在各種專業(yè)期刊雜志上，對艾默生TD3300變頻器在紡織、造紙、冶金生產(chǎn)中的張力控制應用案例介紹得比較多，但多為張力開環(huán)控制方案，對張力閉環(huán)控制方案介紹倒不多。本文以漿紗機收卷張力控制為例，采用TD3300變頻器的張力閉環(huán)控制方案，介紹在張力閉環(huán)控制調(diào)試過程中的調(diào)試步驟及注意事項。
　　
　　

1 前言

　　某棉紡廠使用1999年鄭紡機開發(fā)生產(chǎn)的ZGA-203雙漿槽漿紗機，可對1600支頭的低支棉到9000支頭的高支棉、張力從800N到3000N的多種紗線進行漿紗，該設(shè)備屬當時國產(chǎn)同類設(shè)備中的*產(chǎn)品。
　　該設(shè)備原傳動方案采用的是單變頻+機械無級調(diào)速，即通過臺達VDF-A變頻器（18.5KW）調(diào)節(jié)主牽引電機（15KW）的轉(zhuǎn)速，主牽引電機再通過4個機械無級調(diào)速器（可人工微調(diào)機械變比）到其他各自傳動點，形成速度鏈，以保持各區(qū)間張力。而收卷部分則由主電機帶動氣動機械無級調(diào)速器，通過人工調(diào)節(jié)氣壓來調(diào)節(jié)卷取張力，并自動穩(wěn)定收卷張力。
　　但該設(shè)備在使用一段時間后陸續(xù)出現(xiàn)不少問題，主要是收卷部分的氣動機械無級調(diào)速器極易磨損，引起收卷張力不穩(wěn)定，要么紗線張力過小導致卷曲，要么紗線張力過大導致斷裂，同時該部分的維修費時又費力，嚴重影響了后續(xù)織布的產(chǎn)量和質(zhì)量。
　　　
　　美國艾默生公司推出的TD3300系列張力控制專用變頻器，內(nèi)部具有卷徑計算模塊，能夠自動計算卷徑變化，可獨立構(gòu)成張力控制系統(tǒng)，完成開環(huán)、閉環(huán)恒張力控制；同時該系列變頻器具有張力錐度控制功能，可保證收卷后各層形狀均勻，極大地提高了張力控制的精度和速度，提高了生產(chǎn)效率。經(jīng)過我公司的推薦，該棉紡廠最終決定使用艾默生TD3300張力控制專用變頻器對漿紗機的收卷部分進行改造。

　　圖一 漿紗機簡圖

2 控制方案

　　2.1控制要求　

　　變比 : 11.73
　　卷徑范圍 : 110mm---780mm
　　速度調(diào)節(jié)范圍 : 3m/min----60m/min
　　張力調(diào)節(jié)范圍 : 800N----3000N
　　收卷線速度保持與主線速度同步且可調(diào)，在收卷恒速、調(diào)速及啟、停（收卷中途15KW主電機暫停，便于處理問題）過程中須保持收卷紗線的張力恒定。
　　
　　2.2控制方案及電機選擇

