张力控制

张力控制方案

恒张力控制实现的几种方案

在日常工作中，我们经常遇到张力控制问题，张力控制得好坏直接影响着产品的质量，由于张力控制的多样性及复杂性，选用一套合理经济实用的张力控制系统是企业采购设备前所要考虑的首要条件。下面我列举几中常见的张力方式供大家参考。

一、力矩电机及驱动控制器

1、性能：张力控制不稳定，线性不好。

2、经济性：设备简单，价格便宜，可正反转。

3、适用于张力精度要求不高的场合。如：电线、电缆。

二、磁粉制动器/磁粉离合器张力控制

1、经济性：电气省不了钱，机械也费钱，同样需要调速单元（如变频器、直流调速器）及张力控制仪。

2、精度差：线性不够好，控制的卷径变化范围不大。(特别是在大负荷或高速时张力精度不够)；

3、故障率高，维护费用高（经常要更换磁粉），磁粉制动器/磁粉离合器的可靠性差，发热严重功率大的还需水冷等。

4、性能：张力稳定性比力矩电机稍强，张力及速度可调。适用范围比力矩电机广。

三、舞蹈棍控制器

1、性能：张力控制平稳，有张力贮能功能、张力调节麻烦。

2、电气调速单元要求响应快，机械设备较复杂、局限于线材不适合于片材。

如：光纤，光缆。

四、直接张力闭环控制

1、性能：张力控制平稳，电气调速单元要求响应快，张力可视，系统容易振荡。

2、电气设备复杂，需要调速单元、张力控制仪及张力传感器，设备初投资大，价格贵。

3、性能价格比不高，不适用于大张力控制场合。

2.1 控制电机的不同选择

由上面的系统图可以看出，当收线控制电机旋转速度不变时，光纤缠绕到收线管上的线速度基本保持不变，而且光纤上允许的张力在80g~300g之间，此时，只要控制张力控电机的转速，使放线时的线速度与收线时的线速度达到平衡，就可以保证两轴之间光纤上的张力在一个很小的范围之内。为了达到这样的目的，选择适合的张力控制电机是首要解决的问题。

2.2 张力检测的不同选择

同时，为了方便于对光纤上张力的检测，合理的选择和放置三个滑轮也是张力控制中重要的部分。目前，张力检测方式基本上分三种：张力传感器(load cell)检测方式、浮辊式(Dancer

Arm)张力检测方式、浮辊和传感器复合式张力检测方式。根据各方面的资料显示，这三种方式在各种张力检测装置中都有采用，有不同的动态性能，对张力检测的精度有不同的影响。

2.3 张力控制器和算法的不同选择

张力检测器将光纤上的张力值传送给控制器，控制器通过和给定的张力值进

行比较后，得出一个差值，并将差值通过一定控制算法传送给电机，之后，张力控制电机按照控制器的控制信号进行运动，实现了张力的闭环控制。

选择一个适合的控制算法，不仅可以大大提高整个系统的稳定，而且系统的快速性、可靠性也将得到进一步的提升，同时也可以提高系统的输出精度。随着计算机的进一步发展，控制也从传统的方法发展到自适应控制，甚至智能控制。控制算法也从传统的PID控制发展到智能PID，自适应控制、模糊控制和神经网络控制。

因此，系统以上的基本设备选定后，选择不同的控制算法，可以设计出各种不同性能的控制器，采用EDA技术，可以实现各种控制算法的控制的系统，进而通过比较系统的不同性能和仿真结果，确定适合的控制方案。

3.控制电机的选择

用于伺服控制的电动机的种类很多，主要分为两大类，交流电机和直流电机（交流电机还包括同步电机、感应电机和交流换向器电机），另外还有适于数字控制的步进电机。这几种电机都起不同的特性，同时在不同的场合下，还有多种类型和型号的选择，因此，选择适合光纤缠绕的电机是提高系统整体性能的必经途径。

当收线轴保持匀速转动时，在一个小的时间段内，缠绕到收线管上的光纤的线速度保持不变（在不考虑扰动的情况下），此时，为了将光纤上张力保持在很小范围内，放线轴放出光纤的线速度与收线管的线速度保持基本一致，在不考虑放线轴在一个小的时间段内半径的变化下，张力控制电机的转速保持不变，光纤上的力矩也将保持恒定。根据力矩平衡的原理，可以实现较好的张力控制，因此在选择电机时，能实现转速和输出力矩成比例的电机是比较适合的，力矩电机是

