[机械╱仪表]张力控制培训

1、张力控制基础知识,英威腾电气股份有限公司2007.8.20,张力基础知识（一）,1、什么叫张力对线材、带材的表面拉伸力就是张力。2、应用环境其常应用在长材料的加工过程中，比如：纸、胶片、线、电缆、各种薄膜和绳等,张力基础知识（二）,张力基础知识（三）,为什么要进行张力控制（一）,1、稳定的传送材料防止横向滑动防止材料和辊子之间的滑动防止波动防止缠绕如果材料张力比较小，则材料和辊子之间摩擦力减小，就会产生打滑。如果张力继续减小，材料就会发生粘附和松弛，甚至材料会缠绕在辊子上，导致材料断裂甚至机器损坏，,为什么要进行张力控制（二）,2、防止变形发生皱纹，收缩,为什么要进行张力控制（三）,3、确保尺寸精度尺寸、粗度、宽度、厚度、孔距、折痕等主要是考虑张力不同会影响到材料的整个拉伸度不同，从而影响到最终产品的尺寸精度。4、配色，主要是多色印刷中的问题,为什么要进行张力控制（四）,5、材料卷起发生褶皱、横向偏移、产生间隙、确保牢固性、确保卷径主要用在江一定长度的材料卷成预定卷径的卷筒。,张力和转矩的关系（一）,张力和转矩的关系（二）,张力控制系统基本结构,张力控制最基本的结构如下图，包括收卷、放

2、卷和进给驱动三个部分。整个系统的收放卷速度由进给驱动电机的转速来决定。下图中的系统为传统形态的张力控制系统结构，采用了磁粉制动器和磁粉离合器的形式。,张力控制的类型,在实际的工程应用中，最常用的张力控制模式主要有以下两种：1、磁粉制动器（离合器）+张力控制器模式2、张力控制专用变频器模式,传统的张力控制系统,磁粉制动器（离合器）,原理：磁粉制动器（离合器）是采用磁性铁粉作为扭矩传递媒体，其扭矩特性与滑差无关，其实际传递扭矩与励磁电流成正比。优缺点：张力控制比较稳定，控制方式简单。在旋转过程中，磁粉和旋转轴一直处于摩擦状态，由于散热的原因，无法实现高速的卷绕。随着制动器温度的升高，会出现传递转矩下降的现象。,CHV变频器构成张力控制框图,张力控制专用变频器,张力控制器和卷筒驱动装置结合为一体，节省安装体积和成本。基本上大的变频器厂家全部都有自己的张力控制专用变频器，其中，我司张力控制专用变频器与爱默生TD3300、汇川MD330的控制方式基本类似。,张力控制方式（一）,1、手动张力控制方式,张力控制方式（二）,手动张力控制就是在收卷和放卷过程中，通过人工分阶段调整张力的幅值，以满足不同阶

3、段的张力控制。由于采用人工调节，而且分不同的步长，其无法保证整个过程中张力的恒定。由于张力采用人工调节，一般为电位器模式，其张力的调节精度比较差。一般应用在张力控制精度要求不是很高，自动化程度要求不高的场合。,张力控制方式（三）,2、卷径检测式张力控制方式,张力控制方式（四）,所谓卷径检测方式就是在变频器收卷和放卷过程中，自动检测卷径的变化，并实时调整收卷和放卷的力矩的方法。其又称为半自动式张力控制或者是张力开环控制。问题：由于受到执行机扭矩变化、线性和机械损耗等影响，张力绝对控制精度不高。应用场合：多用在用户无法安装张力反馈装置的场合。,张力控制方式（五）,3、全自动张力控制方式,张力控制方式（六）,全自动张力控制方式实际上就是张力闭环控制，其对应张力控制系统内部有张力传感器。其实际控制模式为张力的PID控制器。优缺点：对于该种控制方式，当PID参数调节不当时，其跟踪效果会比较差，特别是系统内部出现一个比较大的扰动时，会出现一个很长的调节过程，影响整个系统的稳定。由于其进行了张力的闭环控制，其可以实现高精度的张力控制。,卷径计算方法（一）,张力控制的核心实际上就是转矩控制，而转矩与张

