微能WIN-VC矢量型变频器在不锈钢磨砂机上的收卷应用

摘 要
本文主要介绍了WIN-VC矢量控制变频器用于张力控制不锈钢收卷的控制原理，此技术的成功应用表明，微能WIN-VC变频器的产品性能可与同类进口产品相媲美，由于其具有优良的性价比，完全可代替同类进口产品，广泛用于造纸、纺织、皮革、印染、印刷、拉丝、纤维、橡胶、胶粘带、电线电缆、塑料薄膜等行业中成品的收、放卷工艺中，实现保持收放料（线材、板材）张力的恒定。

关键字 WIN-VC变频器 张力收卷控制 PG矢量

一、前言
随着我国经济的高速发展和城市化进程的加快，不锈钢所具有的轻巧、环保、美观等优点被大量使用，尤其是在大城市和沿海城市，不锈钢的使用数量已超过欧美国家。不锈钢已广泛应用于汽车工业、水工业、建筑业、家电业、环保工业等现代化工业中，可以这样说，中国城市化的过程就是扩大使用不锈钢的过程。在最近几年，不锈钢行业取得了飞速的发展，面临着前所未有的巨大机遇，众多国内生产企业受到生产设备技术条件的限制，生产的产品还处于中、低端市场，竞争力不强。用先进的自动化控制技术来提升我国装备制造业水平，缩短与世界先进生产设备的距离，对生产设备进行升级换代，已刻不容缓。由深圳市微能科技有限公司研发生产的高性能强功能矢量型变频器—WIN-VC系列产品，该变频器达到了极高的响应性和稳定性，真正能在各种工业现场应用自如，是国内众多工业设备和自动化机械制造客户的首选。通过WIN-VC矢量型变频器在不锈钢磨砂机张力收卷上的成功应用表明，以前进口品牌在收、放卷、提升等变频器高端应用领域垄断的局面将被打破，WIN-VC系列变频器的面世将大大促进我国装备制造业总体水平的提高。

二、张力控制变频收卷应用及工艺要求
2.1 原收卷装置的弊端
在不锈钢的加工过程中，它的磨砂和清洗工艺是否先进对产品品质起着决定性的作用，系统一般由以下部分组成：放卷、收卷由两台5.5KW电机驱动，压辊、磨砂带各由1台2.2KW电机驱动，四个动力点的速度都由同步控制器输出0-10V信号，控制变频器同步运行。不锈钢板从放卷电机开卷，经前整压辊引入进入生产线，通过磨砂带的高速旋转打磨抛光，进入到清洗水箱进行液体喷射清洁、高压风机干燥处理后，由收卷电机进行收卷、包装。

