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.  3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