卷取恒张力控制

酸洗线卷取机恒张力控制原理及实现方法

摘要：卷取机张力的稳定性直接影响到清洗线产品的质量，卷取机的恒张力控制是卷绕自动控制系统中的关键技术。本文首先描述了实现恒张力控制的原理，通过分析选取了适合的控制方法。并结合意大利Ansaldo 全数字直流传动装置SPDM给出了一种具体的实现方法，这种方法搭建的系统在实际应用运行稳定，清洗效果良好。

关键词：张力控制最大力矩法全数字直流调速装置SPDM

Abstract: The stability of the wind reel’s tension will influence the quality of the acid cleaning‘s product directly. The way of constant tension control to the wind reel is a key technique of the automatic taking-up equipment. At the beginning of this paper, we describe the principle of tension control. Then we choose a better control method based on analyze. And then we give a implement method use the Italian Ansaldo’s whole digit direct current timing equipment SPDM. The acid cleaning system based on this method worked steady and the wash effect is good.

Key words: tension control; maximal moment method; whole digit direct current timing equipment SPDM.

1、概述

近年来，市场上对铜带的需求有增无减，国际市场上铜产品价格呈强劲上涨趋势。用户对铜带产品表面的光洁度要求越来越高，同时企业对清洗的效率也提出了更高的要求。传统的清洗方式已不能满足企业的需要。铜带清洗的质量一方面取决于工艺，另一方面也与卷取机张力有密切的关系。一般来说，卷取机张力的稳定性直接影响带材的质量和成品率。尤其在带材被拖动动态升降速的过程中，更要保持张力的恒定以免出现断带。传统的卷取机张力控制装置为模拟系统，其张力控制精度低，大约在±5%左右，而且由于调试困难，实际上往往难以达到。当前普遍采用全数字直流调速装置来实现恒张力控制。意大利Ansaldo 全数字直流传动装置SILCOPAC D在冶金领域有着广泛的应用。它有许多优异的性能如具有电流、速度、电势环的自整定功能，可以通过串行总线进行大量的数据交换，可以通过软硬件设定系统功能，满足用户多种需要等。磁场控制由一个可控硅控制的调压器作为电机的励磁控制，励磁控制模式可以是恒压控制、恒流控制以及自动弱磁升速控制。利用SILCOPAC D可以方便的实现卷取机的恒张力控制。本文的研究基于铜带酸洗线设计，主要讨论使卷取机张力恒定的控制原理并结合Ansaldo直流调速装置（SPDM）说明其实现方法。

2、卷取机恒张力控制原理

保持张力恒定通常采用间接张力控制方式。所谓间接恒张力控制方式，就是只给定张力设定值，不用检测器采集张力的实际值，对张力不形成闭环控制，而是通过对开卷机电流或磁场的控制来间接实现对张力进行恒定控制的方法。

2.1 常用间接张力控制法

通常采用的间接张力控制方式有2种：比例控制方式和最大力矩控制方式。为了说明这两种方式的差别，进行以下推导。下图为卷取机示意图：

图1 卷取机示意图

铜带在进入卷取机前，一般经过一个S 辊，S 辊的作用是把清洗生产线的张力控制分隔成2段：开卷清洗段和卷取段，开卷清洗段张力较小，卷取段张力较大，二段张力互不影响。

设电动机轴上的转矩为D M ，则有：

D M a M C I φ= （1）

其中：M C — 电动机转矩常数

φ — 电动机主磁通 a I — 电枢电流

设铜带的张力力矩为T M ，则：

T M 2TD i η= （2）

其中 η — 机械传动效率

设空载转矩为O M ，加减速时所需的动态转矩为g M ，则有以下的转矩平衡式：

D T O g M M M M =++

如果忽略相对较小的空载转矩O M 和动态转矩g M ，并联立式（1）和式（2）可得：

M a C I φ2TD i η=

从而得到张力T 的近似表达式：

2a M I T C i D φη= （3） 可知：要保持张力不变则需要保持

a I D φ为常数。使a I D φ

为常数一般采用2种方法，一种是令a I 和D φ分别不变，采用使电枢电流恒定的调节器和使磁通随卷径成比例变化的调节

器。这种方式叫比例控制方式。另一种是卷取电动机在额定转速n 以下运行时，使磁通等于额定磁通，即 e φφ= ，系统采用调节电枢电压调速。为了保持张力恒定，就要求电枢电流与卷材卷径成比例，即a

