间接张力控制

1.间接张力控制定义

所谓的张力控制，通俗点讲就是要能控制电机输出多大的力，即输出多少牛顿。反应到电机轴即能控制电机的输出转距。用转矩控制而没有张力传感器的间接张力控制系统中不采用张力传感器，直接按张力设定值计算出转矩给定值。这种方法简单直接，但对转矩控制的精度要求较高。又称为开环张力控制。

直接法是对张力的直接反馈控制。用张力计测量实际的张力值,作为反馈信号,以控制张力恒定。直接法的优点是控制系统简单，可避免卷径变化、速度变化和空载转矩等对张力的影响，精度较高。缺点是张力计的响应速度较慢。在实际工业生产中，间接法远比直接法应用为广。以下就中心型收放卷间接张力控制要点进行阐述。图1为收放卷典型结构图：

图1收放卷典型结构

Z： 材料总张力或称为F 单位：N(牛)

i: 减速机速比，（电机轴与卷轴速度比值）

Dcore: 卷芯直径 单位：mm（毫米）

D： 当前直径 单位：mm（毫米）

V： 机组线速度 单位：m/min（米/分钟）

2、间接张力控制要素

在收放卷的控制中张力控制实质是要控制电机的输出转矩，电机的输出转矩主要由三部分构成：

1） 材料张力产生的张力转矩MW

b: 材料宽度 mm

h: 材料厚度 mm

f: 材料张力设定值 N/mm2

2）机械系统摩擦补偿转矩MF

因机械系统摩擦力而产生的转矩，很难通过计算的方法获得准确值，且影响的因素较多，如机械设备的润滑、环境温度、机械加工精度、装配精度、有面压大小、装速的高低等都会影响系统摩擦力的大小。因此最好是通过系统测量的方法获得。测量方法主要有两种：

一种是利用驱动控制器本身的摩擦补偿测量功能，在SINAMICS S120中摩擦补偿测试：p3845->方向，p3842是否激活friction。其详细使用方法参见S120功能手册。在其他驱动器中也有摩擦补偿测量功能，如6SE70、6RA70、6RA80等，但同一方向只能有十个点描绘的曲线。其摩擦补偿测试曲线如图2所示。

图2 摩擦补偿测试曲线

在使用这种方法时零时的补偿值是零，需要手动将此值更改为系统静态摩擦值，静态摩擦值需要收放卷处在满足运行条件前电机在转矩控制模式且已使能的情况下，从零开始逐渐施加一个转矩同时trice电机的转速，电机从静止开始运转时的转矩值即是静态摩擦值。这个过程需要多次重复因为卷轴在不同角度位置时可能会有差异，也可多次测量而采用其平均值。

系统摩擦补偿转矩同时需要考虑在机械设备有一个或两个面压辊且面压辊没有单独驱动的时候，其卷材在不同卷径时及面压辊的压力不同时，摩擦补偿转矩也会不同。由Mrool_firction= Froll_firction*D/2分析可知，需要单独测量面压辊的摩擦补偿转矩。但大多数情况下不会考虑，只有材料较薄（通常0.005-0.01mm时才会考虑）或整个材料总张力较小时（材料总张力≤200N）时必须考由此带来的影响。因此摩擦转矩补偿MF：

获得摩擦补偿转矩的另一种途径是手动测量：这种方法能测的更加准确，首先将设备工作时电机的最高转速或电机的最高转速均分为20（一般情况20个足够）个支点即nmax/20。在收放卷处在满足运行条件下电机在转矩控制模式且已使能。从零开始逐渐施加一个转矩,在电机转速到达第一个支点（第一个速度点）时，给定转矩能刚好维持第一个支点的速度值，那么此值便是第一个支点的转矩值，依次类推一直测量至第20个支点。然后根据测得转矩值进行插补计算。这种方法同样需要测量静态摩擦转矩值而设定为速度为零时的支点转矩值。图3为PLC计算程序：

