷得以稳定，并在高速卷取时能保证纸卷质量。该类型复卷机还可运用变化两个支承辊的图2-1 双支承辊下引纸复卷机示意图传动转矩差，结合压纸辊与纸卷间压区的压力调节，对纸卷质量做很好的控制。这类复卷机的纵切机构安装在固定位置上，避免了轴向窜动，易于分卷；并且大部分转动部件靠近地面，重心底，在高速运行中仍然保持稳定，因此它使用得较广泛。且车速可达2500米/分。幅宽达10米，能处理从低定量纸直到纸板等品种。它的缺点是不易接近机台，不便于引纸和调整舒展杆，为此常常在机台下方设一地坑，使得操作工人易于接近，有时还装设自动引纸机构和远离控制的舒展杆，以克服其缺点。本章的设计将主要针对双支承辊下引纸复卷机。下引纸复卷机还有一些其它型式，因其易于接近纵切机构和舒展器以及容易分卷，故较多用于窄幅纸卷。2.2 复卷机的工艺要求2.2.1纸卷质量指标不同类型的纸应选用相应类型的复卷机来进行复卷，复卷出的成品纸卷的质量指标不同，它们对复卷机自动控制系统的要求也是不同的,下面介绍双支承辊下引纸复卷机的自动控制系统主要应用于复卷书写纸、静电复印纸、板纸等的复卷，对于这类纸种的成品纸卷的质量指标如下：具有足够的硬度，而且内紧外松、径向硬度分布均匀，以保证纸卷在运输、储存过程中不变形、不崩裂，在印刷设备或其它加工设备上能平稳运行。2.2.2 控制要求复卷出的成品纸卷形态的优劣在很大程度上取决于复卷机性能。一台完善的复卷机必需具备下列几种机能：（1）压纸辊压力的自动程序控制；（2）支承辊转矩自动程序控制；（3）自动张力控制；（4）电力驱动的“扰性”起动和适当的速度程序控制。下面将分别从运行机理上分析这几种程序控制机构。2.2.3压纸辊压力的调整机构 卷取过程中成品纸卷的直径在逐渐增大，成品纸卷的重量在逐渐增加，成品纸卷与两底辊的接触点也在改变，这就是说如果压纸辊施加的压力恒定的话，成品纸卷与两底辊的接触点之间的压力也在变化。为此如果期望最佳的纸卷形态的话，就必须借释放压纸辊施加的压力负荷来补偿上述两项因素的影响，才能获得成品纸卷与两底辊的接触点之间的压力恒定的要求。压纸辊的作用力对纸卷紧度有较大的影响。压力调整机构的作用是保持纸卷与支承辊压区的压力稳定，约为11.2公斤力/厘米（约为11.2千牛/米），这就防止在初卷时因纸卷轴太轻而打滑以及在复卷后期因压力太大而卷得太紧。对某些纸卷来说，压纸辊应是有自动控制的，以便对纸幅施加附加作用力。从上面的分析可知，压纸辊压力一是保证纸卷与底辊间产生足够的摩擦力，而不至于打滑；二是压纸辊压力将直接影响着纸辊硬度。工艺要求必须保持压区压力恒定，但从后面对复卷机压区压力的分析将可以看出，为保证压区压力恒定，压纸辊液压系统释放的压力与成品纸卷直径之间的关系是非线性特性。在没有调整压纸辊压力的悬秤机构时，纸卷和支承辊之间的线压力的增加速度稍慢于纸卷重量的增加速度，但它总是随着纸卷直径的增大而增加的。在旧式复卷机上，压力悬秤机构是采用机械的悬秤装置。为了增加悬垂力，而将重物悬在固定于横轴上的凸轮或偏心轮上，在该轴上装有链轮，用链条与压纸辊或纸卷轴连接，纸卷直径增大时，横轴就转动，使重物固定端的凸轮臂增长，这就能使悬秤力增加。在新式的复卷机上，调整压力是自动程序控制的，它们采用气压式或液压式悬秤机构。它包括有电气程序控制单元、电磁减压阀和悬称油缸等，改变悬称油缸内油压就可得到不同的悬秤力。业已了解到，对许多种纸来说，仅仅有压纸辊压区压力的程序控制，还不能生产出质量良好的纸卷。同样，适当的支承辊转矩的程序控制，也不能单独地完全达到目标。只有压纸辊压区压力程序控制和支承辊转矩程序控制的适当配合，才能卷成从纸卷芯到外层硬度甚为均匀的纸卷。2.2.4支承辊转矩程序控制为了获得优质纸卷，支承辊转矩或速度控制必须满足适当的条件。