现有系统的弊端有以下几点：1）四个传动点由于各动力点的受力不均匀，无法在同一线速度下实现同步运行。2）放卷电机由普通变频器驱动，经常在手动模式下由于操作工后两个传动点开得太快，使V1经常跳OU故障，容易引起飞车危险。3）压辊、磨砂电机在低速时易打滑，影响产品品质。4）收卷处电机V4经常出现过载和失速现象，钢带经常出现张力过大绷紧变形，或者达不到内紧外松的收卷要求。5）在上料、下料时不易控制，危及操作工的安全。
2.2 微能WIN-VC变频器简介
解决上述弊端的方法：必须保证四个传动点的线速度V1=V2=V3=V4；V1和V4能工作在恒张力模式下，进行速度/力矩控制。用变频器做恒张力控制的实质是闭环矢量控制，即加旋转编码器进行速度反馈。对收卷来说，收卷的卷径是由小到大变化的，为了保证恒张力，所以要求电机的输出转矩要由小到大变化。在收卷的过程中，小卷、大卷启动时的瞬间加速、减速、停车，都要在不同卷径下进行不同的转矩补偿，这样才能使得收卷的整个过程很稳定，避免小卷时张力过大，而大卷启动时松驰现象。 V2、V3在低速时保证足够的转矩，保证上料过程中不出现打滑、倒退的现象。由深圳市微能科技有限公司研发生产的无感矢量型WIN-VB、电流矢量型WIN-VC变频器产品可满足上述要求。
WIN-VC变频器是一款通用高性能矢量变频器，是真正的电流矢量控制变频器，以先进技术的控制理论为基础，通过智能化的控制手段，使变频器控制的调速系统达到了极高的响应性和稳定性，具有高起动转距、低速稳定性好，精确的力矩控制、节能控制、零伺服功能、下垂控制（DROOP）等强大功能，达到同类进口产品的性能，真正能在各种工业现场应用自如。WIN-VC可实现四种控制方式：
1、无PG矢量控制：应用于所有需要变速驱动的场合
2、有PG矢量控制：简易伺服驱动，高精度速度控制，力矩控制的场合
3、无PG V/f控制： 传统的变频器控制方式，可使一台变频器驱动多台电机
4、有PGV/f控制： 简易速度反馈控制
特别是在PG矢量控制方式下，以其极高的速度控制精度（+0.02%）、极高的零起动转矩（在0r/min时达150%额定转矩）并可实现力矩控制，与PLC配合使用，可以实现速度链控制、自动负荷控制、自动速差控制等功能，在生产线传动中得到大量应用，并取得了较好的控制效果。
2.3 变频张力开环控制收卷系统组成
张力控制的定义：所谓的张力控制，就是能控制电机输出的力矩，即输出多少牛顿·米。反应到电机轴即能控制电机的输出转距。目前控制张力途径有两个：一是通过控制电机的速度来实现；二是通过控制电机的输出转矩来实现。WIN-VC变频器可通过三种方式可实现张力控制：
1、张力闭环控制方式（速度模式）。通过PLC检测和计算材料的线速度和卷径的实时计算，由张力检测装置反馈的张力信号与张力设定值构成PID闭环，调整变频器的输出频率。
2、张力开环控制方式（转矩模式）。变频器工作在闭环矢量方式下，系统须安装旋转编码器。控制系统简单，无需张力反馈装置，即可获得稳定的张力效果。这种控制方式适合在较低速度下的大张力控制，本文所要介绍的就是此种张力控制方式。
3、张力闭环控制方式（转矩模式）。在b）的基础上增加了张力反馈闭环调节，由张力检测装置反馈张力信号与张力设定值构成PID闭环，调节变频器输出转矩，可实现精确的张力控制精度。
在 2.张力开环控制这种模式下，利用变频器矢量控制的转矩控制功能，实时的根据张力的设定值、锥度、补偿量，以及卷轴直径计算出所需要的转矩，从而达到间接的控制张力的目的。结构简洁，效果非常好。系统组成如下:

三、变频张力开环收卷的控制原理
要保证收卷过程的平稳性，不论是大卷、小卷、加速、减速、激活、停车都能保证张力的恒定，需要进行转矩的补偿。在不同速度的时候，补偿的系数是不同的，即加速转矩、减速转矩、停车转矩、激活转矩，具有不同的补偿系数。收卷整个过程的转矩补偿过程：电机的输出转矩=静摩擦转矩（激活瞬间）+滑动摩擦转矩+负载转矩。转矩的补偿为:（1）在加速时还要加上加速转矩。（2）在减速时要减去减速转矩。（3）停车时，因为是通过程控减速至设定的最低速，所以停车时的转矩补偿与减速转矩的处理方法相同。 在张力控制模式下,要对速度进行限制,否则会出现飞车。转矩的计算和卷径的计算原理如下：
1）转矩的计算：
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，作为变频器的电流环的给定，这样就可以控制电机的输出转矩，所以转矩计算非常重要。
2）卷径算法原理:
厚度积分法。在系统中，PLC根据工艺需要来决定输出速度/力矩，并同时从各个变频器中读取速度、电流、转矩等信号，用作控制和显示。PLC程序的主要任务是：处理起停连锁、故障报警、速度控制以及显示， 根据材料厚度按卷筒旋转圈数进行卷径累加或递减，如果是线材还需设定每层的圈数，也可以从PG获得圈数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将厚度信号传送到PLC，由PLC进行运算后再传送给变频器。