I D 为常数；在额定转速n 以上运行时，才开始弱磁调速。这种方法

叫最大力矩控制方式。

比例控制方式虽然结构简单，易于搭建控制系统，但它也有明显的缺点，只要系统不在最大卷径下工作，电机始终处于弱磁状态，电机效率不能得到充分应用。而且当卷径变化大时，弱磁倍数也很大，对电机要求很高。设备选型也很困难。所以通常采用最大转矩法来实现恒张力控制。

2.2 空载转矩O M 和动态转矩g M 补偿

前面的推导过程忽略了空载转矩O M 和动态转矩g M ，但在实际应用中，这两者是不能

忽略的。

卷取机电机和带材均有运动惯性，在卷取速度发生变化时，会产生动态力矩，从而使张力发生波动，所以要对电枢电流补偿以消除速度变化时对带材张力的影响。每次速度发生变化时，均应有相应的补偿电流投入。动态补偿电流近似的计算方法是：

g I =2160375M G D i dv C D dt φπ

空载补偿主要补偿机械损耗、风阻损耗等，它的补偿电流0I 可以通过实际测量得到。

综上所述，为保证卷取机在卷绕过程中张力恒定，控制电动机的电流应该包括三个部分：张力电流t I 、动态（惯性）补偿电流g I 和空载补偿电流0I 。即：

0t g I I I I =±±

3、实现方法

利用SPDM 可以很方便的实现最大力矩式张力控制，系统的原理如图2所示：

图2 张力控制系统原理

3.1 卷径计算

在间接恒张力控制系统中，卷径是一个非常重要的参数，直接影响着张力控制的结果。线速度给定V取自速度控制模式S辊的线速度，当前电机运行的角速度W g由编码器测得。则当前卷取机的卷径D为：

V

D

W g

同时，为了保证计算结果正确，装置内部也须设定卷径限幅，如最小卷径、最大卷径等参数。SPDM的DIAMETER CALC（卷径计算）参数组可以很方便的设置。

当系统由静止转入运行时，由于线速度给定V和角速度反馈W g都很小，所以采取这种方式计算的卷径误差很大，这时可采用一个恒定的起始卷径值来建立初张力，只有当角速度超过设定的门限值时，卷径计算功能才有效。

3.2 速度调节器

在卷径已知的情况下，用当前的线速度给定除以卷径，可以近似得到角速度给定。速度调节器的输出必须饱和，因为只有在速度调节器输出饱和的情况下，张力调节器输出对速度调节器的限幅才会有作用。为了使速度调节器输出饱和，可以采用附加给定的方法，对SPDM 而言，一般±10%的附加给定即可满足需要。附加给定的参数是 SPEED REG （速度调节器）参数组中的CB2，可以选择附加速度给定源。通过AUX.FUNCT.1参数组的CE1参数设定附加速度给定值的大小。

3.3 输出限幅

在酸洗机组中，一般在基速以下不需弱磁即可满足实际生产的需要。此时电机始终处于满磁状态，电磁转矩大，电机的效率较高。

为了实现张力恒定，由式（3）2a M I T C i D φη

= 可知只需a I D φ恒定即可，又因为是满磁运行，e φφ= 故只需a I D 为恒定即可。通过输出限幅可以实现

a

I D 恒定。 2a

M I T iC D ηφ=a

I K D ='1a I T D K T D K ?==

张力运算调节器根据当前的卷径值D ，计算得到与之成正比变化的a I 的值，再加上必

要的补偿一起作为速度环的输出限幅，同时也作为电流环的输入。由于速度环输出始终是饱和的，所以a I D ∝，a I 受到卷径D 的控制，从而间接控制张力T 恒定。在SPDM 中可以通

过设定CURRENT REG （电流调节器）参数组中的电枢电流限幅参数CA2来设定限幅。在张力控制模式下还需要用到辅助功能选项。

3.4 机械损失补偿和动态补偿

空载补偿是为了补偿机械的摩擦力矩、风阻损耗力矩及卷材弯曲力矩等，这些大都与转速有一定的关系，故采用一个恒定量或加一个与速度成线性关系的量进行补偿。动态转矩g M 与速度变化，卷径机械加速时间、材料密度和带材宽度相关。用SPDM 实现这两种补偿

的方法是根据实际情况设定惯量补偿和空载补偿对应的参数。

4、应用效果

在十堰益民铜材厂三号清洗线中，采用了Ansaldo 的全数字直流调速装置SPDM 来控制卷取机。整套设备设计调试简单，且运行良好，完全达到了厂方的要求，薄带（0.2MM ）和厚带（约1MM ）的清洗都未出现断带情况。

参考文献：

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