如使用速度控制，支承辊间速差幅度应小于0.2%，且当纸卷直径增大时，两支承辊的速度必须接近1：1。对许多纸种来说，在起动时要用正速差，使得卷芯处卷得紧，而在直径卷大以后又希望有负速差，使纸卷外层卷得松些。如无精度高而配制适当的速差程序控制，是不能达到这种要求的。在这里先要说明一句，这里说的速差控制是指的速度给定差控制，前后两支承辊的实际的速度其实是一样的，只不过因速度给定差的存在使得它们所承担的负荷不一样，因此，这里所说的速差控制实质上也是转矩差控制。转矩的程序控制通常是控制前支承辊的转矩，其大小随着纸的品种而异，并需要在现场做实验来选定。大概趋势是在起动时差不多全部转矩施加于前支承辊上，使纸卷绷紧，随着纸卷直径增大，前支承辊的转矩逐渐变小，后支承辊的转矩大于前支承辊，直到两支承辊的转矩相匹配为止。然而，应当强调，转矩的程序控制最重要的还是起动时的转矩。2.2.5张力调整机构纸幅张力控制是保证纸卷形态的至关重要的因素之一，纸幅张力最重要的作用是展平纸幅，同时稳定的纸幅张力还将避免纸幅横向偏移。纸幅张力的大小对纸卷硬度的影响并不是关键因素，因为压纸辊的压力以及前后底辊之间的转矩差对纸卷硬度有着更大程度的影响。所以复卷机运行中通常是将纸幅张力调节到能保证使纸幅展平，至于期望纸卷具有较大硬度的话，可以采取增大压纸辊压力和增大前后底辊之间的转矩差来实现。纸幅在复卷过程中，纸的张力大小主要由纸种来决定，通常为0.32公斤力/厘米（约为0.32千牛/米）。正确地选用纸的张力能在一定程度上改善纸卷的质量，减小断头，保持复卷机工作稳定。因此，复卷机的传动应自动地保持张力稳定，并能根据生产需要进行调节。调节范围通常为1：4，张力最大的波动值不应超过10%，最小张力为0.3公斤力/厘米左右（约为0.3千牛/米）。纸幅纸力控制分为直接张力控制和间接张力控制两种，一般来说，直接张力控制精度高，需要安装张力传感器，投资较高；间接张力控制方式不如直接张力控制精度高，投资较底。两种不同的控制方式根据不同使用场合选用。不管采用直接张力控制方式还是采用间接张力控制方式，为了防止升、降速时的瞬间机械设备通过纸幅突然发生倾斜，造成纸幅横向窜动或断头，必须能够预设静止张力。对于要求高精度张力控制及高生产率的复卷机系统还应该考虑动态补偿环节，用以减小升降速过程中纸幅张力的变化。张力调整机构有多种型式。原始的张力机构是用手操纵制动器来获得张力的，因其操作复杂且张力大小不一致，仅适用于老式的低速复卷机上。较完善的张力调整机构，在整个工作速度范围内，能自动检测并控制张力使之保持恒定，也就是前面所说的直接张力控制。它基本上也可以分为两种：一种是在退纸卷后面配置检查张力用的浮动辊，把纸的张力大小引起的辊筒的移动变为气压信号或电信号，由制动器进行控制；另一种是在退纸辊的后面安装张力计，把张力大小转变成反馈信号与给定信号相比较，经过适当的调节器进行调节后，直接控制制动发电机的制动力矩进行自动张力控制。在退纸辊运行时，退纸辊电动机实际上处于发电回馈制动状态。为适应高速和大的卷径变化范围，也是为了克服张力大滞后给复卷机直接张力控制系统带来的不便，在采用直接张力控制时可增设采用前馈控制，这种方法可使复卷机获得良好的性能。2.2.6电力驱动的“扰性”起动及适当的速度程序控制 为了使纸幅不承受冲击张力，减少不必要的断头，复卷机的起动总是希望越平稳越好。给调速系统的转速电流双闭环前加入给定积分器，有利于复卷机的平稳起动，给定积分器的时间常数越大，系统起动越平稳。所以给定积分器在复卷机传动系统中有着十分重要的作用，其积分时间常数可在较大范围内调整，以适应不同加工工艺的要求。