四、系统调试过程
不锈钢生产线的变频控制系统算是一个比较复杂的传动系统，必须分步进行调试。包括变频器调试、PLC调试、生产试运行三个步骤。
4.1变频器的参数设定及说明
收卷变频调速及其控制：V2、V3用WIN-VB系列变频器工作在无感矢量模式下，自动转矩补偿可满足低速高转矩的要求；V1、V4用WIN-VC系列变频器工作在力矩/速度模式下，可达到收、放卷的性能要求。在变频器的PG矢量控制中，转速指令和实际速度的比较值通过一个速度调节器ASR后再进行转矩限定，然后用来控制变频器的输出转矩。限制转矩的作用就是用来限定速度调节器输出的转矩电流指令，直接限制变频器的输出频率。对于收卷而言，随着卷径的逐渐增大，速度将慢慢减小而转矩值也随之增大，这时主要控制转矩值的大小就可以基本上保证转矩值的精度。
1）自学习：要实现高精度的矢量控制性能，需建立在精确的电机模型参数上。WIN-VC的动态自学习模式，可测量从低到高不同频率段时电机的参数，从而获得准确的电机参数。在不同的频率段建立相应频率段的电机模型，使变频器从低频到高频都能精确控制电机。由于电机的一些参数（如空载电流、额定滑差、转子电阻、铁芯饱和系数等）在不同的温度下有较大差异，为获得最佳电机参数，使系统达到最佳的控制性能，建议在自学习之前最好将变频器带电机先运行十分钟以上，待电机温升达到正常工作时的温度再进行自学习。
2） 将编码器的信号接至变频器，并在变频器上设定编码器的参数。然后用键盘给定频率和进行启停控制，观察显示的运行频率是否在设定频率的左右波动。因为运用闭环矢量控制时，运行频率总是在参考编码器反馈的速度，最大限度的接近设定频率，所以运行频率是在设定频率的附近变化的。
3）放卷变频器V1实际上只是提供一个反向的拉紧力，所以其控制精度要求不高。调试相对简单。关于零速时的反向拉紧，即零速保持，必须同时设定速度极限功能，可避免断料时的飞车情况，保障操作人员的安全。
4） V4在速度/力矩模式下重要参数调整说明：
a、力矩限制功能：在PG矢量控制方式下，力矩限制功能的典型应用是开环力矩限制收（放）卷功能。力矩指令可以由多功能模拟量输入端子、ModBus通信卡修改L7组相应参数或通过操作键盘修改L7组相关参数等输入信号任意设定。当不想在负载上施加一定量以上的力矩及不想发生一定量以上的再生能量时，可以使用力矩限制功能。力矩限制的精度：在输出频率10Hz以上时，为±5%，10Hz以下时精度较低。电机输出力矩达到力矩限制值时，力矩控制优先，电机的转速控制和补偿都无效。应该注意的是会出现加减速时间增加及转速降低的情况，而转速降低正是收卷时所需要的特性。矢量控制时的速度（ASR）是把速度指令和速度检出值（PG的反馈或者速度运算值的偏差）调为零，来控制力矩指令。

b、速度限制功能：为了防止负载力矩因故消失后电机发生飞车现象，力矩模式控制时可以设定速度限制值。速度限制的给定同样可以由多功能模拟量输入端子、ModBus通信、操作键盘等输入信号任意设定。速度限制的控制功能在力矩控制的收、放卷系统中非常有用，可以控制收卷的速度时刻跟随着牵引的速度，控制因过速引起的收卷故障。力矩控制时的另一个特点是在控制过程中可以加入力矩补偿，在力矩控制的系统起动时，为克服系统的静摩擦提供了一个额外的力矩，使系统的响应更加迅速。
4.2 PLC程序调试
PLC程序主要功能有：
1、磨砂传动的速度给定，并读取该传动的速度、电流、转矩信号
2、根据磨砂速度来决定各动力点的速度给定，并读取该传动点的速度、电流、转矩信号
3、处理收卷传动的切换，即工位之间互换时速度给定和转矩限幅的给定，各I/O信号是否动作正确。
在程序中设定空芯卷径和最大卷径的数值。通过前面卷径计算，算出电机尾部所加编码器产生的最大脉冲量（P2）和最低脉冲量 （ P2 ）。通过算出的最大脉冲量对收卷电机的速度进行限定，因为变频器用作张力控制时，如果不对最高速进行限定，一旦出现异常情况，收卷电机会出现飞车危险。
4.3 生产试运行
在生产试运行前，必须设定好各动力点的参数，各种保护功能是否正确动作，速度的限制控制值和转矩的限制值是否设定正确等等。同时还应注意：
各个动力点必须先进行空载运行试验。
在带载试生产中，根据生产的实际情况还应修正各类系数，如力矩补偿、力矩增益、ASR参数等等，以确保各动力点的速度协调。通过设定以上的几个参数，可以有效的改变系统惯量对加、减速时的影响，可以达到非常好的收卷效果。在用户现场测试，加工厚度D=0.3mm到D=1mm不锈钢板材时，磨砂机各个动力点的控制相当平稳，加工出来的不锈钢表面光洁，无气孔，无渣，收卷达到内紧外松的要求。

结束语
采用WIN-VC矢量型变频器实现了磨砂机的收、放卷张力控制，与原系统相比，具有操作简单、安全、可靠、加工精度高等优点。张力设定在人机界面HMI上完成，使用卷径的实时计算方法，精确度非常高，保证了电机输出转矩的平滑特性，使得板材、线材类的高速加工成为了现实，从而大大提高了设备的可靠性和生产率，成本上并没有过多的增加，提升了企业的产品品质和竞争力。