　　我們知道TD3300變頻器張力控制有張力開環(huán)轉(zhuǎn)矩模式、張力閉環(huán)速度模式和張力閉環(huán)轉(zhuǎn)矩模式三種控制模式。張力開環(huán)轉(zhuǎn)矩模式具有不需安裝張力傳感器，同時可以節(jié)約張力傳感器成本的優(yōu)勢，被廣泛應用于張力控制要求不高的場合。但要求電機的最小輸出轉(zhuǎn)矩控制在電機額定轉(zhuǎn)矩的10%以上。
　　由于不同紗線產(chǎn)品要求控制的張力差別較大，在選擇電機時我們須按卷徑和張力給定值來計算電機的額定輸出轉(zhuǎn)矩 （轉(zhuǎn)矩指令公式T=F × D / 2 × i　
　　T : 為變頻器的輸出轉(zhuǎn)矩指令；
　　F: 為張力設(shè)定指令；
　　D: 為卷筒的卷徑；
　　I: 為機械傳動比）
　　T=（3000 ×0.78） / （2 × 11.73）=100 N
　　另通過計算變頻器運行頻率在0.3 HZ----67.2 HZ，收卷電機使用變頻電機，以保證電機的安全使用。因此收卷電機選擇22KW四極變頻電機（額定轉(zhuǎn)矩140N），收卷變頻器選擇 TD3300-4T0220G。
　　那么電機的最小輸出轉(zhuǎn)矩則按最小卷徑和最小張力給定值來計算：
　　T=（800 ×0.11） / （2 × 11.73）=3.78 N
　　如果我們選擇張力開環(huán)轉(zhuǎn)矩模式，那么要求電機的最小輸出轉(zhuǎn)矩只有電機額定輸出轉(zhuǎn)矩的2.7%（ 3.78N/140N），遠低于10%的要求，這樣我們在生產(chǎn)小張力紗線時，要保證小卷徑的收卷張力恒定是很困難的。也就是說在作張力控制時既要求張力恒定，又要求張力可調(diào)范圍要大，使用張力開環(huán)轉(zhuǎn)矩模式是很難達到控制要求的。
　　那么控制方案只能選擇張力閉環(huán)模式，張力閉環(huán)模式又分張力閉環(huán)速度模式和張力閉環(huán)轉(zhuǎn)矩模式。張力閉環(huán)速度模式雖對PID參數(shù)有一定的依賴性，但相對于張力閉環(huán)轉(zhuǎn)矩模式而言，調(diào)試要相對簡單，且完達到控制要求。因此本控制方案采用張力閉環(huán)速度模式，在收卷輥和壓紗輥之間增加張力傳感器（24V DC電源、4---20mA電流信號輸出）、張力輥和角度輥（如圖虛線部分），通過張力傳感器的信號反饋實現(xiàn)張力閉環(huán)控制，從而達到收卷張力恒定的目的。
　　據(jù)了解，鄭紡機后期的升級產(chǎn)品中收卷部分也使用的是張力閉環(huán)方案。
　　
　　注意 ：我們要保證在大卷徑、大張力、低速或零速時電機有足夠輸出轉(zhuǎn)矩，以防止電機在低速和零速時轉(zhuǎn)矩不夠，引起的收卷輥回車，TD3300應設(shè)置為閉環(huán)矢量控制模式，提高電機低頻輸出轉(zhuǎn)矩。這樣我們也需在電機上加裝旋轉(zhuǎn)編碼器（光洋、1024線輸出）。
　　
　　2.2 漿紗機的張力控制原理圖

