卷取是一種常見的控制系統(tǒng)，廣泛應用于造紙、印刷、染織等生產(chǎn)過程中的后續(xù)工作，以制成半成品或成品卷筒物。卷取的方式常見的有2種:摩擦卷取和中心卷取。前者對機械的要求復雜，而且卷取的效果受摩擦輥的影響很大，包括物料的光澤度、端面情況、松緊度等都會在卷取工藝中變差。后者在機械程度上很簡單，卷取時只受到自重的影響，卷取的效果自然好許多，然而長期以來中心卷取的控制系統(tǒng)只能在直流控制或磁粉控制二者中進行選擇，控制的成本很難降低。
如何降低收卷系統(tǒng)的控制成本呢？很多人都會想到交流變頻器，的確交流變頻調速技術以其卓越的調速性能、顯著的節(jié)電以及在國民經(jīng)濟領域的廣泛適用性，而被公認為是一種最有前途的調速方式。直流調速系統(tǒng)在電機傳動的發(fā)展史上占有重要的地位，但由于直流電機存在維護難、抗環(huán)境能力差等原因，到了目前已嚴重制約了設備整機的性能價格比。而變頻調速技術能最大程度上發(fā)揮了交流電機本身固有的優(yōu)點(結構簡單、堅固耐用、經(jīng)濟可靠、動態(tài)響應好等)，再加上變頻調速理論業(yè)已形成一門相對獨立的學科，變頻調速技術的全面應用時代已經(jīng)到來。
本文就TD3300變頻器在干式復合機中心卷取的應用做進一步的闡述。
2 干式復合機中心卷取的變頻控制
干式復合機是處理塑料薄膜工藝中(如薄膜印刷)的一個重要設備，如圖1所示。本系統(tǒng)中，薄膜卷通過放卷架，進入牽引輥后，在復合控制箱中進行加熱處理，再與另外一層薄膜進行復合，最后由收卷電機進行收卷。
為了控制前后的張力穩(wěn)定，薄膜放卷采用磁粉離合器，然后通過浮動輥的信號來調節(jié)牽引電機和復合輥電機的速度同步，最后由中心卷取系統(tǒng)來完成收卷過程。在中心卷取的過程中，隨著卷徑的不斷增加，收卷電機的速度必須不斷減少，同時又要保證薄膜的張力相對平穩(wěn)。對于收卷系統(tǒng)而言，進行張力控制是核心技術，也是變頻調速的難點。
目前，在中心卷取中最常用的是以下2種控制方式:(1)速度控制卷取(SPW)，用PID通過測力傳感器的張力反饋，或調節(jié)輥的位置反饋，來修正速度給定;(2)電流控制卷取(CPW)，用PID調節(jié)張力給定，這一類型的控制一般是開環(huán)的。
對如此復雜的張力控制系統(tǒng)，變頻技術必須能克服以下4個技術問題:(1)將復雜的交流異步電機的數(shù)學模型簡單化;(2)考慮到張力反饋信號的延后和超調;(3)將卷繞張力控制過程的動態(tài)參數(shù)描述成時變函數(shù);(4)保證張力或轉矩閉環(huán)的抗波動能力高和即時調節(jié)性好。
通常情況下，具有張力控制的變頻控制系統(tǒng)，是建立在對變頻器、電機和張力對象的數(shù)學模型研究的基礎上，它包括(1)Ud～Id之間的傳遞函數(shù);(2)Id～M之間的傳遞函數(shù);(3)轉矩M～轉速n之間的傳遞函數(shù);(4)控制電壓Uk～變頻器輸出電壓Ud之間的傳遞函數(shù);(5)物料張力的動態(tài)數(shù)學模型。在一般情況下，張力專用的變頻器由直徑、轉矩補償和速度計算等模塊組成。
3 TD3300變頻器在干式復合機中的應用
TD3300張力控制專用變頻器是艾默生網(wǎng)絡能源有限公司的最新產(chǎn)品，它具有TD3000矢量變頻器的所有高性能，同時又可實現(xiàn)張力閉環(huán)控制和張力開環(huán)控制，以滿足各種卷取要求。
3.1 TD3300變頻器的卷取控制功能