适合的选择。

力矩电机主要包括交流力矩电机和直流力矩电机，而且，随着电机技术的发展，力矩电机的种类越来越多，主要应用的力矩电机主要有两种三相力矩异步电动机和直流永磁力矩电动机，下面将讨论这两种电机的不同，从中选择适合的伺服电动机。

3.1 三相力矩异步电动机

这种力矩电机具有软的机械特性，当负载转矩增大时能自动降低转速并增加输出转矩，从接近同步转速开始直至接近堵转为止，都能稳定运行，负载稍有变化，就能使转速显著变化，而一般的异步电动机能稳定运行的转速范围较狭。

图2所示为三相交流异步力矩电机与一般电机的机械特性曲线的区别，图3为电机特性与卷绕特性曲线，由图中可以看出，随着转速的增大，电机的输出力矩将会减小，但是曲线同样表明，电机转速与输出力矩并不是呈线性的，因此，在张力控制系统中，并不能线性的将电机转速与输出力矩计算出来，电机的输出力矩与励磁电压的平房近似成正比，而需要在线的、实时的进行调整，因此在控制时虽然比控制一般电机方便，但是仍然不能达到很精确的控制。

3.2直流永磁力矩电动机

直流力矩电机主要包括，有刷电机和无刷电机，有刷电机由于其具有换向器和电刷，在电刷换向时，电刷每经过一个换向片都要接通并短路某些某元件,从而引起电枢电阻变化,

电枢电阻变化则会引起电流变化致使力矩波动。因此，在选择电机时，选择无刷支流永磁力矩电机，可以减少力矩波动的来源，尽量避免不必要的扰动进入系统。

如图4所示的为直流电机的机械特性曲线，由转速和输出力矩的关系可知，直流电机的机械特性曲线为一条直线，在张力控制系统中，通过调速，可以实现输出转矩的调整，达到张力调解的目的，同时，因为转速与输出力矩呈线性关系，转速和输出转矩的值可以精确地得到，方便于对张力进行直接的控制。

4.张力检测方案的选择

上文中提到，张力检测主要有三种方式，下面对这三种方式进行比较，从中选

图4

择适合光纤张力检测需要的。

①张力传感器(load

cell)检测方式：它是对张力直接进行检测，与机械紧密地结合在一起，没有移动部件的检测方式。通常两个传感器配对使用，将它们装在检测导辊两侧的端轴上。光纤通过检测导辊施加负载，使张力传感器敏感元件产生位移或变形，从而检测出实际张力值，并将此张力数据转换成张力信号反馈给张力控制器。最终实现张力闭环控制。市场上弹力传感器的类型较多，经常采用的有板簧式微位移张力传感器(如日本三菱LX-TD型)，应变电阻片张力传感器(如美国蒙特福T系列)和压磁式张力传感器(如中国ABB枕式系列)等等。其优点是检测范围宽，响应速度快，线性好。缺点是不能吸收张力的峰值，机械的加减速难以处理，不容易实现高速切换等。因此，当处于平衡状态的张力控制系统受到较强的干扰时，系统瞬间来不及作出反应，料带上张力变化的幅度值会较大，对张力控制尽快重新进入平衡状态不利。

②浮辊式(Dancer

Arm)张力检测方式：它是一种间接的张力检测方式，实质上是一种位置控制，当张力稳定时，料带上的张力与气缸作用力保持平衡，使浮辊处于中央位置。当张力发生变化时，张力与气缸作用力的平衡被破坏，浮辊位置会上升或下降，此时摆杆将绕点转动并带动浮辊电位器一起转动。这样，浮辊电位器准确地检测出浮辊位置的变化，它将以位置信号反馈给张力控制器，控制器经过计算并输出控制信号，控制伺服驱动系统进行纠偏。然后浮辊恢复到原来的平衡位置。由于浮辊式张力检测装置本身是一种储能结构，利用其自身的沉余作用，对大范围的张力跳变有良好的吸收缓冲作用，同时也能减弱光纤速度变化对张力的影响。此系统要求气缸磨擦系数小，响应速度快，气源稳定。浮辊和摆杆的重量要轻，转动要灵活。

