带制动能量回馈单元的放卷 张力控制系统

1、ELECTRICDRIVE2009Vol.39No.6电气传动2009年第39卷第6期带制动能量回馈单元的放卷张力控制系统陈德传,张奇松(杭州电子科技大学智能控制与机器人研究所,浙江摘要:,为降低此类设备的耗电量,。介绍了,并简介了系统实现技术,。;电机控制;节能;卷绕物TP29文献标识码:AUnwindingTensionControlSystemwithBrakingEnergyFeedbackUnitCHENDe2chuan,ZHANGQi2song(Intelligence&RoboticsInstitute,HangzhouDianziUniversity,Hangzhou3

2、10018,Zhejiang,China)Abstract:Currentunwindingtensioncontrolsystemsgenerallyusemagneticpowderbrake,whichhaspoordynamicperformanceandisbelongedtoenergy2consumingtypeofbrake.Inordertoreducetheenergy2con2sumptionofthesedevicesandfurtherimprovethecontrolcapabilitytomeettherequirementsofhigh2speedproduct

3、ion,aunwindingtensioncontrolsystemwhichrunsintorque2controllingmethodanduseDCservomo2torasitsexecutantwasproposed.Thesystemisabletofeedbackthebrakeenergytopowergrids.Systemsprinciple,designmethodandtensioncontrolforwiderangevariationofwebradiuswereintroduced.Realizingtechnologiesweresimplyintroduced

4、.Thesystemhasgoodapplicationprospects.Keywords:energyfeedback;unwindingtension;motorcontrol;energysaving;winding1引言在诸如塑料薄膜、纺织物、纸品、箔带、线缆及可绕性管材等各类卷绕物生产过程中,需将经前道工序加工的卷绕物以恒张力方式从料筒中放卷出来,以供本工序的加工处理。在此类生产设备中,一般由进给辊将卷绕物从卷料筒中拉出,而放卷轴常用被动式,为实现恒张力放卷控制而常用磁粉制动器作为放卷张力控制的执行元件1。磁粉制动器具有控制简单、应用方便等特点,但其制动力矩与励磁电流间呈非线性关系

5、,在要求高精度控制的场合,一般采用非线性补偿的方法2。再者,磁粉制动器动态响应较慢,使得它在高速卷绕的应用场合中难以满足要求3,此外,磁粉制动器属于耗能式元件,且一般还需采取散热基金项目:浙江省科技计划项目(2006C31048)措施4。因此,在研究提高张力控制性能的同时,如何将放卷过程的制动能量回馈给电网以达到节能的目的,将具有重要的意义。本文提出一种以运行于力矩方式的印制绕组直流伺服电机作为卷绕物放卷张力系统的执行元件,在提高放卷张力动、静态控制性能的同时,还能将电机制动过程产生的能量回馈到电网实现节能控制的新型放卷张力控制系统。2基于能量回馈的放卷张力控制系统方案带能量回馈单元的卷绕物放

6、卷张力控制系统框图如图1所示。其中,DC/AC为IGBT智能功率模块,DC/DC为采用IGBT的H桥式PWM3变换器。Uv3为线速设定值,UF为张力设定值,作者简介:陈德传(1959-),男,高级工程师,Email:chendechuan55电气传动2009年第39卷第6期陈德传,等:带制动能量回馈单元的放卷张力控制系统Ud3为DC/DC的PWM变换器供电电压设定值。Pf=12Fv(1)式中:1为电力电子变流器的效率;2为电机及传动机构的效率。3F-I双闭环控制回路的分析与设计3.1制动力矩控制回路的分析,。图3中,ACRi3,Ui分别为电流设定信号(V)(V),Uc为H桥式PWM变换器的控(

7、V),Ud为电枢电压(V),Id,IL分别为电枢电流、等效综合负载电流(A),IL0为由带材张力决定的负载电流(A),I为由机械摩擦力矩及惯性矩等决定的附加损耗电流(A),Es为感应电动势(V),Ks和Ts分别为DC/DC装置的放大系数和时间常数,R为电枢回路总电阻(),Tl,Tm分别为电枢回路电磁时间常数(s)和系统的机电时间常数(s),Cm为电机力矩常数(Nm/A),为电流反馈系数(V/A),Toi为滤波时间常数(s)。图1Fig.1tensioncontrolsystemdiagramwithenergyfeedbackunit图1中,卷绕物的线速度由进给电机M2决定,而放卷过程的制动力

