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(yīng)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(jī)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(xiàng)。
1 前言
某棉紡廠使用1999年鄭紡機(jī)開發(fā)生產(chǎn)的ZGA-203雙漿槽漿紗機(jī)，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(jìn)行漿紗，該設(shè)備屬當(dāng)時(shí)國產(chǎn)同類設(shè)備中的先進(jìn)產(chǎn)品。
該設(shè)備原傳動(dòng)方案采用的是單變頻+機(jī)械無級(jí)調(diào)速，即通過臺(tái)達(dá)VDF-A變頻器（18.5KW）調(diào)節(jié)主牽引電機(jī)（15KW）的轉(zhuǎn)速，主牽引電機(jī)再通過4個(gè)機(jī)械無級(jí)調(diào)速器（可人工微調(diào)機(jī)械變比）到其他各自傳動(dòng)點(diǎn)，形成速度鏈，以保持各區(qū)間張力。而收卷部分則由主電機(jī)帶動(dòng)氣動(dòng)機(jī)械無級(jí)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(dòng)穩(wěn)定收卷張力。
但該設(shè)備在使用一段時(shí)間后陸續(xù)出現(xiàn)不少問題，主要是收卷部分的氣動(dòng)機(jī)械無級(jí)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(dǎo)致卷曲，要么紗線張力過大導(dǎo)致斷裂，同時(shí)該部分的維修費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，嚴(yán)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(jì)算模塊，能夠自動(dòng)計(jì)算卷徑變化，可獨(dú)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(shí)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(jī)的收卷部分進(jìn)行改造。
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(jī)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(jī)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(shí)可以節(jié)約張力傳感器成本的優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于張力控制要求不高的場合。但要求電機(jī)的最小輸出轉(zhuǎn)矩最好控制在電機(jī)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(jī)時(shí)我們須按最大卷徑和最大張力給定值來計(jì)算電機(jī)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(jī)械傳動(dòng)比）
T=（3000×0.78）/（2×11.73）=100N
另通過計(jì)算變頻器運(yùn)行頻率在0.3HZ----67.2HZ，收卷電機(jī)最好使用變頻電機(jī)，以保證電機(jī)的安全使用。因此收卷電機(jī)選擇22KW四極變頻電機(jī)（額定轉(zhuǎn)矩140N），收卷變頻器選擇TD3300-4T0220G。
那么電機(jī)的最小輸出轉(zhuǎn)矩則按最小卷徑和最小張力給定值來計(jì)算：
T=（800×0.11）/（2×11.73）=3.78N
如果我們選擇張力開環(huán)轉(zhuǎn)矩模式，那么要求電機(jī)的最小輸出轉(zhuǎn)矩只有電機(jī)額定輸出轉(zhuǎn)矩的2.7%（3.78N/140N），遠(yuǎn)低于10%的要求，這樣我們在生產(chǎn)小張力紗線時(shí)，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(shí)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(dá)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，且完全能達(dá)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（24VDC電源、4---20mA電流信號(hào)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(hào)反饋實(shí)現(xiàn)張力閉環(huán)控制，從而達(dá)到收卷張力恒定的目的。
據(jù)了解，鄭紡機(jī)后期的升級(jí)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(shí)電機(jī)有足夠輸出轉(zhuǎn)矩，以防止電機(jī)在低速和零速時(shí)轉(zhuǎn)矩不夠，引起的收卷輥回車，TD3300應(yīng)設(shè)置為閉環(huán)矢量控制模式，提高電機(jī)低頻輸出轉(zhuǎn)矩。這樣我們也需在電機(jī)上加裝旋轉(zhuǎn)編碼器（光洋、1024線輸出）。
3 收卷變頻器的調(diào)試步驟
3.1初步檢查變頻器和電機(jī)參數(shù)。
電機(jī)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(jī)參數(shù)自辨識(shí)
在鍵盤控制模式下輸入電機(jī)銘牌參數(shù)；
設(shè)定F1.09=1，允許自動(dòng)調(diào)諧；
然后設(shè)定F1.10=1，啟動(dòng)電機(jī)調(diào)諧，進(jìn)行調(diào)諧，得到電機(jī)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(diǎn)檢查變頻器辨識(shí)出的電機(jī)的空載電流，電機(jī)空載電流正常應(yīng)在電機(jī)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(jī)的驅(qū)動(dòng)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(yīng)在（FB編碼器功能項(xiàng)）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(jī)的驅(qū)動(dòng)能力，重點(diǎn)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(shí)的輸出電流，若在空載的情況下，輸出電流偏大并且報(bào)過流故障，應(yīng)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(hào)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(yīng)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(hào)。
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(yùn)行控制信號(hào)。
連接張力傳感器（外接24V電源）的輸出信號(hào)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(yùn)行參數(shù)，初步帶載試運(yùn)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，最大頻率；
F0.08=110，上限頻率；
F0.10=0.01，加速時(shí)間；
F0.11=0.01，減速時(shí)間；
F1.00=11.73,設(shè)備廠家提供的收卷電機(jī)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(fù)位1指令；
F5.03(多功能端子X2)＝1，預(yù)驅(qū)動(dòng)，在人工換卷伸頭時(shí)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(yùn)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(shí)間Ti1，多次調(diào)試后的最終值；
F7.05＝0.65，微分時(shí)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(shí)間Ti2，多次調(diào)試后的最終值；
F7.08＝0.25，微分時(shí)間Td2，多次調(diào)試后的最終值；
PID參數(shù)調(diào)試是一個(gè)細(xì)致認(rèn)真的過程，須多次反復(fù)調(diào)試才能滿足要求。（注意：如未加卷徑計(jì)算功能，調(diào)試時(shí)需人工設(shè)定F8.16相對應(yīng)的當(dāng)前卷徑）
兩套PID參數(shù)的最終值差異較大，主要是因?yàn)镻ID1用于提高低速時(shí)的快速跟蹤和響應(yīng)，PID2用于保持高速時(shí)的運(yùn)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?yàn)榫�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(jì)算，保證初步測試時(shí)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(fù)位用，與F5.01(多功能端子X1)＝12，卷徑復(fù)位1指令配合使用；
3.6加卷徑計(jì)算功能，帶載運(yùn)行
F8.08=1,設(shè)定卷徑來源選擇線速度計(jì)算法，啟動(dòng)卷徑計(jì)算模塊；
FC.00=3,AI3設(shè)定，來自主牽引變頻器VDF-A的AFM(運(yùn)行頻率)口的輸出。
FC.03=60m/min,設(shè)備廠家提供，
FC.00*FC.03=當(dāng)前線速度V，變頻器根據(jù)公式:D=(i*V)/(л*n)自動(dòng)計(jì)算當(dāng)前卷徑；
FC.04=3m/min,防止TD3300變頻器在速度較低時(shí)卷徑計(jì)算不準(zhǔn)導(dǎo)致變頻器輸出力矩的波動(dòng)；
當(dāng)TD3300變頻器運(yùn)行的線速度低于FC.04設(shè)定值時(shí)，卷徑計(jì)算功能停止，保持當(dāng)前卷徑值；當(dāng)TD3300變頻器運(yùn)行的線速度大于FC.04設(shè)定值時(shí)，卷徑計(jì)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(dá)到控制要求。
4 總結(jié)：
在作張力控制時(shí)，如果既要求張力恒定，又要求張力可調(diào)范圍要大，最好采用張力閉環(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(shí)際的收卷效果也很理想，用戶已使用較長時(shí)間，對改造結(jié)果相當(dāng)滿意。
