应用变频器中心卷绕功能精确控制张力

1、应用变频器中心卷绕功能精确控制张力纺织生产过程中的半成品或成品，如纱线、布匹需要卷绕在轴或辊上，例如：分批整经机将成片纱卷绕在经轴上；浆纱机和浆染联合机将成片浆过的纱卷绕在织轴上；卷染机和轧卷染色机将布卷绕在收放辊上。这些设备在卷绕过程中都有一个共性问题，即需要恒张力控制，卷绕直径从最小直径到最大直径，要求纱和布的张力保持不变。利用变频器或交流伺服的中心卷绕功能可以较好解决卷绕恒张力控制。常见的卷绕方式有两种，即摩擦卷绕和中心卷绕。摩擦卷绕的效果受摩擦辊的影响很大，如：分批整经机的经轴卷绕，传统的机构采用摩擦辊卷绕方式，由于摩擦传动易使纱线增加毛羽，影响产品质量，且不利于后道工序生产，特别是在

2、升速和降速过程，影响会更大，也限制了整经机向高速发展。所以新型的高速整经机多数采用中心卷绕方式。浆纱机和染浆联合机的织轴卷绕，传统的机构采用机械式无级变速器（PIV）作为中心卷绕方式。经过长期生产实践，PIV机械故障频繁，维修保养复杂，同时随着无梭织机的发展，要求织轴大卷装，PIV很难满足大卷装织轴恒张力卷绕的要求。卷染机和轧卷染色机的织物卷绕，传统的卷绕机构较多采用直流电动机控制系统，作为中心卷绕方式，直流控制系统技术成熟，控制方便，能较好地满足生产要求。但直流电动机有整流子和碳刷，需经常维护，特别在印染企业环境恶劣，直流电动机故障率高，企业不大欢迎。自从变频器技术问世以来，人们考虑将变频调

3、速技术应用到中心卷绕机构，可以发挥交流电动机固有的优点，结构简单、坚固耐用、经济可靠。经过多年的实践证明，变频调速技术可以满足中心卷绕的要求，国内外的整经机、浆纱机、卷染机等同类设备已大量采用变频器中心卷绕技术。在张力控制要求更高的场合，采用交流伺服中心卷绕技术。经轴卷绕、织轴卷绕、布辊卷绕采用中心卷绕方式，当卷绕直径从小直径向大直径变化时（浆纱机织轴最小卷径为100mm，最大卷径为1000mm；卷染机卷布辊最小卷径为200mm，最大卷径为1500mm）为了使纱或布的表面张力保持不变，必须保证转速的变化与卷径成反比，转矩的变化与卷径成正比，若没有转矩补偿，随着卷径的增大，则纱或布的张力会逐渐减

4、少。所以必须通过卷径计算，进行转矩补偿，以保证卷绕过程中的张力恒定。卷径计算一般有两种方式。第一种方式：由PLC计算卷径。检测出卷绕电机的转速输入PLC，由PLC进行卷径计算后，输出控制信号给变频器，控制卷绕轴或辊的运行。第二种方式：变频器具有计算卷径功能，变频器生产厂商设计专用于卷绕的变频器，卷径计算由变频器内部完成（目前较多采用高速DSP芯片和自行开发的软件来实现），变频器根据内部计算出的卷径对卷绕张力进行调节。这种方式简化了控制系统，PLC不需要使用模拟量模块，降低了成本，因此这种方式成为发展方向。国内外多家公司推出卷绕专用变频器产品供选用，如西门子公司、ABB公司、艾默生公司、三恳公司

5、以及中国汇川公司等产品并已批量应用于国产纺机中心卷绕的设备上。西门子公司具有中心卷绕功能的交流伺服系统，也已在国内七单元浆纱机上配套应用。在纺织机械上采用卷绕专用变频器进行张力控制主要有两种方案：张力闭环控制方案和间接张力控制方案。对于张力控制精度要求高的场合，采用张力闭环控制方案，通过张力传感器检测实际张力，其信号反馈到卷绕专用变频器或交流伺服驱动器，构成张力闭环控制。间接张力控制方案不需要张力传感器，由卷绕专用变频器或交流伺服驱动器内部计算出卷径，根据卷径计算出所需的转矩，从而间接控制纱线或布的表面张力。这种方案成本较低，由于采用了高性能的矢量控制变频器或直接转矩控制的变频器，可获得较高的

