交流电机伺服控制在卷绕中的应用
在纺织印染设备中卷绕是较为常用的传动系统,主要传动方式分为液压传动、直流传动、交流变频传动和交流伺服系统等。
恒张力卷绕有两种方式:压布辊磨檫传动和卷布辊中心传动。第一种方式由于传动不受卷布辊直径影响,情况较为简单,与一般的传动没有多大的差别。第二种方式因受卷布辊直径的影响,传动角速度是变量,并随直径的增大转速变慢。如果采用普通的交流变频传动，需要检测卷布辊的直径D，然后根据式(1)计算卷布辊转速n，再根据计算的转速控制变频器的频率，与普通的变频调速没有什么两样。
n="V/(πD) (1)
式(1)中: V为线速度; D为需要检测卷布辊的直径; n为卷布辊转速。
高性能的有速度传感器矢量控制变频器的性能已经可以算做是交流伺服控制，它有速度运行模式和转矩运行模式两种工作方式。当工作在转矩运行模式时，能根据转矩给定运行，而转速浮动。多数情况下，要求加工过程中保持张力恒定。但是，有的应用要求卷绕过程中内紧外松，既要求实现变张力控制，随着卷径的增大，张力逐渐变小。恒张力常常和恒线速度相关，恒线速度则要求电机的转速与卷径成反比。对张力的控制可以采用开环的方法，也可以采用闭环的方法。有些电动机(如力矩电机等)本身具有软机械特性，用它们来驱动卷绕机构，可以获得近似恒张力运行;卷径的变化可以看着是一种扰动，用扰动补偿调节，可以实现间接法张力控制，也是一种近似的恒张力控制。最直接最有效的方法是利用张力传感器实现张力的闭环调节，也称直接法张力控制。印染联合机中常用的松紧架也可以看作是一种张力检测环节。只是这种装置体积大、精度差，没有张力显示，使用不便。卷径在卷绕系统中是一个必不可少的参数，一般需要用某种检测装置来获取。卷绕张力是卷径的函数，需要通过计算来获得。
1速度控制与转矩控制
速度控制与转矩控制是伺服控制器的两种控制模式。速度控制模式已为大家所熟知，给定的是速度，反馈的也是速度，对速度形成闭环控制，保证速度为设定值，转矩则随负载而定。转矩控制模式，给定的是转矩，伺服控制变频器计算出实际的转矩，如果实际转矩低于设定转矩，则升速，反之，则减速，速度是浮动的。转矩控制模式非常适合于卷绕驱动。在卷绕驱动中，给定的是张力,线速度恒定,转速随卷径的增大而降低，转矩模式正好能满足这个要求。张力与半径的乘积就是转矩，作为转矩模式的给定，其转速正好浮动到所要求的线速度，无须线速度控制。如果不用专门的检测装置，变频器能够自己计算出卷径，问题可以进一步简化。显然，将伺服控制变频器的转矩控制模式用于卷绕驱动可以大大简化控制系统。
2具有内部卷径计算的伺服控制变频器卷绕驱动
如上所述，如果伺服控制变频器具有卷径计算功能，那么由外部张力给定就能算出转矩给定，使用转矩控制模式将变得很方便。伺服控制变频器1将系统的运行线速度传给伺服控制变频器2，伺服控制变频器2接受外部输入的张力给定和张力传感器输入的张力反馈信息构成张力闭环控制，伺服控制变频器2具有内部卷径计算功能并工作在转矩控制模式。伺服控制变频器2驱动异步电机以所要求的张力卷绕并自动将其速度浮动到运行线速度。
下面以LENZE-9300系列伺服控制变频器为例，说明卷径的计算方法。LENZE-9300系列伺服控制变频器内部有五十多种功能块，能完成诸如加减乘除和一系列的变换功能,也能完成PID闭环调节。根据式(2)可计算出卷径。
D="k×v/ω="k×∫vdt/∫ωdt (2)
式(2)中: v为外部输入的线速度值;ω为变频器知道的角速度值; k为由实验确定的常数。功能块的使用可以通过对一系列的代码进行设定完成。图4示出了一个由功能块组成的卷径计算框图。
3应用实例
这里总共使用了三台LENZE-9300系列伺服控制变频器，驱动三台带有旋转变压器的变频专用异步电动机。其中，拖辊伺服控制变频器工作在速度模式，它的主速度给定(1/2端)来自PLC的模拟量输出，辅助速度给定(3/4端)来自于松紧架信号，以此和前部保持同步;卷轴1和卷轴2伺服控制变频器工作在转矩模式，具有内部卷径计算功能，能对通过CAN总线由PLC发送来的张力给定信息和由张力传感器送来的实际张力信息进行闭环控制。无须对卷轴1和卷轴2实行专门的速度控制，它们能够自动的将其线速度浮动到需要的数值。卷轴1和卷轴2交替工作，实现连续的卷绕，由LENZE-8215变频器(图中没有画出)驱动的换轴电机完成换轴功能。CAN总线还将伺服控制变频器计算出的卷径信息发送到PLC，由PLC据此完成张力给定的计算。卷绕部分对卷轴的要求是内紧外松，这就要求初始张力大，随着卷径的变大，张力按照某种规律逐渐变小。
现在的纺织印染设备使用了大量的高新技术,变频器、工控机、现场总线、各种传感器、计算机网络等在纺织印染设备上已经普遍使用,纺织机械在向数字化方向发展。虽然行业是劳动力密集型的,但设备是技术密集型的。这种变化还在继续中,总有一天,会甩掉劳动力密集型的行业帽子。