同样，复卷机在升速、降速时也总是希望速度变化越平稳越好，S型曲线升降速控制具有加速度的加速度为常数的特性，这正好符合复卷机在升速、降速时希望速度变化平稳的要求。以上四点是为了满足复卷工艺，电控系统所必须具备的调节机能。除此之外，复卷机对电控系统还有其它的要求，包括纠偏，自动检测到断纸后能紧急刹车，对液压站、气站的连锁控制，对圆刀的控制，计长等，这些方面在具体设计系统时都要考虑到。2.2.7复卷效率进一步提高前面的讨论都是围绕着要获得良好的纸卷形态而应有的控制要求及一般的控制方法，实际上厂家在选购复卷机时，复卷机的生产能力也是一个关键因素。分析复卷机的生产能力时，要考虑到复卷机生产中的两个特点：（1）复卷机的生产能力应与造纸机的生产能力相适应，否则将影响造纸车间生产的连续性。（2）复卷机是一种间歇性生产机器，影响复卷机生产能力的主要因素是复卷机的纸宽、车速、辅助工序所需的时间和卷取纸卷的直径。复卷机的幅宽是和造纸机相适应的，没有选择的余地。复卷机的车速和辅助工序所需的时间（决定于复卷机的机械化程度）对其生产能力的影响，在不同的条件下是不同的。对低速的复卷机提高车速能明显的增加其生产能力。但对于高速复卷机，仅仅进一步提高其车速时，对其生产能力的提高没有明显的影响。卷取纸卷的大小能够影响到复卷机中辅助工序所需时间的比例，因而也能影响到复卷机的生产能力。现代化的复卷机车速已经很高，达2500米/分以上，但真正在最高车速下运转的时间是很短的。相反，用在辅助工序上的时间所占的比重越来越大。所以使辅助工序机械化，减小辅助工序所需的时间，对提高复卷机的生产能力是很有意义的。由于电子技术的飞跃发展，高度自动化、智能化的复卷机已在国外问世，如分兰VALWET公司可提供车速2500米/分，除接头需要人工处理外，整个卷取过程能自动完成的复卷机，甚至改变分切规格都可自动完成，用在辅助工序上的时间非常短而且操作工人非常轻松。显示出复卷机电气传动今后的发展方向。2.3控制系统功能介绍从以上对复卷机控制要求的分析可知，复卷机对主传动的控制精度要求很高，以前的复卷机电控系统由于当时水平的限制，大部分采用单台直流电动机带动前、后底辊，而退纸辊采用磁粉制动来产生退卷张力，压纸辊的压力要靠手动来调节，这样就不能实现对前后底辊自动转矩控制，对退纸辊制动力矩的控制、对压纸辊的压力控制都是不平滑的和不精确的。当前复卷机电控系统的配制各式各样，可灵活的实现各种特殊要求。为了能实现精确灵活的控制，双支承辊下引纸复卷机的前底辊、后底辊、退纸辊一般均采用有传动控制。下面主要介绍在各纸厂广范应用的双支承辊下引纸复卷机电控系统的配置及相应的控制方案。从前面的分析已知，复卷时把原纸卷吊放在退纸架上，纸芯放在前后两底辊上，顶紧，系统在低速爬行状态下把纸从退纸辊上引过来经导辊引至纸芯上，粘贴好以后再让系统工作在车速较高的运行状态，所以系统有引纸和运行两种工作状态。对应于复卷机的引纸与运行两种工作状态：引纸时，两底辊和退纸辊都应工作在引纸低速电动状态，三个单元的线速度应基本一致，以保持一定的引纸张力；运行时，要复卷出符和要求的纸卷，电控系统必须满足一定的要求：（1）作为主传动单元的后底辊的转速决定着复卷机的总车速，前底辊的车速跟随后底辊，它们之间的控制还需考虑成品纸卷内紧外松的要求对前、后底辊的负荷分配控制。（2）退纸辊的控制，在退卷过程中，退纸卷直径越来越小，要保持退卷张力恒定，退纸辊的制动力矩应随卷径的变化而变化，其外在表现是退纸辊车速随卷径的变化而变化。（3）压纸辊压力的自动程序控制。（4）为了使纸幅在加减速及起动过程中不受冲击张力，复卷机应有S型升降速控制。从以上分析可知，复卷机自动控制系统的核心是对主传动的自动调速系统，所以从调速方式方面，一般可将复卷机自动控制系统分为两种配置：一种是主传动为直流电机的直流调速电控系统；一种是主传动为交流电机的交流调速电控系统。