1引言
膠帶、保護(hù)膜生產(chǎn)設(shè)備主要包括各種膠粘制品及無膠紙類、布類、皮革類、多種塑料制品類物料的上膠、多層貼合、分條、復(fù)卷、分切、沖型機(jī)械等。其中分條機(jī)在生產(chǎn)過程中根據(jù)不同需要對(duì)材料進(jìn)行切邊、分切等。其中分條機(jī)（圖1）主要用于將寬幅卷材分切成窄幅卷材。分條工藝包括放卷和收卷兩個(gè)過程。放卷和收卷的張力控制是分條機(jī)的關(guān)鍵自動(dòng)化環(huán)節(jié)。本案例的方案特點(diǎn)是在原有電控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上選用變頻器實(shí)現(xiàn)收放卷轉(zhuǎn)矩控制，達(dá)到了理想的效果，在原來的基礎(chǔ)上提高了機(jī)器工作性能，使機(jī)器在高速運(yùn)轉(zhuǎn)中更趨穩(wěn)定，操作方便，安全可靠，耐用性強(qiáng)，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度。
圖1多功能貼合復(fù)卷分條機(jī)
2系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1系統(tǒng)方案
系統(tǒng)方案參見系統(tǒng)控制框圖（圖2）。設(shè)備主體選用臺(tái)達(dá)機(jī)電系列（表1）
圖2系統(tǒng)控制框圖
表1 設(shè)備主體選型
2.2系統(tǒng)分析
收放卷工藝要求恒張力控制。張力的給定通過張力控制器。張力控制器控制的原理是通過檢測(cè)收卷的線速度計(jì)算卷徑，負(fù)載轉(zhuǎn)距=F*D/2（F為設(shè)定張力，D為當(dāng)前卷徑），因此當(dāng)設(shè)定了張力的大小，因?yàn)楫?dāng)前卷徑通過計(jì)算已得知，所以負(fù)載轉(zhuǎn)矩就可以算出來了。張力控制器能夠輸出標(biāo)準(zhǔn)的0~10V的模擬量信號(hào)，對(duì)應(yīng)異步電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩。所以我們用該模擬量信號(hào)接入變頻器，選擇轉(zhuǎn)矩給定。這樣在整個(gè)收卷的動(dòng)態(tài)過程中，能夠保證張力的恒定。
在變頻器轉(zhuǎn)矩模式下，對(duì)速度進(jìn)行限制。在張力控制模式下，不論直流電機(jī)、交流電機(jī)還是伺服電機(jī)都要進(jìn)行速度的限制，否則當(dāng)電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)距能夠克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩而運(yùn)行時(shí)，會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)加速度，而使轉(zhuǎn)速不斷的增加，最終升速到最高速，就是所謂的飛車。如圖2中所示，收放卷的速度是通過主軸B系列變頻器的模擬量輸出AFM而進(jìn)行限定的。也就是將主軸B系列的變頻器上3-05（模擬信號(hào)輸出選擇）參數(shù)設(shè)定為03（頻率指令輸出）,如圖3所示。將該信號(hào)分別接到收放卷變頻器的模擬量輸入端口上，作為頻率給定和上限頻率的設(shè)定信號(hào)。
圖3 頻率指令輸出函數(shù)
零速張力控制要求。當(dāng)收放卷以0Hz運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的輸出軸上有一定的張力輸出，且可調(diào)。該要求主要是防止當(dāng)收放卷運(yùn)轉(zhuǎn)當(dāng)中停車，再啟動(dòng)時(shí)能夠保證收放卷的盤頭不會(huì)松掉。在該控制系統(tǒng)中，可以通過調(diào)整張力控制器上的初始張力設(shè)定而達(dá)到要求。
2.3分條機(jī)恒張力原理設(shè)計(jì)
1.恒張力控制的原理
對(duì)于收放卷過程中恒張力控制的實(shí)質(zhì)是需要知道負(fù)載在運(yùn)行當(dāng)中卷徑的變化，因?yàn)榫韽降淖兓，?dǎo)致為了維持負(fù)載的運(yùn)行，需要電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩要跟隨著卷徑的變化而變化。對(duì)與V系列變頻器而言，因?yàn)槟軌蜃鲛D(zhuǎn)矩控制，因此能夠完成收卷恒張力的控制。V系列變頻器提供了三路模擬量輸入端口，AUI、AVI、ACI。這三路模擬量輸入口能夠定義為多種功能，因此，可以任選一路作為轉(zhuǎn)矩給定，另外一路作為速度限制。0~10V對(duì)應(yīng)變頻器輸出0~電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩，這樣通過調(diào)整0~10V的電壓就能夠完成恒張力的控制。而對(duì)于分條機(jī)，計(jì)算卷徑的部分是通過張力控制器來計(jì)算的，當(dāng)然用PLC架構(gòu)來實(shí)現(xiàn)也是沒有問題的。也就是說，可以通過在人機(jī)或文本上設(shè)定張力，通過PLC計(jì)算卷徑，T=F*D/2，所以可以算出需要電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩大小，通過模擬量輸出接到V系列變頻器的轉(zhuǎn)矩給定端就可以了。
2.同步轉(zhuǎn)速計(jì)算