4、力的换算系数就是卷径，卷径的计算是张力控制的一个关键内容。卷径计算方法主要有以下几种：1、线速度法2、厚度积分法3、模拟检测法4、编码器法,卷径计算方法（二）,线速度法D =（iNV）/(f)60 其中 ： i 机械传动比 N 电机极对数 V 线速度 f 当前匹配频率 注：线速度需要通过外部的采集装置来输入，其对应的输入通道为：模拟量和高速脉冲。,卷径计算方法（三）,厚度积分法对于实际卷材具体可以分为带材和线材，我们的变频器中对于带材和线材专门做了不同的处理，实际上带材就是每层一圈的线材。计算公式：收卷：D = D0+2nd。放卷：D = D0-2nd。其中 ：D0 初始卷曲直径 n 收、放卷圈数 d 带材平均厚度 关键点：收放卷圈数的确定，具体方式可以通过编码器脉冲信号、接近开关信号两种方式来进行。,卷径计算方法（四）,模拟检测法：通过外部加装传感器来实时检测卷径的变化卷径检测传感器：超声波传感器、CCD传感器,卷径计算方法（五）,编码器法D=V/T其中：V为实际卷材线速度（通过编码器测得，由于编码器安装在进给辊上，其对应的卷径固定，因而其线速度固定）T为实际收（放）卷筒的旋转周期，

5、其可以通过加装在卷筒上的接近开关来测得。关键点：编码器安装在进给辊上，该现象适用于无法在卷筒上安装编码器的场合。注：其实对于我司变频器完全可以通过调节减速比来实现以上方式，其具体实现方式与厚度积分法类似。,同步匹配频率,f = (VNi) / (60D)其中：f变频器当前匹配频率 V材料线速度N电机极对数 i机械传动比 D转筒卷径 同步匹配频率就是根据当前的线速度和卷径所确定的变频器实际运行频率。注意：该频率只应用在变频器运行在有张力反馈的速度控制模式之下。,张力锥度 控制,F = F01-K（1-D0/D）其中： F 实际输出张力 F0 设定张力 K 锥度系数D0卷径初始值 D 当前卷径值,惯量补偿,当变频器运行在转矩控制模式时，其加减速过程中需要额外的转矩来克服由于系统惯量所引起的加减速力矩，如果不考虑补偿会出现加速过程中力矩偏小，减速过程中力矩偏小。以加速过程为例分析如下:加速过程：输出转矩=负载转矩+加速转矩由以上公式可以看出，系统在启动加速过程中，不仅仅需要克服负载转矩，还需要克服其与惯性成正比的加速力矩。卷轴惯量随着材料的增加而不断发生变化，因而不同的卷径其对应的补偿量应该

6、是一个变化值。在实际中，需要根据材料的宽度，密度实时计算当前的转动惯量，从而对加减速过程中的惯量转矩进行实时的补偿。在实际系统中，对应系统惯量分为两个部分：卷材引起的转动惯量和系统本身所具有的机械系统转动惯量。在实际的调适中，应该对这两种惯量分别进行不同的补偿。,摩擦力补偿,系统的摩擦力主要分为：静摩擦和滑动摩擦在启动开始时刻，主要是静摩擦在起作用，当系统一旦运行起来则主要是滑动摩擦在起作用。如何区分静摩擦和滑动摩擦是整个系统设计的关键，特别是在正常运行起来后滑动摩擦比较小，但是初始时刻静摩擦比较大的场合，尤其要注意这个情况。例如：光纤绑带机,断带检测,变频器可以通过计算卷径的异常变化来实现断带保护。断带检测功能是基于线速度计算出来的卷径。如果用户要求采用断带检测功能，则必须采样准确的线速度，否则该功能无效。无论用户采用什么样的卷径计算方式，线速度计算卷径一直在进行（断带检测的前提）断带检测相关参数：断带检测范围、断带检测延迟时间。,双PID调节模块,CHV变频器内置了两套PID调节模块，PID参数可以随着工艺参数变化动态调整。具体工艺参数可以为：卷径、频率、线速度,收卷过程,放卷过程