③浮辊和传感器复合式张力检测方式：它可同时检测由浮辊电位器输出的浮辊位置信号和张力传感器输出的张力信号，从而可向系统提供更高精度的张力控制。其特点是：它不但具有浮辊控制对大范围张力跳变的吸收或缓冲功能，而且还对机器加、减速时有很好的缓冲平稳作用，并容易实现高速切换。具有张力传感器闭环控制的高精度、高重复性的特点。例如美国蒙特福(MONTALVO)公司的X/D3000型浮辊/反馈复合式张力控制装置就属于该种类型。

5.控制器和控制算法的选择

5.1 控制器的选择

在工业控制中，常用的控制器主要有单片机、PLC（Programmable Logic Controller）、CPLD（Complex

Programmable Logic Device）、DSP（Digital Signal

Processor）。下面将就这几种控制器进行简单的说明。

单片机是最早普及的一种控制器，由于其结构简单，代码实现容易，在各种要求不高的场合得到广泛的应用，但是其主要采用汇编语言和c语言编程，控制精度有限，很难实现各种控制算法。

PLC主要应与工业上的过程控制，用来代替早期工业设备中大量继电器和开关器件而设计的，主要使用T形图和可视化软件编程。

CPLD是由大量数字信息器件集成制成的，主要用于数字控制，用VHDL 语言编程。

DSP—数字信号处理，可以处理大量数字信息，适用于数据量较大的控制场合，有专门适于电机控制的型号TM320c240x，这个系列的处理器应用于工业中高精度的电机控制，由于其可直接驱动，可靠性高，处理数据量大，控制算法容易实现等优点，已在工业控制中广泛采用。

5.2 控制算法的选择

以上设备选择之后，应用EDA技术可以实现控制算法的仿真，例如matlab 软件，该软件适用于各种控制系统的建模和仿真，首先建立系统的数学模型，在软件中构造该数学模型，通过编程或应用软件中的命令，实现控制算法，将算法与系统结合进行仿真，根据方针的结果可以看出系统各方面的输出、性能，甚至精度，来选择适合系统的控制算法。

6.选择的方案

由上面的分析可知，选择直流永磁无刷力矩电机作为该方案中的张力控制电机是适合的，在工业控制中，直流永磁无刷力矩电机的种类也有很多，稀土永磁无刷力矩电机是其中的一种，是采用稀土磁性材料制成的机。由该电机组成的位

置伺服系统具有出力大、频带宽、定位精度高、体积小、重量轻等特点，而且在有限的角度内对负载进行直接驱动。利用该电机还可方便组成多余度控制系统, 实现可靠性驱动。因此选择这种力矩电机将更有利于光纤的张力控制。

同时采用浮辊和传感器复合式张力检测方式，既可以实现张力控制的快速响应，使控制具有线性性，而且对大范围张力跳变的吸收或缓冲功能，而且还对机器加、减速时有很好的缓冲平稳作用。是张力控制中张力检测一个好的选择。

控制器可以采用DSP专门用于电机控制的240系列，其成熟的产品与技术，较高的可靠性，更适用于高精密的光前张力控制。

台达伺服电机

在工业生产的很多行业，都要进行精确的张力控制，保持张力的恒定，以提高产品的质量。诸如造纸、印刷印染、包装、电线电缆、光纤电缆、纺织、皮革、金属箔加工、纤维、橡胶、冶金等行业都被广泛应用。在变频技术还没有成熟以前，通常采用直流控制，以获得良好的控制性能。台达变频器总代理北京中高美特随着变频技术的日趋成熟，出现了矢量控制变频器、张力控制专用变频器等一些高性能的变频器。其控制性能已能和直流控制性能相媲美。由于交流电动机的结构、性价比、使用、维护等很多方面都优于直流电动机，矢量变频控制正在这些行业被越来越广泛的应用，有取代直流控制的趋势。张力控制的目的就是保持线材或带材上的张力恒定，矢量控制变频器可以通过两种途径达到目的：一、通过控制电机的转速来实现；另一种是通过控制电机输出转矩来实现。

速度模式下的张力闭环控制速度模式下的张力闭环控制是通过调节电机转速达到张力恒定的。首先由带（线）的线速度和卷筒的卷径实时计算出同步匹配频率指令，台达变频器总代理北京中高美特然后通过张力检测装置反馈的张力信号与张力设定值构成PID闭环，调整变频器的频率指令。同步匹配频率指令的公式如下：F=（V×p×i）/（π×D）其中：F变频器同步匹配频率指令V材料线速度p电机极对数（变频器根据电机参数自动获得）i机械传动比D卷筒的卷径变频器的品牌不同、设计者的用法不同，获得以上各变量的途径也不同，特别是材料的线速度（V）和卷筒的卷径（D），计算方法多种多样，在此不一一列举。这种控制模式下要求变频器的PID调节性能要好，台达变频器同步匹配频率指令要准确，这样系统更容易稳定，否则系统就会震荡、不稳定。这种模式多用在拉丝机的连拉和轧机的连轧传动控制中。若采用转矩控制模式，当材料的机械性能出现波动，就会出现拉丝困难，轧机轧不动等不正常情况。

