变频收卷张力控制系统在印刷机上的应用.docx
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变频收卷张力控制系统在印刷机上的应用
变频收卷张力控制系统在印刷机上的应用
摘要：
本文通过分析收卷动态过程及其运行特点，引入相关的计算公式；最后以三菱FR-740变频器为例进行参数设定说明。
介绍了变频器在印刷机收卷张力控制系统上的应用方案，由于它具有良好的转矩特性和免维护性能，已经越来越多地应用于包装和印刷企业。
关键词：
印刷机变频器收卷张力控制
1、张力控制变频收卷在印刷机器上的应用及工艺要求
1.1、传统收卷系统的局限性：
近几年我国的印刷包装行业取得了飞速的发展，面临着前所未有的巨大机遇，也面临着巨大的挑战。
印刷速度的不断提高对印刷张力控制系统的要求也越来越高。
利用磁粉离合器来传递扭矩的传统控制方式限制了运行的速度，也浪费了资源，对于离合器而言，扭矩较大时（卷径较大时）滑动转速也变大，容易产生发热等不利情况，加上其本身使用寿命的原因，造成了故障率的较高的情况，在高速运转的印刷机上，也造成了纸张的大大浪费。
1.2张力控制变频收卷的工艺要求
·在收卷的整个过程中都保持恒定的张力或者锥度张力。
·在启动小卷时，不能因为张力过大而断纱；大卷启动时不能松纱。
·在加速、减速、停止的状态下也不能有上述情况出现。
·要求将张力量化，即能设定张力的大小，能显示实际卷径的大小。
2、变频收卷张力控制系统在印刷机上的应用方案举例：
图1：
变频收卷张力控制示意图
方案简叙（图1示）：
主轴速度由PLC通过模拟信号AL3对INV1进行频率给定并由PG1编码器反馈进行速度控制；PLC根据设定张力要求输出转矩信号AL2至矢量变频器INV2对电机进行转矩控制，调节收卷张力的大小；过AL0张力反馈信号形成收卷张力PID闭环控制。
（所谓的张力控制，通俗点讲就是要能控制电机输出多大的力，即输出多少牛顿。
反应到电机轴即能控制电机的输出转距。
真正的张力控制不同于靠前后两个动力点的速度差形成张力的系统，靠速度差来调节张力的实质是对张力的PID控制，要加张力传感器；以大到大小卷启动/停止、加/减速及停车时达到相对稳定的张力控制效果，确保生产产品的质量。
）图中AL1为收卷速度限制信号，主要是防止因收卷断料造成的飞车现象。
变频收卷的实质是要完成张力控制，即能控制电机的运行电流，因为三相异步电机的输出转距T=CmφmIa，与电流成正比。
并且当负载有突变时能够保证电机的机械特性曲线比较硬.所以必须用矢量变频器，而且必须要加编码器PG2死循环控制。
2.1、收卷的动态过程分析：
对于收卷来说，收卷的卷径是由小到大变化的，为了保证收卷过程的平稳性，不论是大卷、小卷、加速、减速、激活、停车都能保证张力的恒定，要进行转矩的补偿。
整个系统要激活起来，首先要克服静摩擦力所产生的转矩，简称静摩擦转矩，静摩擦转矩只在激活的瞬间起作用；正常运行时要克服滑动摩擦力产生地滑动摩擦转矩，滑动摩擦转矩在运行当中一直都存在，并且在低速、高速时的大小是不一样的。
需要进行不同大小的补偿，系统在加速、减速、停车时为克服系统的惯量，也要进行相应的转矩补偿，补偿的量与运行的速度也有相应的比例关系。
在不同车速的时候，补偿的系数是不同的。
即加速转矩、减速转矩、停车转矩、激活转矩；克服了这些因素，还要克服负载转矩，通过计算出的实时卷径除以2再乘以设定的张力大小，经过减速比折算到电机轴。
这样就分析出了收卷整个过程的转矩补偿的过程。
2．2转矩的补偿标准
上面通过收卷的动态过程分析出了收卷整个过程的转矩补尝的过程。
即小卷启动的瞬间、加速、减速、停车，大卷启动时，要在不同卷径时进行不同的转距补偿，这样就能使得收卷的整个过程很稳定，避免小卷时张力过大；大卷启动时松纱的现象。
关于转矩的补偿标准：
·静摩擦转矩的补偿：
因为静摩擦转矩只在激活的瞬间存在，在系统激活后就消失了。
因此静摩擦转矩的补偿是以计算后电机输出转矩乘以一定的百分比进行补偿。
·滑动摩擦转矩的补偿：
滑动摩擦转矩的补偿在系统运行的整个过程中都是起作用的。
补偿的大小以收卷电机的额定转矩为标准。
补偿量的大小与运行的速度有关系。
所以在程序中处理时，要分段进行补偿。
·加减速、停车转矩的补偿：
补偿硬一收卷电机的额定转矩为标准，相应的补偿系数应该比较稳定，变化不大。
2.3、收卷部运行特点:
收卷部随着收卷材料的不断增加,卷径也逐渐增大.当在卷径最小时转速最快,所需的转矩最小；卷径最大时转速最小，所需的转矩也最大。
如图2所示：
图2：
收卷特点示意图
2.3.1收卷转矩给定的计算：
收卷负载转矩随收卷卷径的增大而增大TL=FD/2
收卷电机给定转矩的计算TM=TLi2=（FD/2）*i2
2.3.2收卷拖动系统运行功率的计算:
拖动系统运行功率保持恒定PL=FV2=C
2.3.3线速度的测算：
如图1所示，假使主轴编码器PG1的线数为P1（脉冲/转），直径为D1（米），通过PLC测算出X1每秒脉冲总数为W1（脉冲/秒）,则主轴线速度:
V1=πD1*nM1（米/分钟）（2-1.1）