(1)各種卷徑的計算，包括線速度計算、繞圈計算、模擬設定、上位機給定等;(2)卷徑模擬輸出，實現(xiàn)人機友好交互功能;(3)多種線速度測量方式，包括脈沖輸入、模擬輸入、數(shù)字輸入等;(4)實現(xiàn)張力錐度的設定;(5)實現(xiàn)轉矩補償?shù)墓δ埽鐝澢匮a償、靜態(tài)力矩補償、慣性力矩補償?shù)?(6)具有自動換卷邏輯功能，實現(xiàn)在線換卷功能。
3.2 TD3300張力控制變頻器的4種張力控制方式
(1)張力閉環(huán)控制(需要張力傳感器、增加成本、控制精度最高);(2)間接張力控制一(需要卷徑傳感器、增加成本、控制精度較高);(3)間接張力控制二(成本較低、控制精度較高);(4)間接張力控制三(成本較低、控制精度差)。此四種方案的配置主要是考慮系統(tǒng)的張力控制精度要求、系統(tǒng)的成本要求等，用戶可以根據(jù)實際情況決定采用哪種張力控制方式。
3.3 4種張力控制原理和應用
(1) 張力閉環(huán)控制 對于張力控制精度要求較高的場合，如軋卷染色機，它需要通過張力檢測輥的輸出張力信號來構成張力閉環(huán)控制，對于變頻器來說采用速度控制方案和PID閉環(huán)控制。
(2) 間接張力控制一 它通過卷徑傳感器測量的卷徑模擬信號進入變頻器的模擬輸入口，而變頻器則根據(jù)測量的卷徑進行張力控制。這里，卷徑是通過測量而不是通過計算而得，因此張力控制的精度相對較高。
(3) 間接張力控制二 在線速度可以檢測的場合，可以采用此法，通過檢測到的線速度及電機角速度計算卷徑，從而控制張力。通常應用在如干式復合機、拉幅定型機等收卷系統(tǒng)中。
(4) 間接張力控制三 當對張力的控制精度要求不高，卷繞菜鳥的厚度已知且變化不頻繁的情況下，可以采用厚度累積法計算卷徑，實現(xiàn)間接張力控制。
圖2所示為TD3300變頻器在干式復合機收卷系統(tǒng)中的配置原理，這里選用了經(jīng)濟而實用的間接張力控制二，即卷徑采用模擬量輸入線速度計算法的方案。由于收卷電機的前級為復合輥電機M2，也為變頻器控制，它能通過模擬量口輸出0－10V或4－20mA信號，與線速度成比例，即0V為0速，10V為最高線速度。因此，通過此信號，張力變頻器TD3300就能正確地計算出卷徑信號(D=S×V/N公式具體見下)，從而利用變化的卷徑開環(huán)控制轉矩輸出值來保持恒張力控制。
在該方案中，復合輥電機的線速度通過AI3口進入變頻器TD3300，張力設定值(零速張力設定和正常張力設定)通過高精度電位器輸入到AI1、AI2口。在輸入端子功能中，包括啟動停止命令、卷徑復位命令、PG接口;在輸出端子功能中，包括直徑數(shù)字顯示、張力數(shù)字顯示、故障燈指示、卷徑達到指示。
本系統(tǒng)中卷徑的計算公式如下:D＝S×V / N (D為卷徑，S為定常系數(shù)，V為檢測到的線速度，N為收卷電機的實際運行轉速)。為保證卷徑計算的準確性，必須注意:
(1) V的準確性 因為AI3輸入的0-0V信號對應于0-卷取控制時的最高線速度，因此必須準確求出該最高線速度值。
(2) N的準確性 N的準確性來源于PG編碼器的信號和收卷電機減速器的傳動比，因此根據(jù)PG和減速器的銘牌正確輸入?yún)?shù)至關重要。
(3) 卷徑計算濾波時間 為保證在加減速和零速時正確地計算卷徑，必須盡可能延長卷徑計算濾波時間，一般取5s為宜。
這里設定張力的數(shù)值有2個，即零速張力和正常張力，前者是零速繃緊的設定張力，后者是正常收卷中的張力。前者的目的是保持薄膜卷在低速運轉或停止時，變頻器停止卷徑計算，按照零速設定張力進行作用，目的是為了保證張力的恒定。張力的信號通過模擬電位器輸入到變頻器，是一種簡單而實用的辦法，能讓操作者根據(jù)不同的材質、不同的幅寬正常設置。