3 收卷變頻器的調(diào)試步驟

　　3.1 初步檢查變頻器和電機參數(shù)
　　電機銘牌：
　　額定功率： 22kw，
　　額定電壓： 380V，
　　額定頻率： 50Hz，
　　額定電流： 42.6A，
　　額定轉(zhuǎn)速： 1470rpm.
　　　
　　3.2 完成變頻器電機參數(shù)自辨識
　　在鍵盤控制模式下輸入電機銘牌參數(shù)；
　　設(shè)定F1.09=1，允許自動調(diào)諧；
　　然后設(shè)定F1.10=1，啟動電機調(diào)諧，進行調(diào)諧，得到電機參數(shù)（祥見《TD3000高性能矢量控制變頻器用戶手冊》）??；
　　調(diào)諧完成后，重點檢查變頻器辨識出的電機的空載電流，電機空載電流正常應在電機額定電流的30%～50%范圍內(nèi)。F1.16為18.6A，在正常范圍內(nèi)。
　　
　　3.3 初步測試變頻器對電機的驅(qū)動能力和旋轉(zhuǎn)編碼器的接線
　　旋轉(zhuǎn)編碼器：光洋1024線輸出，供電電壓24VDC，推挽輸出。
　　TD3300變頻器應在（FB編碼器功能項）設(shè)置編碼器的參數(shù)(FB.00=1024)，在鍵盤控制模式測試變頻器對電機的驅(qū)動能力，重點觀測變頻器的輸出頻率的穩(wěn)定性和輸出電流的大小，注意監(jiān)視TD3300變頻器此時的輸出電流，若在空載的情況下，輸出電流偏大并且報過流故障，應該是旋轉(zhuǎn)編碼器的接線有誤，更換接線或更改變頻器內(nèi)PG接線的方向設(shè)定（功能碼FB.01）。
　　
　　3.4 完成TD3300的信號連接
　　連接VDF-A變頻器模擬輸出口AFM、ACM（設(shè)模擬輸出量對應變頻器的輸出頻率）到TD3300變頻器模擬輸入端AI3、GND，完成相關(guān)參數(shù)(F6.02=0,F6.05=1.0)設(shè)置，作為TD3300的速度同步控制信號。
　　連接VDF-A變頻器繼電器輸出端子RA、RC到TD3300變頻器的FWD、COM端子，作為TD3300的運行控制信號。
　　連接張力傳感器（外接24V電源）的輸出信號到TD3300變頻器接口板AI2，并置V/I端口的跳線在I側(cè)，完成相關(guān)參數(shù)（ F6.01=4,F6.04=1.0）設(shè)置。
　　
　　3.5 設(shè)置TD3300變頻器的相關(guān)運行參數(shù)，初步帶載試運行。
　　F0.02=1， 閉環(huán)矢量，如果設(shè)為開環(huán)矢量，有回車現(xiàn)象；
　　F0.05=1， 端子控制；
　　F0.07=110，頻率；
　　F0.08=110，上限頻率；
　　F0.10=0.01，加速時間；
　　F0.11=0.01，減速時間；
　　F1.00=11.73,設(shè)備廠家提供的收卷電機與收卷卷軸的轉(zhuǎn)速比；
　　F3.06=1,閉環(huán)張力控制模式1；
　　F5.00(控制模式)＝2，三線模式；
　　F5.03(多功能端子X1)＝12，卷徑復位1指令；
　　F5.03(多功能端子X2)＝1，預驅(qū)動，在人工換卷伸頭時切換X2到ON，保持收卷線速度與主速度同步，防止意外；
　　F5.03(多功能端子X3)＝16，三線運行控制，接原控制系統(tǒng)離合器松按鈕常閉；
　　F6.02＝4，4---20ma張力傳感器反饋 電流；
　　F7.02＝1，反饋選擇AI2；
　　F7.03＝7.5，比例增益P1，多次調(diào)試后的最終值；
　　F7.04＝6.8，積分時間Ti1，多次調(diào)試后的最終值；
　　F7.05＝0.65，微分時間Td1，多次調(diào)試后的最終值；
　　F7.06＝11.0，比例增益P2，多次調(diào)試后的最終值；
　　F7.07＝99.99，積分時間Ti2，多次調(diào)試后的最終值；
　　F7.08＝0.25，微分時間Td2，多次調(diào)試后的最終值；
　　PID參數(shù)調(diào)試是一個細致認真的過程，須多次反復調(diào)試才能滿足要求。（注意：如未加卷徑計算功能，調(diào)試時需人工設(shè)定F8.16相對應的當前卷徑）
　　兩套PID參數(shù)的最終值差異較大，主要是因為PID1用于提高低速時的快速跟蹤和響應，PID2用于保持高速時的運行平穩(wěn)。
　　
　　F7.10＝2，PID參數(shù)調(diào)整依據(jù) ，線速度；
　　最終把PID參數(shù)調(diào)整依據(jù) F7.10設(shè)為2，是因為線速度變化的范圍（3---60m/min， 30倍）相對于卷徑變化的范圍（110---780mm， 7倍）要大得多， 且收卷張力受速度變化的影響也要大些。
　　F8.01=1,AI1設(shè)定；
　　F8.03=5000,根據(jù)現(xiàn)場調(diào)試情況修改，滿足張力設(shè)定電位器的調(diào)整要求；
　　F8.06=1, 張力錐度系數(shù)；
　　F8.07=10, 根據(jù)現(xiàn)場調(diào)試情況修改 ；
　　F8.08=0, 初步設(shè)定卷徑不計算，保證初步測試時張力的穩(wěn)定；
　　F8.09=780，設(shè)備廠家提供，建議比廠家提供的數(shù)值稍大一些；
　　F8.10=110，設(shè)備廠家提供，空芯卷軸的直徑；
　　F8.12=110，卷徑復位用，與F5.01(多功能端子X1)＝12，卷徑復位1指令配合使用；
　　
　　3.6 加卷徑計算功能，帶載運行
　　F8.08=1,設(shè)定卷徑來源選擇線速度計算法，啟動卷徑計算模塊；
　　FC.00=3,AI3設(shè)定，來自主牽引變頻器VDF-A的AFM(運行頻率)口的輸出。
　　FC.03=60m/min,設(shè)備廠家提供，
　　FC.00*FC.03=當前線速度V，變頻器根據(jù)公式:D=(i*V)/(л*n) 自動計算當前卷徑；
　　FC.04=3 m/min,防止TD3300變頻器在速度較低時卷徑計算不準導致變頻器輸出力矩的波動；當TD3300變頻器運行的線速度低于FC.04設(shè)定值時，卷徑計算功能停止，保持當前卷徑值；當TD3300變頻器運行的線速度大于FC.04設(shè)定值時，卷徑計算功能重新使能。
　　帶載測試，微調(diào)PID參數(shù)，收卷過程張力平穩(wěn)，達到控制要求。
　　
　　

4 總結(jié)：

　　在作張力控制時，如果既要求張力恒定，又要求張力可調(diào)范圍要大，采用張力閉環(huán)模式。
　　本設(shè)備采用TD3300的變頻改造后，現(xiàn)場配置簡潔，工作穩(wěn)定，調(diào)試方便。實際的收卷效果也很理想，用戶已使用較長時間，對改造結(jié)果相當滿意?！　?BR>　　　　
　　參考文獻
　　1、《TD3300張力控制專用變頻器用戶手冊》 艾默生網(wǎng)絡能源有限公司
　　2、《TD3000高性能矢量控制變頻器用戶手冊》 艾默生網(wǎng)絡能源有限公司