无论采用哪种配置，对于主传动来说最终都要达同样目的，即：（1）前、后底辊的传动中，底辊的转速决定着复卷机车速，需有以下几个功能：最低引纸速度。S型升降速特性。前、后底辊之间的力矩差控制。（2）退纸辊的传动主要是在复卷机运行中产生制动力用于保持纸幅张力，引纸过程产生电动力获得引纸速度。且需有：正向点动，反向点动。静止张力给定。间接或直接张力控制。成品纸卷长度显示。如选用的调速装置能实现智能控制，则可以利用这些调速装置直接组成较简单的复卷机电控系统。如纸种对电控系统的控制性能及精度要求较高，或用户对复卷机的自动化程度要求较高，则系统还需配置可编程控制器和触摸屏。由于直流调速装置与交流调速装置的控制方法不同，调速性能也不同，因此在实现以上特定要求的时候，电控系统的控制方案也大相径庭。3 控制系统的设计3.1原始数据 在对复卷机的电气传动进行设计之前，应该掌握所设计的复卷机的基本数据，包括：退卷纸幅的宽度L（mm），原纸卷的最大直径dmax（mm），退纸辊的最小直径dmin（mm），成品纸卷最大直径Dmax（mm），底辊直径d1（mm），纸幅单位张力z（N/m），车速（纸幅线速度）V（m/min），纸卷密度，引纸车速，加、减速时间等。纸种： 瓦楞纸 定量： 100-150g/m2 工作车速： 800m/min 引纸速度： 8-25m/min 升降速时间： 90S 原纸卷最大卷径： 2000mm 原纸卷宽度： 3800mm 原纸卷轴径： 240mm 成品纸卷直径： 1200mm 成品纸卷宽度： 1950mm 纸芯外径： 100mm 底辊直径： 500mm 左、右手机： 左手机3.2主传动电机的选型3.2.1复卷机主传动电机的选型依据在复卷过程中，纸幅从退纸卷上引出，绕过导纸辊、张力辊、舒展辊，通过固定位置的纵切机构，从机台下面送入纸幅使其绕过后底辊，然后卷在卷纸轴上。其中前底辊、后底辊、退纸辊分别由电机单独拖动，为复卷机的三个主传动点。复卷机主传动的选型主要应考虑电机的调速范围、功率、转矩这三个主要方面是否满足要求，当然还应综合考虑造价、与变速箱的配合等，以实现性价比最优。（1） 对于调速范围从结构图可看出，由于成品纸卷的卷取用的是“表面”卷取方式，故系统对两底辊的调速范围要求不高。但是对于退纸辊来说，由于退纸辊原纸卷直径在很大范围内变化，要保持在复卷过程中线速度一致，则退纸辊的转速变化范围将是很大的，即要求退纸辊电机的调速范围很宽，为： （1） （2） 对于传动功率传动功率强烈地受所需纸页张力，纸辊和纸的不同惯量，以及所要求的额定加速和减速作用的影响，传动功率将取决于：纸页张力或高峰加速度或减速度马力，包括张力和惯量，应考虑紧急停机所需的最大功率。（3） 对于转矩复卷机的传动系统可以按照分析机械结构类似的方法，分为两个部分，其一是卷取部分，另一个是放卷部分。放卷部分有一台放卷电机，即退纸辊电机；卷取部分有前、后底辊两台卷取电机，两组电机依靠纸幅联系在一起。放卷控制其实是一种恒张力控制4，通过调节放卷电机的反向转矩的大小，来提供一个向后的力，使纸面上产生一个恒定的张力，在稳速运行下，放卷电机的轴功率恒定。具体说，放卷电机的作用是提供一个反向的力矩，在放卷的过程中拉紧纸，使纸幅张力无论在稳速运行还是加、减速运行中，都能保持恒定的给定张力。我们应根据这个力矩来分析放卷电机的选型与控制；如果我们把卷取部分看成为一个整体，卷取电机主要就用来克服放卷电机所提供的反向力矩，拉平纸幅并卷取纸卷，我们对这两台电机的选型和控制的依据也是这样。下面就把复卷机主传动的两底辊作为一组、退纸辊作为一组来分析计算主传动电机的选型。