转矩模式下的张力控制

一、台达变频器转矩模式下的张力开环控制在这种模式下，无需张力检测反馈装置，就可以获得更为稳定的张力控制效果，结构简洁，效果较好。但变频器需工作在闭环矢量控制方式，必须安装测速电机或编码器，以便对电机的转速做精确测量反馈。转矩的计算公式如下：

T=（F×D）/（2×i）

其中：T变频器输出转矩指令F张力设定指令i机械传动比D卷筒的卷径电机的转矩被计算出来后，用来控制变频器的电流环，这样就可以控制电机的输出转矩。所以转矩计算非常重要。这种控制多用在对张力精度要求不高的场合，

在我鑫科公司就有广泛的应用。如精带公司的脱脂机、气垫炉的收卷控制中都采用了这中控制模式。

二、台达变频器转矩模式下转矩模式下的张力开环控制张力闭环控制是在张力开环控制的基础上增加了张力反馈闭环调节。通过张力检测装置反馈张力信号与张力设定值构成PID闭环调节，调整变频器输出转矩指令，这样可以获得更高的张力控制精度。其张力计算与开环控制相同。不论采用张力开环模式还是闭环模式，在系统加、减速的过程中，需要提供额外的转矩用于克服整个系统的转动惯量。如果不加补偿，将出现收卷过程加速时张力偏小，减速时张力偏大，放卷过程加速时张力偏大，减速时张力偏小的现象。这种控制模式多用在造纸、纺织等卷取微张力控制的场合下。在我公司尚无需这种控制。卷径计算台达变频器在所有的模式中都需要用到卷筒的卷径，大家知道，在生产过程中开卷机的卷径是在不断变小，卷取机的卷径在不断变大，也就是说转矩必须随着卷径的变化而变化，才能获得稳定的张力控制。可见卷筒的卷径计算是多么地重要。卷径的计算有两中途径：一种是通过外部将计算好的卷径直接传送给变频器，一般是在PLC中运算获得。另一种是变频器自己运算获得，矢量控制型变频器都具有卷径计算功能，在大多数的应用中都是通过变频器自己运算获得。这样可以减少PLC程序的复杂性和调试难度、降低成本。

变频器自己计算卷径的方法有三种：

1、速度计算法：通过系统当前线速度和变频器输出频率计算卷径。其公式如下：D=（i×V）/（π×n）D所求卷径I机械传动比n电机转速V线速度当系统运行速度较低时，材料线速度和变频器输出频率都较低，较小的检测误差就会使卷径计算产生较大的误差，所以要设定一个最低线速度，当材料线速

度低于此值时卷径计算停止，卷径当前值保持不变。此值应设为正常工作线速度以下。多数应用场合下的变频器都使用这种方法进行卷径计算。

2、度积分法：根据材料厚度按卷筒旋转圈数进行卷径累加或递减，对于线材还需设定每层的圈数。这种方法计算要求输入材料厚度，若厚度是固定不变的，可以在变频器中设定。此方法在单一产品的生产场合被广泛应用。若厚度是需要经常变化的，需要通过人机界面HMI或智能仪表将厚度信号传送到PLC，由PLC或仪表进行运算后再传送给变频器。这种计算方法可以获得比较精确的卷径。在一般的国产设备上应用较少，我公司的进口设备，气垫炉的收、放卷控制上就采用这种计算方式。

3、模拟量输入当选用外部卷径传感器时，卷径信号通过模拟输入口输入给变频器。由于卷径传感器的性能、价格、使用环境等原因，在国内鲜有使用。

结束语：

台达变频器矢量变频技术在卷取应用中的方法多种多样，在当前技术条件下，台达变频器上述模式是最具有代表性的。无论是设计还是维修，了解你所使用设备的工作模式和控制特点是非常重要的。变频技术还在高速发展，新的理论和控制技术将不断涌现，控制模式还将继续推陈出新。我们期待着台达变频器更先进、更实用的技术不断出现，以此来改变我们的生活。