6、张力控制精度。以上两种方案国内设备上都有采用，企业可以根据自身设备的特点选用合适的张力控制方案。1、卷绕控制要求?    保证张力辊在一个小的范围内波动（形成稳定的张力）。 ?    卷径自动计算或通过传感器检测。?    回转速度随卷径变化自动调整。?    方便地实现变张力控制。?    适用于纸张、布匹等材质的收/放卷。293EV的特点l       功率范围0.37-400kWl

7、       转速为零时，仍可保证满力矩输出l       60s 内可持续过载180%(0.3790kW)l       速度设定范围1100（带反馈时11000）l       速度设定范围110（带反馈时120）l       响应时间短，速度偏置小l   

8、60;   内置多种实用功能（同步、卷绕等） 393EV的中心卷绕控制 卷径变化范围较大的工况，如超过1：10； 带松紧架(Dancer Roll)的速度控制方式下的带状材料中心卷绕(收卷或放卷)控制； 用负荷传感器控制张力的情况，需要细致调整调节器，减小速度波动；以收卷为例加以说明，示意图如下：中心卷绕轴系统：由电机、减速机驱动卷绕带材(收卷或放卷可逆控制)； 松紧架(张力架)位置检测系统：通常用薄膜电位器检测浮动辊的位置，在浮动辊上施加负荷以实现张力控制； 线速度测量系统：通常用胶制靠轮，再用旋转增量编码器测量靠轮的角速度，进而推算带材的线速度；93EV内部信号处理流程

9、图如下： 实现过程：X9信号接受主机线速度信号，AIN1接受张力实际信号。信号具体变化过程如下：初始卷径与输入线速度产生初始卷绕速度-卷径增大，张力辊上移-PID调节器产生相反的调节量-卷绕速度降低，产生新的计算卷径，循环往复。由此保证恒定线速度收/放卷。称重传感器在带料的卷绕控制的应用 带料的卷绕控制是工业生产的许多行业中经常遇到的问题之一。如在纸张纺织品塑料薄膜电线磁带等的生产过程中，带料的收放卷张力对产品的质量至关重要，为此，要求进行恒张力控制，即在卷绕的过程中使产品承受最佳张力，且自始至终保持不变。由于所选的检测元件和转矩调节元件不同，可以有各种不同的张力控制方案，用称重传感

10、器直接测量张力来实现控制最为方便。本文介绍一种用称重传感器测量放卷张力，磁粉制动器和磁粉离合器调节输出转矩，由单片机系统来进行张力控制的技术方案，经过精心调试，可以达到很高的精度 本系统选用双孔平行梁结构的应变式称重传感器，其主要参数是输出灵敏度，即传感器在额定载荷作用下，供桥电压为1V时的输出电压，本系统所选称重传感器的灵敏度为1.8mV/V。这种传感器目前已比较成熟，并已在电子计价秤中得到了广泛的应用1。测量电路如图1所示。其中，R1R2R3R4为4个应变电阻，组成了桥式测量电路，Rm为温度补偿电阻，e为激励电压，V为输出电压，若不考虑Rm,且有R1=R2=R3=R4=R，则公式(2)成立

11、，也就是说，电桥的输出电压变化与各臂电阻变化率的代数和成正比。磁粉制动器(离合器)是一种新型的转矩调节元件，在其公称转矩10%至120%的范围内，转矩和励磁电流成正比，可以看作是一种线性调节元件。磁粉制动器有两种使用方式：供制动用的制动器和在连续滑差状态下作加载装置使用的制动器。张力控制系统中使用的制动器，属于后者使用工况的典型例子，在这种工况下，可以通过两个原则来选用制动器规格。输入电路包括两部分，即称重传感器测量放大电路和启动信号电路。U14U15和U16组成放大电路，这是一个典型的仪表放大器，其原理可参阅参考文献3。桥路传感器的毫伏输出信号经放大器放大到伏级电压，输入到集成电路U10的模