3.2.2 退纸辊电机的计算方法从上面的分析可知，在复卷过程中，退纸辊的轴功率恒定，而在退纸卷卷径最大时的转矩要求也最大。要同时满足转矩、功率、调速范围的要求，退纸辊往往选择调压调速和弱磁调速相结合的调速方式，即在基速以下采用调压调速，基速以上弱磁调速，这样既可以达到足够的调速范围，又可以选择较小的电机容量来同时满足转矩和功率的要求。先计算稳速运行时的功率，复卷机卷绕特性如图3-1所示：图3-1 复卷机卷绕特性运行在a-b段，用调压调速方式，为恒转矩调速方式，应以最大转矩来进行计算，则要求运行在a-b段的退卷功率为：（KW） (2)运行在b-c段，用弱磁调速，为恒功率调速方式，则要求在b-c段的功率为： （KW） (3) 应取式（2）和式（3）中较大者来选择电动机功率，一般有：，所以按来选择电动机功率。如果在整个复卷过程中均采用调压调速方式，则要求的电机功率应为：（KW） (4)可见与这种单纯的恒转矩调速方式相比，采用调压调速和弱磁调速相结合的方式，电机容量可减少倍。 再计算加减速时为提供动态转矩所需功率，考虑动态过程，退纸辊电机功率应加大1.1-1.6倍，一般可取为1.5倍左右。以上是没有考虑减速箱时的计算，实际上如复卷机工作车速不是太高，一般主传动都会配置减速箱，退纸辊采用可弱磁电机，对于高速复卷机，当退卷卷径达到快卷完的某个值时，应该把车速降低，这个值假设为D3，则退纸辊减速比为： (5)系统加入减速箱后，相应的转矩的计算值都可以下降k3倍。如上所述，退纸辊功率的选型是按满足转矩来计算的，考虑减速比后，转矩可下降k3倍，故功率的选型也可下降k3倍。则退纸辊电机功率的最终额定值可选为：（KW） (6)3.2.3底辊电机的计算方法底辊电机的选型计算与退纸辊电机大致相同，但有以下不同点：（1）底辊电机的调速范围不大，只用调压调速一种工作方式。（2）稳态卷取过程中，前后底辊电机工作在恒速、恒力矩的电动状态。（3）两电机是串联拖动的，负荷在两电机之间进行分配，负荷分配系数应根据成品纸卷硬度及卷径进行取值，正常情况下电机不可能在全负荷下运行，但是考虑到动态过程，负荷的不均匀分配，以及计算的误差，应以负荷为标准并考虑余量。（4）力矩计算在稳速卷取过程中，纸幅张力恒定，电机输出力矩变化范围不大，引入减速箱使得（最大）车速下，电机转速为额定转速，可以使电机选择达到最佳。为 (7)（N/m） (8)要满足转矩要求，底辊电机功率应选为： (9)（5）功率计算在稳速卷取过程中，纸幅张力恒定，车速恒定，因此前后底辊电机共同提供的轴功率基本恒定，为：前后底辊电机的额定功率： (10) 3.2.4本设计的电机选型退卷纸幅的宽度3800mm，原纸卷的最大直径2000mm，成品纸卷最大直径1200mm，纸幅单位张力300（N/m），设计车速（纸幅线速度）800（m/min），底辊直径500mm等。（1） 退纸辊选型如上所述，退纸辊的选型主要应考虑调速范围、转矩、功率等参数的确定，为了节约成本，还应尽量选择标准可弱磁电机、减速机。暂定弱磁转速为2000rpm，则根据式（5）选择减速箱：，为了使设计留有一定的裕量，可以选择比这个值稍小些的某个标准减速箱。按式（6）确定电机功率：（KW）由以上的推导过程知，式（6）是按照退纸辊最大所需转矩推导而来，所以不必再进行转矩的核算，而且该式已经考虑了1.5倍的动态力矩裕量，所以在具体选电机的时候，可以查阅标准电机样本来选择功率在34KW左右、额定转速为750rpm左右、弱磁转速为2000rpm左右，安装尺寸合适的电机作为退纸辊电机，配用减速比为3.9左右的减速箱。（2） 底辊选型如上所述，前、后两底辊一般应选相同规格的不用弱磁的普通电机，额定转速暂定为2000rpm，则根据式（7）选择减速箱：，计算所得减速比和退纸辊的一样，为了方便，可以选择和退纸辊一样的减速箱。