变频器在电线电缆收线机械电控系统上的应用

　　本文分析了变频器内置PID调节器的闭环反馈工作原理，应用于电线电缆收线张力恒定系统，配合主从传动点的主从应用宏，达到调节加工速度和张力恒定的要求。

一、概述

　　随着变频调速技术的发展与更新，变频器以其优越的性能价格比为广大用户所青睐，变频器的功能强大，是一种集电力、电子、计算机技术和现代技术为一体的一种典型的高科技产品，其操作简单，几乎不要调整，和普通异步电机配合基本可形成了一种免维护无故障运行的系统，不需要专门的技术人员对其进行日常保养和维护，所以变频传动已经日益成为电气传动控制的主流。

　　在电线电缆收线机械的电气系统中，加工机马达和收线机马达组成主从传动，利用两台通用型变频器工作在主从控制方式，拖动电机同步运行。主机是加工机械，由一台功率较大的变频器控制，根据生产工艺要求调节加工速度；从机是收线机，由较小功率变频器控制。系统控制图如下图1：

图1 系统结构图

　　加工成型的电线电缆通过定滑轮1、张力动滑轮、定滑轮2到达收线机，主机变频器控制总车速，从机转速自动跟随主机的加工出线速度，保持张力动滑轮的位置不变；张力动滑轮通过连杆和电位器连接，动滑轮上下移动改变电位器位置 输出的电压信号送从机变频器，由其内置的PID调节器进行闭环反馈控制，达到张力恒定的要求。

二、主从变频器功能实现

　　在一般通用型变频器中，可以通过参数组态的方式完成所需要的主从控制功能。以ACS600变频器为例，我们可通过主机变频器操作面盘控制本机启动、停止、加减速度调节和运行显示，或者主机给定信号和控制命令通过变频器的标准输入/输出信号接口输入，或通过NAMC板上的CH0通道连接现场总线适配器，同时利用外部继电器控制回路实现从传动点启动和停止的连锁控制。外部信号只与主变频器相连，主机经由光纤通信控制从机，一般外部信号不与从传动相连，也不用控制盘和现场总线控制从机，从机不通过主/从通讯链路向主机发送任何反馈数据，从机的故障信号应单独地连至主机，形成联锁。一旦发生故障，联锁将停止主传动和从传动。

　　主/从应用宏参数的缺省设置能满足一个典型的主传动需要。从传动参数设置必须进行调整，主传动是典型的速度控制，其它变频器跟随主传动的转矩或速度给定。主从应用宏提供了窗口控制功能。当从机处于转矩控时，变频器在正常运行范围内，窗口控制保持转速调节器的输入为零，从机跟随主机的转矩给定；发生负载丢失时，从机实际转速开始升高直到反向转速偏差的绝对值超过窗口允许负向宽度。窗口控制把窗口的输出值与转速调节器相连。转速调节器输出负值加上来自主机的转矩给定得到内部转矩给定，使内部的转矩给定受到限制，以停止转速升高。

　　主从变频器间通信，主机向从机广播控制字和两个给定值，所有从机接收相同的消息。从机控制字是一个压缩的16位字，其中仅第3位、7位10位使用，当从机参数 10.01或10.02设置为COMM.MODULE时，控制字中的命令有效。给定值是包括符号位和15位整数的16位字，给定1是速度给定，给定2是转矩给定。在主机中，参数60.07对送往从传动的速度给定信号进行选择，参数60.08对送往从传动的转矩给定信号进行选择；在从机中，要将给定1定义为外部速度给定的来源，参数11.03应设置为COMM.REF，定义给定2为外部转矩给定，参数 11.06应设置为COMM.REF。

三、电缆收线张力恒定控制功能实现

　　在系统结构图1中，从变频器的外部给定由主机变频器输入速度或者转矩信号，同时由张力动滑轮连杆机构通过电位器反馈给变频器电压信号，形成过程控制的闭环反馈回路。PID控制是一种闭环控制算法，它对给定与反馈的误差进行比例P、积分I、微分D运算，根据运算结果，调节变频器的输出频率，使反馈值跟随设定目标值。比例环节主要调节误差的比例，快速减小输入、输出，纯比例P控制时，误差不会为零；积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于Ti，Ti积分时间常数越大，积分作用越弱，反之则越强；微分环节反映偏差信号的变化趋势（变化速率），调节误差的微分输出，误差突变时，能及时控制，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。组合三者的优势，可以得到优化的控制性能。

图2 张力PID闭环控制框图

　　上图2便是本系统中收线张力PID控制结构原理图，外部给定信号与张力测定的负反馈信号形成的误差经过PID控制器运算后送变频器控制电机转速，在实际的工程应用中，我们可以通过设定比例系数P、积分时间常数Ti和微分时间常数Td获得优化性能，达到生产控制的要求。张力给定外加设定卷径给定和转动惯量等参数达到所需张力的转矩值，能使系统运行稳定。

四、小结

　　在本系统利用变频器作为执行机构控制异步电机同步运行，在保持速度一致的情况下，通过控制电缆收线的张力大小恒定，保证了主从电机的稳步运行和收线卷的质量，避免速度不稳和受到外界干扰产生的较大误差。这里主要利用了变频器的强大功能来实现电机传动的控制，摒弃了模拟量控制系统，实现产品的机电一体化。