=（60πD1*W1）/P1（米/分钟）（2-1.2）
式中nM1为主轴转速
2.3.4收卷卷径的测算:
如图1所示,假使收卷马达编码器PG2的线数为P2（脉冲/转）,减速箱的变比为i2,通过PLC测算出X2每秒脉冲总数为W2,由于相同时间内从主轴走过的收卷材料长度与收卷部收卷的材料长度是相等的,故收卷线速度V2=V1,则收卷直径：
D=（V2×i2）/（π×nM）（2-1.3）
=（V2×P2×i2）/（60πW2）（米）
=（V1*P2*i2）/（60πW2）（米）（2-1.4）
2.3.5收卷速度限制的计算：
为了更好的说明收卷速度的限制计算方法，下面以一实例进行说明：
例：
已知最小卷径Dmin=200mm，最大卷径Dmax=1400mm，系统最高线速度为V1=200m/min，最大张力为100Kg（1000N）减速比i2=3，求收卷四极电机限制转速范围？
由于相同时间内从主轴走过的收卷材料长度与收卷部收卷的材料长度是相等的,故收卷线速度V2=V1=200m/min，由式（2-1.3）可推出
nM=（V2*i2）/（π*D）（2-1.5）
由于收卷过程中卷径最小时转速是最高的，故电机最高转速为
nM=（V2*i2）/（π*Dmin）
=（V1*i2）/（π*Dmin）
=（200*3）/（3.14*0.2）
=956（r/min）
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:
收卷电机有个最低速度的限制。
计算如下:
对于四极电机而言其同步转速为:
nM=60f1/p=>n1=1500r/min=>2HZ/50HZ=N/1500=>n=60r/min
也就是说当达到最大卷径时转速是最小的，也就是说此时电机最低转速不能低于60r/min。
所以限制转速范围是60～956r/min
图3：
锥度曲线示意图
2.3.6收卷控制张力的锥度的计算：
某些材料在收卷过程中，随着卷径D的增大，要求其张力F逐渐减小（如图3所示）
张力F的计算公式如下：
F=F0[1-K（1-D0/D）]
式中F0——初始张力系数
D0——初始卷径
K——锥度系数
2．4收卷变频器的参数设定：
由于各品牌的变频器功能的分类方法差异较大，即使同一品牌其更新换代速度也比较快，参数的设定并非一成不变，下面以三菱FR-740系列变频器为例进行说明：
由于变频器功能参数甚多，下面以表格形式列出需要修改的参数：
参数
名称
设定值
设定内容说明
P1
上限频率
50
设定电机最高输出频率
P7
加速时间
2
设定加速时间为2秒
P8
减速时间
2
设定减速时间为2秒
P9
电子过电流保护
***
根据电机额定电流要求设定
P71
适用电机
13
恒转矩电机
P73
模拟输入设定频率
0
端子2为（0～10V）；
端子1为（0～±10V）；
P80
电机功率
***
根据电机额定功率设定
P81
电机极数
4
使用的是4极电机
P800
控制模式选择
1
选择转矩控制模式
P803
恒输出转矩特性选择
0
电机输出恒定限制
P804
转矩指令权选择
0
基于端子1模拟输入转矩指令
P807
速度限制选择
0
将速度控制时的控制指令做为速度限制指令加以使用
P868
端子1功能分配
4
设定端子1的信号可以改变转矩限制水平
3、变频收卷张力控制系统的优点：
·张力设定可通过人机进行设定，人性化的操作,单位为力的单位:
牛顿。
·使用先进的控制算法:
卷径的递归运算;空心卷径激活时张力的线性递加。
张力锥度计算公式的应用;转矩补偿的动态调整等等。
·卷径的实时计算，精确度非常高，保证收卷电机输出转矩的平滑性能好。
并且在计算卷径时加入了卷径的递归运算，在操作失误的时候，能自己纠正卷径到正确的数值。
·因为收卷装置的转动惯量是很大的，卷径由小变大时。
如果操作人员进行加速、减速、停车、再激活时很容易造成爆纱和松纱的现象，将直接导致纱的质量。
而进行了变频收卷的改造后，在上述各种情况下，收卷都很稳定，张力始终恒定。
而且经过PLC的处理，在特定的动态过程，加入一些动态的调整措施，使得收卷的性能更好。
·在传统机械传动收卷的基础上改造成变频收卷，非常简便而且造价低，基本上不需对原有机械进行改造。
改造周期小，基本上两三天就能安装调试完成。
·克服了机械收卷对机械磨损的弊端，延长机械的使用寿命。
方便维护设备。
5、结束语：
本文介绍基于变频器矢量控制的转矩控制在印刷机收卷张力控制系统上的应用实例。
进入变频器传动时代以来，结合PLC的同步与张力控制系统成为前沿电气传动自动化工程集成热点。
高新性能的同步与张力传动控制系统正在带动着众多行业的技术进步，印刷行业更为突出。
本文结合三菱机电平台的技术特点，通过实例系统的介绍了收卷张力控制的解决方案及应用原理。
参考文献
1、张燕宾《常用变频器功能手册》.北京：
机械工业出版社2004
2、三菱张力控制《张力控制指导手册》
3、三菱通用变频器《FR-A700使用手册》
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