按式（10）确定电机功率：（KW），由于计算退纸辊功率时已经考虑了安全裕量，所以底辊电机选择功率大于27KW就可以了。为保险起见，可按式（9）再进行计算，比较两个结果，取较大者以满足功率、转矩两方面的要求。查阅标准电机样本来选择功率大于27KW、额定转速为2000rpm、安装尺寸合适的电机作为底辊电机，配用减速比为3.9左右的减速箱。3.3系统的配置3.3.1直流传动装置简介直流电机具有良好的起制动性能，宜于在广泛范围内调速，而且人们对直流调速技术的认识比交流调速早，在理论上和实践上都比较成熟，因此，在国内的大部分复卷机主传动都是采用直流电机。以前的复卷机大都采用分立元件组成的直流调速装置，用模拟电路进行控制，控制精度低，维修量大，而且很难实现智能控制。对于复卷机传动控制系统，它的前、后底辊，退纸辊的负载在卷纸退卷过程中是个时变的、非线性的量，采用模拟控制方法遇到了困难。主要有三点：（1）模拟调节器的参数是固定的，难以适应系统参数的大范围变化。（2）用模拟器件难以实现记忆存储和复杂的计算。（3）模拟控制方式难以实现非线性控制规律、自适应控制规律和自寻优控制规律。目前，各种品牌的数字式直流调速装置已大量使用，这些装置在主电路上采用模块化结构，在主控回路用的多是集成化电路，再加上微处理机存储记忆、计算、判断、通讯功能、内部数字化量的传递与控制等，使得装置不仅工作稳定可靠，而且可根据实际需要对装置的控制参数进行适当的修改即组态，以达到我们所需要的控制性能。目前国内外各品牌直流调速装置较多，各纸厂应用较多的有欧陆590、西门子、ABB，它们在整流主电路及主控电路等硬件配置上大同小异，只是在软件设计上各有特色。下面主要以在国内应用较为广泛的欧陆590为例，介绍应用于复卷机主传动控制的直流调速装置。3.3.2 590装置的主回路（1）电枢回路590控制回路由微处理机中心控制，采用许多可根据实际要求自由搭配的功能模块，还可实现转速环及电流环的参数自整定。电枢回路由以下两种方式之一组成：4象限可逆驱动直流逆变二桥反并联；2象限单向运转，六只可控硅组成正向桥路。在2象限晶闸管桥的情况下，由3个模件提供6个晶闸管，构成一个整流桥。每个晶闸管都由触发门阵列单独控制，用脉冲变压器进行电压隔离。这种整流桥有两种抑制方式，一种是用RC网路限制晶闸管上的电压上升速率，从而减小虚触发的可能性；另一种是用压敏电阻（VDR），把施加的最大电压保持在晶闸管额定值的极限内。4象限有一附加的反向逆变控制，逆变桥与整流桥反向并联，以提供再生制动能力和反向运转能力。这就可给我们的退纸辊提供灵活、方便的制动控制，因为退纸辊在爬行时需要工作在低速电动状态，在运行过程中需工作在制动力可自动调节的发电制动状态。电枢桥内部不安装半导体熔断器保护，而是在外部由用户提供。电枢桥采用电子电路控制保护防止电流过载；外部要安装熔断器，进行短路保护。（2）励磁桥励磁电源是由一半控桥晶闸管整流桥产生的，它用两种方法控制励磁。一种是电压控制，即简单的相位角控制，输出是一可变电压源；另一种是用闭环电流控制。闭环电流控制可精确调节励磁电流，从而防止电流随网路电压变化，或励磁电阻热变化而变动。如控制器要通过削弱磁场的方法扩展速度运转范围，就必须使用闭环电流控制。（3）反馈控制器对电动机所需的所有参数都可实现闭环控制。因参数要控制，就必须向控制器提供反馈 。电流反馈形式是电枢电流；这是用3个交流互感器监视晶闸管桥的相电流而实现的。交流反馈被整流后，通过适当选择的电阻，就可得到所需的电流电平。速度反馈有以下三种，可选择其中的一种：直流测速发电机。编码器。电枢电压直流测速发电机、编码器，是直流电动机外部安装的部件；控制器内有一电路为速度反馈进行换算。