因?yàn)槲覀冎雷冾l器工作在低頻時(shí),交流異步電機(jī)的特性不好,激活轉(zhuǎn)矩低而且非線性因此在收卷的整個(gè)過程中要盡量避免收卷電機(jī)工作在2HZ以下。因此收卷電機(jī)有個(gè)最低速度的限制。對(duì)于四極電機(jī)而言其同步轉(zhuǎn)速計(jì)算如下:
n1=60f1/p=>n1=1500r/min=>2HZ/50HZ=N/1500=>n=60rpm/min
。╢1-為額定頻率、p-為極對(duì)數(shù)、n1-同步轉(zhuǎn)速）
3.限速運(yùn)行
當(dāng)達(dá)到最大卷徑時(shí),可以求出收卷整個(gè)過程中運(yùn)行的最低速：
V=π*D*n/i=>Vmin=3.14*1.2*60/9=25.12m/min
張力控制時(shí),要對(duì)速度進(jìn)行限制,否則會(huì)出現(xiàn)飛車，因此要限速運(yùn)行。
4.張力及轉(zhuǎn)矩的計(jì)算
如果F*D/2=T/i（F--張力、D--卷徑、T--轉(zhuǎn)距、i--減速比）,=>F=2*T*i/D對(duì)于3.7KW的交流電機(jī),其額定轉(zhuǎn)矩的計(jì)算如下:
T=9550*P/n=>T=24.88N.m所以Fmax=2*24.88*9/0.6=74.64N
。═-電機(jī)的額定轉(zhuǎn)距、P-電機(jī)的額定功率、n-為電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速）
3調(diào)試過程及參數(shù)設(shè)定
3.1 V系列變頻器電機(jī)參數(shù)的自整定
1將驅(qū)動(dòng)器的所有參數(shù)恢復(fù)成出廠值。
2將電機(jī)軸與負(fù)載脫開。
3將電機(jī)額定電壓01-02、電機(jī)額定頻率參數(shù)01-01、分別正確填入數(shù)值。
4將參數(shù)05-00設(shè)定為1，然后按Keypad RUN的命令，此時(shí)立即執(zhí)行電機(jī)的自動(dòng)整定。執(zhí)行約2min的時(shí)間（功率越大，要將加減速時(shí)間設(shè)定長(zhǎng)一些）。
5執(zhí)行后檢查05-02、05-06~05-09、05-12、05-16~19參數(shù)是否已自動(dòng)將測(cè)量的數(shù)據(jù)填入，若沒有請(qǐng) 再次設(shè)定05-00參數(shù)，RUN一次。
3.2 V系列變頻器閉環(huán)矢量試運(yùn)行
將運(yùn)行方式設(shè)定為面板啟動(dòng)，頻率給定方式為面板給定。運(yùn)行方式為V/F+PG將頻率設(shè)定成10Hz,然后運(yùn)行，觀察變頻器是否會(huì)報(bào)PG報(bào)警，如果報(bào)PG報(bào)警，則將10-01設(shè)定為1（原來為0，反之設(shè)定為0），然后斷電重新上電。再次按運(yùn)行按鈕，確保變頻器不再報(bào)警，同時(shí)按Mode鍵，切換置顯示運(yùn)行頻率，觀察運(yùn)行頻率是否在10Hz上下波動(dòng)，確保閉環(huán)矢量運(yùn)行調(diào)試完成。
3.3V系列變頻器轉(zhuǎn)距控制參數(shù)設(shè)定
1 主軸VFD037B43A參數(shù)設(shè)定
01-00-----------50 最大操作頻率
01-01-----------50 最大電壓頻率
02-00-----------1 第一頻率來源（AVI）
02-01-----------1 第一運(yùn)轉(zhuǎn)指令來源（外部端子啟動(dòng)）
03-05-----------3 頻率指令輸出
2 收放卷VFD037V43A參數(shù)設(shè)定
00-04----------40 觀察上限頻率
00-20----------2 頻率指令來源(外部模擬量輸入)
00-21----------1 運(yùn)轉(zhuǎn)指令來源（外部端子啟動(dòng)）
01-00----------50 最大操作頻率
01-01----------50 最大電壓頻率
00-12----------1 第一加速時(shí)間
00-13----------1 第一減速時(shí)間
03-00----------4 AVI上限頻率限定
03-02----------1 轉(zhuǎn)距給定
03-09----------110 模擬量輸入增益（AVI）
03-11----------200 模擬量輸入增益（AUI）
10-00----------1024 編碼器線數(shù)
10-01----------1 編碼器方向
4結(jié)束語
當(dāng)應(yīng)用V系列變頻器做張力控制時(shí)，一定要考量控制介質(zhì)能承受的張力范圍。保證張力控制的范圍不能太小，一般張力范圍在幾百牛頓甚至更大時(shí)，用變頻器做張力控制是能夠滿足客戶的需要的。如果張力范圍太小，是無法用變頻器進(jìn)行張力控制的。因?yàn)榈娃D(zhuǎn)距、小負(fù)載時(shí)，V系列變頻器的性能還是不是非常好，將轉(zhuǎn)距調(diào)到非常小時(shí)，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不是很平穩(wěn)。所以在做類似的應(yīng)用時(shí)還是要了解清楚客戶的要求，以免無法達(dá)到客戶的要求。
參考文獻(xiàn)
。1］VFD-V使用手冊(cè).臺(tái)達(dá)
。2］VFD-B使用手冊(cè).臺(tái)達(dá)
［3］任禮維,林瑞光.電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ).浙江大學(xué)出版社