8、矩由直流电机M1提供。ACR为电流调节器,通过对电枢电流的控制来实现对放卷制动力矩的控制。为保持张力的恒定,制动力矩必须随着卷半径r的变化而变化。ATR为张力调节器,具有对卷径的自适应功能,卷绕半径r由代表电机力矩的电枢电流与张力信号进行估算。Uv3还可对ATR的工作进行使能控制及变速中对张力的动态补偿控制。能量回馈控制单元框图如图2所示,其中的DC/AC变换器可实现能量的双向流动,当直流母线电压过高时启动有源逆变,并通过采集的同步信号来控制回馈电流的相位,以实现高功率因数的能量回馈控制。图3制动力矩控制回路的动态模型框图Fig.3Thedynamicmodeldiagramofbraking

9、torquecontrolloop在图3中,由于薄膜类卷绕物的厚度很薄,由卷径变化及动态速度变化决定的惯性力矩及动态附加力矩等所占的分量较小,其对应的等效附加电枢电流分量I也较小,故暂不考虑其影响。当ACR选如下的PI调节律,并将图3所示的系统模型作工程化处理及按典型I系统的最佳参数整定5,6后,可得图3所示系统的等效传递函数为(2)WACR(s)=is3Ui(s)2Tis+1T=CmIdTi=Toi+Ts(3)(4)(5)图2能量回馈控制单元框图Fig.2Theenergyfeedbackunitdiagram回馈功率Pf的大小主要由张力F和转速v决定,如下式:56陈德传,等:带制动能量回馈

10、单元的放卷张力控制系统电气传动2009年第39卷第6期3.2自整定张力调节器的设计综述分析得图1系统中的放卷张力控制回路的等效动态模型框图如图4所示。其中的ATR为张力调节器,UF,UF分别为张力设定值(V)与反馈值(V),为张力反馈系数(V/N),Tof为ATR滤波时间常数(s),T为输出力矩(Nm),T为综合负载力矩(Nm),r为放卷的卷半径(m),r为卷半径估计值(m),F为卷绕物放卷张力(N)。由于在ATR参数自整定中对r的检测精度法,对应的4个IGBT的开关控制规律如表1所示,其中的us为调制波信号(V),uca为三角载波(V)。要求不高,故暂不计T对r的影响7。HPWM有源逆变电路

11、图5HBridgePWMactiveinvertercircuit表1单极性SPWM调制的开关控制规律表Tab.1TheswitchcontrolregulationtableunderunipolarSPWMmodulation图4Fig.4Thedynamicmodeldiagramoftensioncontrolloopus>0us<0S1通,S2断us>ucaus<ucaS1断,S2通us>ucaus<uca当张力调节器ATR选如下的PI调节律时,可按典型I系统的最佳整定方法得其参数整定公式。其中的r3为基准半径(m),kr为ATR的参数自动修正系数

12、。因限于篇幅,此处不对图1中的速度张力协调问题展开分析。WATR(s)=fsf=2TiKf=S3断S4通Uo=UdS3通S4断Uo=0S3断S4通Uo=0S3通S4断Uo=-Ud在电源电压为220V、电源频率为50Hz、滤波电感为3mH、开关频率为10kHz、DC端电压为240V时,利用Matlab/Simulink11对能量回馈单元进行仿真,得电网电压和回馈电流的波形如图6所示,仿真结果表明:该能量回馈单元的功率因数接近于1,且回馈电流的谐波成分很小。(6)(7)(8)(9)(10)TiTi3r=rkrTofCmTofCmkr=rrrm=UFFUF/式(10)表明:可利用电枢电流反馈信号Ui