用于速度控制和削弱磁场控制的电枢电压反馈，是内部提供电路完成；它通过精确的高阻抗分压器提供一个隔离的信号，连接标准放大电路。励磁部分也有一电流反馈，也是用电流互感器监视交流电流信号。各种形式的反馈，都由安装在校准板上的内部校准电阻，换算为用户所需的电平。（4）辅助电源和主接触器控制器电源是取自交流辅助电源的输入端，辅助电源通过变压器、整流器电路，形成低压电源。在需要控制动作时，辅助电源必须一直接通，之间不必安装附加的开关。控制器需要一电源接触器，直流、交流都可以，与主回路电源串联，以保证正确的合闸顺序。这一接触器由微控制器通过隔离继电器直接启动；隔离继电器用于辅助电压相同的电压驱动接触器线圈。不应有辅助触点与接触器线圈串联，这样会造成控制顺序问题。如使用直流接触器，直流接触器的辅助触点，应连接“使能”输入端，以保证正确的顺序。（5）另外590装置还有强大的外围控制电路，篇幅有限，此处不详细介绍。3.3.3 590装置的程序控制（1）电枢电流控制1）工作原理电流或从速度环，或直接从现场接受电流给定，并形成误差信号，它是给定与平均反馈值之间的差值。误差信号被馈送到比例积分调节器，它产生电流环的输出，即触发信号。在590传动装置中，以两种不同的形式生成误差信号。平均误差被馈送到PI算法的积分部分；而瞬时误差计算为要求与瞬时反馈值之间的差值。这一误差被馈送到PI算法的比例部分，产生较高的瞬时效能，因为与平均值不同，不含有任何时间滞后。而平均值含有电源周期1/6的固有滞后。但平均值是转矩的真实量度，而转矩是电流控制的目的，而且在达到零稳态误差中，不受很小的时间滞后的影响。触发角信号转换为比电源过零点滞后的一段时间（通过锁相环取得），并且生成触发指令，在稳态下，每1/6电源周期向晶闸管组发送一次。下面将介绍电流控制器的一些特点：自适应电流控制晶闸管6脉冲直流器的增益，在电枢电流不连续处急剧下降。所以电流控制器内要求提高增益，以进行补偿。在590传动装置中，这是用自适应算法处理，使电流在不连续工作区域内，以一步之差跟踪电流给定。 反电动势的估算电动机在静止时零电流的触发角是120度。在电动机以不同的速度旋转时，零电流的触发角沿余弦轨迹移动。如果要使电流环的带宽，在电流从主桥向从桥（反向亦然）反向过程中，保持在尽可能高的水平，就必须尽可能紧密地跟踪这一轨迹。要获得精确的触发角初始值，必须知道工作反电动势。在590传动装置中是通过硬件峰值电流检测器和适当的软件算法组合起来的。桥转换延迟桥转换“死区时间”，即零电流时间间隔，是可编程的。“死区时间”可以设定为1/6主电源周期的倍数，其数值为1到6，即最大值为20毫秒。2）电流调谐电枢电流调谐可用自动调谐，但自动调谐有两个限制。一是实现自动调谐，要求励磁线圈被关断，所以，自动调谐永磁电动机或具有较高剩磁的他激电机时，轴要求夹紧。二是可能造成电流过流跳闸。所以如果自动调谐不成功，可以手动调谐。电流调谐的要点是：如I增益过高，响应就会阻尼不够（过冲太大，而且长时间震荡才能稳定）。如I增益太底，响应就会过阻尼（长时间指数上升）。在I增益设定在最佳值时，如P增益太底，响应会欠阻尼。同样，如P增益太高，响应也会恢复到欠阻尼，趋向完全不稳定。（2）速度控制1）工作原理速度环从外部回路（即位置环）接受给定，或直接从设备接受给定并形成误差信号，这是给定与反馈的差值。误差信号被馈送到比例、积分补偿器，后者产生速度环输出，即电流给定信号。与电流环同步的速度环比例积分算法的比例部分，在电流环的每次运行前便立即执行，因此保证有最小的时间滞后，并有最大的带宽。模拟测速仪和编码器的组合反馈在比例积分算法的比例部分使用模拟测速仪反馈，在积分部分使用编码器反馈（用电流环类似的原理）因此，590传动装置，把最大的瞬变响应以数字反馈的高稳态精度结合起来。