當然，這里還需涉及到張力錐度系數(shù)的設定和張力補償?shù)膯栴}。錐度系數(shù)是用于修正卷繞過程中由于卷徑變化的張力，避免卷筒內(nèi)松外緊的現(xiàn)象，其計算公式如下:F＝F0×(1-K×(1-D0/D))。F為實際張力，F(xiàn)0為設定張力，K為張力錐度系數(shù)，D0為初始卷徑，D為卷徑。張力補償包括靜態(tài)補償和動態(tài)補償2種，靜態(tài)補償主要是摩擦力補償，動態(tài)補償則考慮到由于卷徑的轉動慣量隨D的增大而增大的影響。
為保證操作者的正常使用，TD3300變頻器具有直徑信號、張力信號模擬量輸出值，因此可以方便地外接數(shù)顯表來實時顯示。同時卷徑達到指示方便操縱者換卷和卷徑復位。
4 TD3300變頻器的調試步驟和經(jīng)驗
TD3300變頻器由于是張力控制專用的矢量型變頻器，因此在實際調試中必須遵循一定的步驟，以獲取最滿意的結果。以下是本機的調試步驟:
(1) 參數(shù)初始化
變頻器在初次運行的情況下，建議設置功能碼F0.12進行參數(shù)初始化操作后，再進行操作。
(2) 正確設置變頻器和電機的極限參數(shù)、保護參數(shù)、保護方式等。
正確設置的目的是為了保證電機調諧的正常進行，必須務必將電機的銘牌參數(shù)輸入進去。同時為了保證控制性能，電機與變頻器功率等級應匹配配置，一般只允許比變頻器小兩級或大一級。
(3) 自動調諧對電機進行空載調諧，獲取電機的基本數(shù)據(jù)
在選擇矢量控制方式第一次運行前，要進行電機自動調諧，以獲得被控電機的準確電氣參數(shù)。此時必須確保拖開與機械負載的連接，使電機完全處于空載狀態(tài)。
按F1.10=1 確認 ，并按鍵盤的RUN鍵，進行調諧。
調諧結束后，觀察電機調諧的參數(shù)時候在合理范圍內(nèi)。
如本次調諧結果如下:
F1.11 定子電阻 0.686歐姆
F1.12 定子電感 104.6毫亨
F1.13 轉子電阻 0.610歐姆
F1.14 轉子電感 104.6毫亨
F1.15 互感 98.6毫亨
F1.16 空載激磁電流 6.7A
(4) 測試閉環(huán)運行
根據(jù)編碼器的銘牌，設置好Fb的各種參數(shù)，在本例中設置如下:
Fb.00 編碼脈沖數(shù) 600
Fb.01 PG方向選擇 反向
Fb.02 PG斷線選擇 自由停機
Fb.03 PG斷線檢測 0.2s
Fb.04 零速檢測值 0
在本例中，編碼器只用到A、B、Z三相中的A和B相，電源和OV，PE等5線，并將變頻器的CN4跳線設為OCI。
(5) 靜態(tài)測試
靜態(tài)測試的目的是獲得靜態(tài)力矩補償系數(shù)，這是為了對卷取過程中由于摩擦力而產(chǎn)生的力矩進行補償。
在本例中，獲得Fc.10 = 3%
(6) 設定必要的張力參數(shù)
主要包括張力控制方式和一些張力設置值。
F3.06 張力控制 4:絕對有效
F8.00 卷取模式 0 收卷模式
F8.01 電機額定轉矩 52.5N·m
F8.02 傳動比 2.53
F8.03 張力設定選擇 2:AI2設定(電位器設定)
F8.05 最大張力 1000N
F8.06 零速張力設定 1:AI1設定(電位器設定)
F8.08 張力錐度系數(shù) 0數(shù)字設定
F8.10 卷徑來源選擇 0 線速度計算法
F8.11 最大卷徑 700mm
F8.12 空心卷徑 95mm
F8.13 初始卷徑選擇 0:數(shù)字設定
F8.14 初始卷徑設定 95mm
F8.15 張力方向設定 0:正向
Fc.00 線速度選擇 3:AI3設定
Fc.03 最高線速度 95m/min
Fc.04 最低線速度 40m/min
Fc.0