13、,张力反馈信号UF来估算卷绕物的放卷半径。此外,式(6)在编程中实际上采用抗积分饱和的PI控制算法8。4DC/AC能量回馈单元的控制与图6电网电压和回馈电流的同步曲线图Fig.6Thesynchronizationcurvesofpowergridvoltageandfeedbackcurrent仿真能量回馈单元的主电路采用如图5所示的H桥式PWM有源逆变电路,通过控制回馈电流IN的幅值和相位9,10,可实现高功率因数的制动能量回馈控制的目的。图5中的4个IGBT(S1S4)工作于单极性的SPWM调制方式,并采用平均对称的规则采样5节能型F-V协调控制器的技术实现图1中的节能型F-V协调控制器

14、是以高性能数字信号处理器TMS320LF2407A为控制核(下转第69页)57王树东,等:基于工业以太网和无线通信的水厂SCADA系统电气传动2009年第39卷第6期6结束语本设计以工业以太网作为网络主干配以无线宽带通信以及PROFIBUS2DP现场总线的SCA2DA自动化控制网络,取得了如下效益。1)节省了大量电线、电缆,降低了系统的安装难度,减少了硬件投资以及系统的维护费用。2)组网方便灵活,同时又增加了现场设备的灵活性和可移动性,新增设备直接挂接于现场总线即可,为以后生产的扩建提供了便利条件。3)对于一些远距离控制,采用无线通信技术可扩大控制范围,延长控制距离,可预知的环境,。,实践证明

15、,实现数据远程采集与集中监控和二泵房及远程增压泵站、测压点无人值守的要求,实现“基础自动化+2级过程控制计算机+3级生产管理计算机”的一体化结构,(上接第57页)具有很好的应用推广价值。参考文献1曾文,王宏,徐皑冬.基于EPA标准的无线通信技术的应用研究J.微计算机信息,2006,22(2):47-49.2郭凤文.水工业自动化控制技术的发展趋势J.中国给水排水,2001,17(3):32-35.3李正军.M.北京:4.J.,38(2)5M.北:,2000.6崔坚.西门子工业网络通信指南M.北京:机械工业出版社,2005.7苏昆哲.深入浅出西门子WinccV6M.第2版.北京:北京航空航天大学出

16、版社,2005.收稿日期:2008206203修改稿日期:2009201224心,人机界面由192×64的点阵式LCD、功能按键、用于状态指示的发光管及分别用于设定张力与线速度的指针式电位器、开关电源模块等组成。DC/DC变换器采用IGBT桥式PWM变换器,DC/AC变换器采用IPM模块,内含6个IGBT且自带驱动及保护电路,本系统取其中的2个桥臂(4个IGBT)组成H桥式PWM逆变电路。此外,用于放卷张力控制的电机采用2.1kW的印制绕组直流伺服电动机。J.东南大学学报,2005,35增(II):248-252.2高良凤,杨娅君.张力控制系统中磁粉制动器的非线性补偿J.橡胶工业,2

17、005,52(4):241-243.3陈德传.基于快速驱动的磁粉制动器放卷张力自镇定控制J.机电工程,2007,24(3):19-21.4叶春强.磁粉制动器的改进J.湖南造纸,2007(4):34-35.5王春侠,聂翔.基于ITAE最优的直流电机速度控制器设计J.微计算机信息,2007,23(28):30-31.6陈伯时.电力拖动自动控制系统运动控制系统M.第3版.北京:机械工业出版社,2003.7LINKC,TSAIMC,CHENKY.WebTensionControlofaStart2upProcessUsingObserverTechniqueswithFrictionandInerti

18、aCompensationJ.IEEE,2001,29(1):529-534.8陶永华.新型PID控制及其应用M.第2版.北京:机械6结论本文所述的系统已在最高线速度为400m/min、最大张力为300N的塑料薄膜分切机中得到应用,该系统具有快速、平稳的张力控制性能与良好的节能效果,且在卷径变化范围高达10倍情况下,系统的控制性能均符合生产要求。采用带能量回馈单元的卷绕物放卷张力控制系统是一种新的技术尝试,在提高卷绕物放卷张力控制性能以及降低相关生产设备的能耗等方面都具有重要的意义。参考文献工业出版社,2002.9张纯江,顾和荣,王宝诚,等.基于新型相位幅值控制的三相PWM整流器数学模型J.中国电机工程学报,2003,7(23):28