7、,CHV张力控制方式,1、张力开环（无张力反馈转矩控制）2、张力闭环1（有张力反馈转矩控制）3、张力闭环2（有张力反馈速度控制）对于第一、二种模式主要是通过调节变频器的输出转矩来控制张力的恒定。对于第三种模式主要是通过调节变频器运行速度来控制张力的恒定。通过线速度和卷径计算模块得到比较准确的同步匹配频率，减小PID调节的调节量，使得系统更加稳定。,张力控制模式的选择,1、张力闭环速度控制模式，需要张力传感器检测实际张力构成张力闭环，其效果对PID的参数有一定的依赖性，但是可以选择开环矢量，不用加装编码器。2、张力开环转矩控制模式，系统结构简单，变频器可以输出平稳的转矩。张力开环一般用作收放卷的末级，但是由于采用的是张力开环，其加减速过程的力矩需要额外进行补偿。难点就在于如何补偿，因而如果系统所需要的转矩很小时（特别是相对于系统惯量所引起的转矩），不适合采用张力开环控制模式。张力开环控制优点就是不需要采用张力反馈装置，结构简单3、张力闭环适用于对张力精确控制要求比较高的场合。,张力控制应用案例（1）,张力控制应用案例（2）,上述案例为一个印染复卷机，放卷变频器工作在张力开环转矩模式，收卷

8、变频器工作在普通运行模式（速度控制），频率采用PID控制模式。上述控制系统特点：1、速度控制和转矩控制可以相互切换2、放卷和收卷模式可以相互切换3、整个系统的收放卷速度由收卷变频器来控制4、收放卷时的张力由放卷变频器来控制5、整个系统采用PID调节器的模式，实现线速度的无级调速。6、加减速过程通过调节线速度给定电位器就可以实现,张力控制应用案例（3）,张力控制应用案例（4）,以上案例，变频器工作在速度控制模式，张力检测设备可以采用张力辊或者是张力检测仪，该张力检测设备一般置于整个生产线的中间或者是末端。上述控制系统的特点：1、变频器应用在速度控制模式，其通过张力检测装置来实现张力闭环2、系统的速度由驱动电机的速度来决定3、驱动电机的速度通过线速度输入给收卷变频器作为其线速度的输入4、要求对于大卷的卷绕设备，当其对应的卷径比较大时，对应变频器的运行频率不能过低（比如不能小于1Hz，建议在5Hz以上）5、加减速过程通过驱动电机速度的变化来进行匹配,张力控制应用案例（5）,张力控制应用案例（6）,以上案例为张力闭环控制模式下的转矩控制上述案例的特点：1、该案例为张力闭环的转矩控制模式2、该方

9、案可以适用于所有的收放卷控制模式下3、卷径计算采用线速度法，线速度是驱动变频器的运行频率。4、整个收放卷的速度由驱动电机的速度来决定5、张力设定通过电位器来给定，问题是收放卷电位器给定的值是否可以一致。6、加减速过程通过由驱动变频器通过线速度来进行统一协调,放卷的基本结构（1）,1、单轴放卷机构放卷张力等于制动转矩/半径。随着卷径的变化，如果需要保持张力恒定，只需要调节制动转矩即可,放卷的基本结构（2）,2、同时多轴放卷机构层压机、单刀剪切机等机构都是同时将卷在多个卷轴上的卷材同时进行放卷。关键点是调节各制动器的制动力矩，保持所有放卷张力的均匀。注意：进给辊是驱动材料进给的机构，一般采用变速电机来进行驱动，其对应的方式分为握持辊和夹送辊,放卷的基本结构（3）,3、积极式放卷机构有些工况下需要驱动卷筒进行主动放卷。a、卷筒较重，卷筒惯量引起的张力大于目标张力。b、系统机械摩擦力远远大于目标张力c、自动换卷的场合,放卷的基本结构（4）,4、逆转驱动放卷机构在有些场合需要使得卷架驱动器逆转以维持一定的张力。a、卷返机构在一对卷筒之间进行收卷和放卷b、在放卷系统停止的情况下，为了维持一定的张力需要进行低速逆转驱动。,收卷的基本结构（1）,1、小容量收卷机构a、材料收卷的速度的恒定决定于进给辊的速度b、随着卷径的变化，通过离合器调节获得恒定张力关键点：力矩如何平衡，加减速过程分析,收卷的基本结构（2）,2、多轴同时收卷,收卷的基本结构（3）,拉伸控制，由于传输材料的差别，可能有些材料需要多级驱动，但是由于不同级之间的从动辊机械损耗，导致越是前方的材料，其张力越大。因而在实际驱动中，需要考虑拉伸情况，适当调整各从动辊的转速。,谢谢大家,

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