2）速度环的调节速度环的调节是手动完成，即为负载选择精确的时间常数，然后调节增益，达到所需的阻尼。也就是说上升时间快，而过冲最小甚至没有。设定速度环增益的指标，与上述电流环增益相同，只是时间常数为积分增益的倒数。（3）另外590装置还有丰富的励磁控制、人机接口、串行通讯等配置。3.3.4 590装置的功能模块与参数设置（1）功能模块590装置中有许多功能模块，有输入、输出模块、电流控制模块、速度控制模块、磁场控制模块等，还有许多允许重新配制的模块，有：上升/下降、直径运算、斜坡、PID调节器、锥度计算、转矩计算器、给定值合计1、给定值合计2等，有些输入输出模块也允许重新配置，还有一些内部连线，也允许重新配置。这样，人们就可以按照自己的控制目的来进行组态实现了。590装置每个参数都有唯一的一个标记号与之配用，该标记用于重新配置系统时来标置相应的参数。在重新组态系统时，必须首先启动配置使能标志，这一标志使所在输入与框图断开， 防止改变标记号时写入不正确的数据而造成危险。在配置结束后，配置使能标志必须返回禁止状态，只有返回到禁止状态，装置才能运行，否则装置将发出报警。590的组态方法分为三类： 输入、输出的重新配置，允许重新配置的参数有：模拟输入1、2、3、4、5；模拟输出1、2；数字输入1、2、3；数字输出1、2、3。 软件模块的重新配置，允许配置的模块有：上升/下降模块、直径运算模块、PID调节器模块、锥度计算模块等。 内部连线的配置，共有10根内部连线：LINK1LINK10。（2）设定参数装置出厂时厂家已根据通常使用的情况为参数赋予了参数值，即所谓“缺省值”。当用户为了实现特定的用途时，必须通过人机接口（MMI）对相应参数进行修改。修改后的参数还必须进行参数存储操作，将修改后的参数存储到“EEPROM”存储器中，以免失电丢失。参数设定的操作步骤从略。4 主要被控量的控制原理4.1 负荷分配控制前、后底辊采用欧陆590直流控制，以后底辊为主传动单元，前底辊为从传动单元，以此实现两底辊间的控制。为了更好的引纸，在引纸过程中，前、后底辊均应为速度控制，并且前底辊的速度应稍大于后底辊。此时，压纸辊还没有压下来，前、后底辊间并不存在负荷分配的关系。正常运行时，为了得到成品纸卷内紧外松一致性形态，前、后底辊要求有负荷分配控制及锥度控制。引好纸，压纸辊压好以后，前后两底辊共同带着负载运行，此时前后底辊负荷分配关系紧密影响着成品纸卷的紧度，影响着成品纸卷的的内部及外部形态。负荷分配系数应根据成品纸卷的大小而作适当调整，所谓锥度控制。4.2 压纸辊的程序控制卷取过程中成品纸卷的直径在逐渐增大，成品纸卷的重量在逐渐增加，成品纸卷与两底辊的接触点也在改变，这就是说如果压纸辊施加的压力恒定的话，成品纸卷与两底辊的接触点之间的压力也在变化。为此如果期望最佳的纸卷形态的话，就必须借释放压纸辊施加压力负荷来补偿上述两项因素的影响，才能获得成品纸卷与两底辊的接触点之间的压力恒定的要求。成品纸卷与两底辊的接触点之间的压力的数学模型分析如下：图4-1为压区压力分析图，设定：F成品纸卷与底辊接触点之间的压力，这一压力应保持恒定，根据纸种不同一般为300400公斤/米；B切边后纸幅宽度纸的比重D成品纸卷直径F1为保证成品纸卷与底辊接触点间的压力恒定，压纸辊应施加的压力（公斤）F2成品纸卷的自重F2=D2B/4(公斤) a压区压力与纸卷自重间的夹角 图4-1 压纸辊压力分析图G压纸辊自重由图知： FCOSa=（F1+F2）/2 （4-1） 式中：（4-2） 将（式4-5）代入（式4-4）并整理得：（4-3）前面已经提到过，压纸辊压力一是保证纸卷与底