图3PLC计算程序

3）加减速时的动态补偿转矩Mb

系统在加减速时需要额外的转矩用于克服系统的转动惯量。如果不加补偿，则会出现收卷过程中张力偏小减速过程中张力偏大的现象。如果起动时出现张力变小，则需要增加系统惯量补偿。摩擦补偿主要是克服在整个运行过程中由于系统存在的摩擦力对张力的产生的影响。另外需要补偿的是卷轴上材料所产生的转动惯量，通过设定材料的密度及宽度，可计算出当前材料的转动惯量。欲求得动态补偿转矩，由

可知需要知道

其中JF 为固定的转动惯量：

· 电机的转动惯量 Jmoto

· 减速箱齿轮变换到电机轴上的转动惯量Jgea

· 空卷轴（套筒）的转动惯量Jcor

· 附加的转动惯量，如连接轴等Jother

固定的转动惯量一般由机械设计人员提供，但很多时候提供不出正确的数据。因此主要还是通过测量的方式获得。其方法是在摩擦转矩测量完成并给传动施加系统摩擦转矩后，额外再给定一定的转矩（3%-10%的电机额定转矩），同时tirce电机转速。如图4所示。由J=M/{n*Pi/(30*t)} 可算出JF

ω=[(2001.3rpm/min)/60]*2pia

=(2001.3/60)*2pia n:转速 rpm/min t=Uptime=24.36847s

= 209.5756 (1/rad) ω:角速度1/rad t:升速时间 s

M=407Nm(p2900=10%) M:给定转矩 N/m

J:电机轴负载的转动惯量kgm2Z

图4 转动惯量测量

JV是可变转动惯量，即材料转动惯量随卷径的变化而变化，可通过计算的方式获得：

加速度/减速度:

升降速时间：

角速度：

转速：

角加速度/减速度：

因此加减速时的动态补偿转矩Mb：

总的转矩值为:

在不同的行业应用背景收卷控制还存在有张力锥度控制、收卷面压的压力控制、卷绕的密度（空隙率）控制等诸多的控制应用。其中张力锥度控制有着广泛的应用。有些场合要考虑材料弯曲力矩补偿材料弯曲系数。

张力锥度的特性：材料在卷绕的过程中，需要张力锥度控制，材料张力随着卷径的增加而减小；目的是达到卷材内紧外松的效果，以便后续的工艺处理或防止卷绕的过程中塌卷、压花起皱等。张力锥度控制有多种方法：

线性特性 －张力随卷径的增加线性的减小

双曲线特性 －张力随卷径按双曲线特性减小

多点插补特性 －按自定义插入多点特性点减小

调试时合适设定张力锥度，可以控制材料的卷卷取质量，避免外紧内松的情况发生。

张力控制是指能够持久地控制原料在设备上输送时的张力的能力。这种控制对机器的任何运行速度都必须保持有效，包括机器的加速、减速和匀速。即使在紧急停车情况下，也应有能力保证被分切物不破损。张力控制的稳定与否直接关系到分切产品的质量。若张力不足,原料在运行中产生漂移,会出现分切复卷后成品纸起皱现象;若张力过大,原料又易被拉断,使分切成品质量受影响。 张力控制系统主要应用于对带材和线材生产线中的卷取机和开卷机的控制。使所卷带材表面平整、厚度均匀和带卷紧而且齐，必须对卷取机（或开卷机）和压延机之间的张力进行控制，使之恒定。

真正的张力控制不同于靠前后两个动力点的速度差形成张力的系统，靠速度差来调节张力的实质是对张力的PID控制，要加张力传感器。而且在大小卷启动、停止、加速、减速、停车时的调节不可能做到象真正的张力控制的效果，张力不是很稳定。肯定会影响生产出产品的质量。 闭环式全自动张力控制是由张力传感器直接测定料带的实际张力值，然后把张力数据转换成张力信号反馈回张力控制器，通过此信号与控制器预先设定的张力值对比，计算出控制信号，自动控制执行单元则使实际张力值与预设张力值相等，以达到张力稳定目的。

间接张力控制在以下行业及设备有着广泛的应用：

应用行业：有色、钢铁、造纸、塑料、印刷、橡胶、纺织、金属箔等卷取控制设 备和生产线等；

设备机型：扎机、涂层线、清洗线、拉弯矫直线、剪切机、重卷机、横切线、复卷机、拉丝机、腹膜机、布艺