12、拟输入端,U10是12位AD转换器AD7572A，它将模拟量输入转换成12位数字量，其数据线连到U3的PA和PB口，U3是通用并行可编程接口芯片8255，单片机通过U3与AD转换器接口，读取数据。启动信号经U17光电耦合器隔离，再经U8整形，经过U3接口，输入到单片机，作为张力控制系统的启动信号。输出电路也包括两部分，这两部分完全相同，只不过一路用于驱动放带磁粉制动器M1，一路用于驱动收带磁粉离合器M2而已。U2是8255接口电路，数摸转换电路U11和U12都通过U2与单片机接口，数摸转换电路AD7541A是12位DA转换电路，它将单片机输出的数字量转换成0-5V的电压，经U13输出到两个驱动

13、器，作为驱动器的给定电压。直流驱动电源M1和M2是以输出电压作为取样信号，采用了大功率三极管进行调整的一个典型的直流稳压电源，其内部具有过流保护功能。本系统实际上是一个单片机闭环控制系统，给定张力直接由按键数字输入，传感器反馈回来的张力与给定张力比较，所得张力差即为调节的依据。以放带为例，随着放带的进行，料盘半径减少，放带张力增大，反馈量增大，单片机经过运算，其结果使DA转换器的输出电压减少，驱动器的输出电压下降，即磁粉制动器的励磁电流I跟着下降，磁粉制动器的转矩M也随着变小，从而实现了放卷张力的恒定控制。以上讨论的是放料(开卷)端，同理，对于收卷(复卷)端的控制，则采用磁粉离合器，利用其输入

14、和输出轴之间的滑差来恒定张力，其工作原理与磁粉制动器基本相同。该控制系统适合于生产线上要求恒张力控制的场合，经在某型玻璃带缠带机上长期实际使用证明，采用称重传感器构成的恒张力反馈系统其控制性能优于采用其它间接量反馈的系统，该系统实用可靠，成本低廉，信号拾取机构简单，安装使用方便。更多的传感器知识及相关报价资讯尽在环贸奥美传感器之家！两种卷绕驱动方式张力控制分析综述作者：陕西华特新材料股份有限公司 冯建修摘要：本文介绍表面卷绕和中心卷绕的结构特点和控制原理，对中心卷绕中的恒张力控制和锥度张力控制的实现策略进行了详尽分析。 1 引言 卷绕是造纸、纺织、印染等行业生产中把半制品和成品按一定规律绕成各

15、种卷装的工艺过程。卷绕的目的是便于制品的存储、运输和喂给下道工序加工。有时为了改变卷装容量、去除疵点和提高质量，还要进行再卷绕或复绕。为了获得卷材边缘平齐、卷筒密实的最佳卷绕效果，必须结合生产工艺和材料对张力控制的要求，选择合理经济、适合产品的卷绕驱动控制方式，保证卷绕过程张力稳定可控。 2 卷绕驱动控制系统组成 卷绕驱动方式有两种：即中心驱动卷绕和表面驱动卷绕。不管那种驱动方式其控制系统一般均由牵引辊传动控制系统；卷绕张力控制系统以及PLC、操作台等部分组成。其中牵引辊传动控制系统由一对覆橡胶的轧辊、变频器和变频电机等组成，牵引辊的线速度即为车速，通过操作员面板设定后保持不变。卷绕张力控制系

16、统由卷绕轴、变频器、变频电机、减速机等组成。对于表面驱动卷绕装置而言卷绕张力控制较为简单，对于中心驱动卷绕装置其卷绕张力控制相对要复杂一些。 3 表面卷绕张力控制系统 表面卷绕是通过驱动辊的摩擦力驱动待卷材料表面进行的收卷，是一种被动卷绕。卷绕控制原理如图1所示，它使用两根直径相同的卷绕辊驱动被卷材料，驱动辊分别采用变频器U2、U3控制变频电机和减速机，通过调节密度电位器R2，使两驱动辊表面产生速差，从而建立表面卷绕的基本张力控制模式，满足卷绕产品密实度，表面卷绕装置只能提供准恒定张力控制。 表面卷绕中卷筒与两驱动辊间的摩擦力大小与卷筒的质量有关，并非常量；而摩擦力的大小影响卷筒打滑的程度，所

