中船重工718所 马洪
1、 引言
卷取是一种常见的控制系统，广泛应用于造纸、印刷、染织等生产过程中的后续工作，以制成半成品或成品卷筒物。卷取的方式常见的有2种:摩擦卷取和中心卷取。前者对机械的要求复杂，而且卷取的效果受摩擦辊的影响很大，包括物料的光泽度、端面情况、松紧度等都会在卷取工艺中变差。后者在机械程度上很简单，卷取时只受到自重的影响，卷取的效果自然好许多，然而长期以来中心卷取的控制系统只能在直流控制或磁粉控制二者中进行选择，控制的成本很难降低。如何降低收卷系统的控制成本呢？很多人都会想到交流变频器，的确交流变频调速技术以其卓越的调速性能、显著的节电以及在国民经济领域的广泛适用性，而被公认为是一种最有前途的调速方式。直流调速系统在电机传动的发展史上占有重要的地位，但由于直流电机存在维护难、抗环境能力差等原因，到了目前已严重制约了设备整机的性能价格比。而变频调速技术能最大程度上发挥了交流电机本身固有的优点(结构简单、坚固耐用、经济可靠、动态响应好等)，再加上变频调速理论业已形成一门相对独立的学科，变频调速技术的全面应用时代已经到来。
2、 分纱落筒机中心放卷的变频控制
分纱落筒机是针织牛仔、牛仔面料或牛仔绣花生产中的关键设备。白色纱线经过靛蓝染色，形成的束状纱线，经过分纱整经机整经，退绕在7—8个轴盘上，每盘上形成片状40-50根的纱线，分纱落筒机就是将每盘上形成片状40-50根的纱线，以放卷形式单根地均匀地卷绕成40-50个筒子纱。因为有以下几个原因：1纱线张力非常小，由其是单根纱线张力。2退绕轴盘在满轴时半径很大，大约在800mm-1000mm。3退绕轴盘加上纱线的重量很大，它动态惯性和静态惯性较大。所以在中心放卷的过程中，随着卷径的不断减小，放卷电机的速度必须不断增大，同时又要保证的纱线张力相对平稳，由其是加减速的过程中，以防止纱线的缠绕或绷断。对于放卷系统而言，进行张力控制是核心技术，也是变频调速的难点。目前，在中心卷取中最常用的是以下2种控制方式:
(1)、速度控制卷取(SPW)，用PID通过测力传感器的张力反馈，或调节辊的位置反馈，
来修正速度给定;
(2)、电流控制卷取(CPW)，用PID调节张力给定，这一类型的控制一般是开环的。
对如此复杂的张力控制系统，变频技术必须能克服以下4个技术问题:
(1)、将复杂的交流异步电机的数学模型简单化;
(2)、考虑到张力反馈信号的延后和超调;
(3)、将卷绕张力控制过程的动态参数描述成时变函数;
(4)、保证张力或转矩闭环的抗波动能力高和即时调节性好。
通常情况下，具有张力控制的变频控制系统，是建立在对变频器、电机和张力对象的
数学模型研究的基础上，它包括Ud/Id之间的传递函数、Id/M之间的传递函数、转矩M～转速n之间的传递函数、控制电压Uk～变频器输出电压Ud之间的传递函数、物料张力的动态数学模型。在一般情况下，张力专用的变频器由直径、转矩补偿和速度计算等模块组成。
3、 TD3300变频器的收放卷控制功能
TD3300张力控制专用变频器是艾默生网络能源有限公司的最新产品，它具有TD3000矢量变频器的所有高性能，同时又可实现张力闭环控制和张力开环控制，以满足各种卷取和放卷要求。
A：(1)各种卷径的计算，包括线速度计算、绕圈计算、模拟设定、上位机给定等;(2)卷径模拟输出，实现人机友好交互功能;(3)多种线速度测量方式，包括脉冲输入、模拟输入、数字输入等;(4)实现张力锥度的设定;(5)实现转矩补偿的功能，如弯曲力矩补偿、静态力矩补偿、惯性力矩补偿等;(6)具有自动换卷逻辑功能，实现在线换卷功能。
B：TD3300张力控制变频器的4种张力控制方式
(1)张力闭环控制(需要张力传感器、增加成本、控制精度最高);
(2)间接张力控制一(需要卷径传感器、增加成本、控制精度较高);
(3)间接张力控制二(成本较低、控制精度较高);
(4)间接张力控制三(成本较低、控制精度差)。
此四种方案的配置主要是考虑系统的张力控制精度要求、系统的成本要求等，用户
可以根据实际情况决定采用哪种张力控制方式。
C：4种张力控制原理和应用
(1)、张力闭环控制
对于张力控制精度要求较高的场合，如轧卷染色机，它需要通过张力检测辊的
输出张力信号来构成张力闭环控制，对于变频器来说采用速度控制方案和PID
闭环控制。
(2)、间接张力控制一 它通过卷径传感器测量的卷径模拟信号进入变频器的模拟输
入口，而变频器则根据测量的卷径进行张力控制。这里，卷径是通过测量而不是通过计算而得，因此张力控制的精度相对较高。分纱制筒机就采用这种方式。
(3)、间接张力控制二 在线速度可以检测的场合，可以采用此法，通过检测到的线
速度及电机角速度计算卷径，从而控制张力。通常应用在如干式复合机、拉幅定型机、浆纱机等收卷系统中。
(4)、间接张力控制三当对张力的控制精度要求不高，卷绕材料的厚度已知且变化不频繁的情况下，可以采用厚度累积法计算卷径，实现间接张力控制。
4、 系统方案介绍
本系统中选用了经济而实用的间接张力控制一：即张力闭环控制方案1（速度模式）
（F3.06=1），通过调节电机转速达到张力恒定。采用此模式。同步匹配频率指令的计算
方程式：Ｆ＝(v×p×i)／(π×D) 。
首先由纱线的线速度和纱轴的当前卷径实时计算出同步匹配频率指令，然后通过张力检
测装置反馈的张力信号（F7.02反馈量输入通道选择），以张力设定值（F8.01=0 数字设定）构成PID闭环，调整变频器的频率指令。纱线线速度由前一级线速度检测模块获得，即送纱辊电机的线速度，通过AI1口进入变频器TD3300，卷径应选用外部卷径传感器，卷径信号通过模拟输入口AI2输入，模拟输入对应0~最大卷径（F8.09）。在此方案中，保证比较准确的同步匹配频率指令可以减少PID调节器的调节量，使系统更稳定，也就是线速度的检测的正确性比较重要。
由于我们对TD3300张力控制专用的矢量型变频器的深刻了解和认识，结合我们在纺织专业上的丰富经验,使分纱落筒机放卷系统的设计非常成功，车速可达350-450m/min,而且系统非常稳定可靠。目前已为厂家生产二十余套，该设备已成为厂家生产针织牛仔纱，靛蓝关键绣花纱的关键设备，该设备为厂家创造了巨大的产品附加值。非常值得在纺织行业推广应用。
系统应用图如下所示：