17、以，当电动机转速恒定时，卷筒线速度也不可能完全不变，特别是在驱动辊表面磨光后或者在卷绕起始部分，由于卷筒与驱动辊间的摩擦力相对较小会出现打滑，其张力不易控制，这样会出现卷筒轴芯卷材不密实，而随着卷筒直径增大，卷筒垂直向上移动，卷筒重量也在不断增加，卷筒与驱动辊间获得较大的摩擦力，卷绕张力增大，如果速差调整不合适，就会将卷筒芯部卷材挤出，造成卷材端面不齐。为了得到均匀的卷绕张力，卷绕装置上常加有配重辊，该辊紧贴在卷筒轴顶部，采用气动或液压方式给卷筒轴施加垂直向下作用力，通过对配重辊压力大小自动调节，获得卷筒与两驱动辊表面理想的摩擦力，保证卷绕过程张力稳定，满足卷材密度和硬度要求，达到良好的卷绕效

18、果。 由于表面卷绕靠的是表面摩擦接触作用卷绕卷材，卷筒与驱动辊间必须具有足够的摩擦力，所以驱动辊需定期更换所覆橡胶或草皮，表面不能太光滑。而对于某些织物表面卷绕的摩擦会损伤织物或产生静电，因此必须选用中心驱动卷绕方式。 4 中心卷绕张力控制系统 中心驱动卷绕由变频器控制电动机传动卷绕轴，通过加在卷绕轴上的旋转力完成卷绕过程。其控制系统原理如图2所示。 图2中牵引辊驱动机构采用速度闭环控制卷绕过程的线速度，卷绕轴采用张力闭环控制驱动卷绕机构按预设张力曲线工作，保证卷绕过程张力控制达到最佳效果。速度闭环中浮动辊位置检测采用非接触式可变电阻，信号检测准确可靠，该信号作为速度附加信号与主给定速度叠加后

19、送入牵引辊变频器1的AIN端，对牵引辊速度进行调节控制。张力传感器把检测到卷材的张力反馈到PLC的模拟量输入端，同时张力检测信号与变频器1的速度输出信号AOUT叠加后送入变频器2中进行PID调节，实现卷绕张力闭环控制。 中心卷绕张力控制方式有两种，即恒张力控制和锥度张力控制。从某种意义上讲恒张力控制是锥度张力控制的一种特殊情况。图3为锥度张力控制曲线，从中可以看出：张力设定 = 80%时，当锥度系数HW=100%，卷绕张力曲线为A，卷绕过程中张力大小始终不变，即为恒张力控制；若锥度系数HW=50%，则卷绕到最大直径时，张力下降50%，理想卷绕曲线为B'，实际卷绕曲线接近B；若锥度系数H

20、W=0%，则卷筒到最大直径时张力将降到0（见曲线C和C'）。 恒张力卷绕当卷筒直径变化时，必须保证转速n与卷径D成反比，且电机转矩M变化与卷材卷径D成正比，这样才能达到卷材里外紧度均匀。使用这种方式时，应注意卷绕结束时的转矩最大，要根据最大转矩和减速机的减速比来选择电动机的额定转矩。由于卷绕过程中，卷筒的直径在不断的变化，同时电动机传动机构及卷筒支承轴上的摩擦力矩Mm，卷绕机构在加、减速过渡过程所需的动态力矩Md及线速度 v也在变化，这些变化都会引起张力波动，为了获得织物恒定的表面张力，电动机输出电磁转矩MD除了保证卷绕力矩Mf=F·R（t）外，还需克服摩擦力矩Mm、机械惯量

21、等变化，也就是说在卷绕过程中需进行相应的动态转矩补偿、静态补偿及加速补偿等，以保证变频器2控制电机转速和转矩能自动适应跟随变化。 锥度张力控制在卷绕过程中转矩M保持不变，随着卷径d的逐渐增大，卷绕角速度相应降低，卷材张力F相应减小，达到内紧外松的卷绕效果，这就是锥度张力控制原理。锥度张力控制方式实质上就是变频器的转矩控制模式，在卷绕驱动中，给定张力Fset，线速度恒定Vline= constant，卷绕轴转速n随着卷筒直径D的增大而降低，卷材张力相应地减小，转矩模式正好满足这个要求。在转矩控制模式中，给定的是转矩，根据设定张力Fset和卷材直径可以计算出变频器的转矩给定值 M = Fset×Dmin /2i 其中：M变频器转矩给定值（NM） Fset 张力设