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摘要：以倒軸機為例，介紹了采用通用變頻器來實現線纜收放卷恒張力控制的方法。
關鍵詞：通用變頻器；線纜收放設備；張力控制

Abstract: By taking beaming machine as an example, this paper describes the methods that realize the constant tension control of pay-off and take-up reel of wire and cable by using general inverter.
Key words: General inverter; Pay-off and take-up device of wire and cable; Tension control

1  引言

    在電工機械制造行業，線纜收放卷設備使用得非常多。為了保障更好的產品質量和效果，線纜的收放卷設備一般都要求能保持線纜張力的穩定。目前市面上有各式各樣的恒張力控制方案，其中最常見的有下列幾種，它們各有優缺點。
    (1)  力矩電機加驅動控制器
    ?  優點：設備簡單，價格便宜，可正反轉；
    ?  缺點：張力控制不穩定，線性不好。
    (2)  磁粉制動器/磁粉離合器張力控制
    ?  優點：張力及速度可調，張力穩定性比力矩電機稍強，適用范圍比力矩電機廣；
    ?  缺點：需要調速單元（如變頻器、直流調速器）及張力控制儀，增加成本。而且磁粉制動器/磁粉離合器的可靠性差，發熱嚴重，功率大的還需水冷等，因此故障率高，維護成本大（經常要更換磁粉）。
    (3)  直接張力閉環控制
    ?  優點：張力控制平穩，張力可調；
    ?  缺點：電氣設備復雜，需要調速單元、張力控制儀及張力傳感器，且電氣調速單元要求響應快，因此設備初期投資大，價格昂貴。另外，系統容易振蕩。
    (4)  間接張力控制
這種方式現在有很多種實現方法，主要的有直接采用專用的直流調速器控制直流電機來實現的，近年也出現了應用內置張力專用軟件的矢量變頻器來實現的。
    ?  優點：張力和速度均線性可調，精度較高，方向可正反轉。
    ?  缺點：設備成本比磁粉制動器/磁粉離合器張力控制和直接張力閉環控制稍低，但還是較高。另外，調試較復雜，有的甚至需要專業的調試工具及調試軟件。
    從以上幾種張力控制方案的比較來看，后三種方案設備投入成本都比較高，且存在維護或調試復雜等問題。而力矩電機的控制方案雖然成本較低，但控制性能差，難以滿足客戶對產品質量日益嚴格的要求。行業的激烈競爭使得電工機械生產企業選用恒張力控制系統時所考慮的首要條件是既能保證產品性能，又經濟實用。以上幾種方案顯然都不能完全滿足這些要求。
    有沒有一種既能很好滿足電線電纜生產工藝的要求，有效保障產品的質量，又能把設備投入的成本控制在合理水平的控制方案呢？答案是肯定的。本文就將提出兩種只需采用通用變頻器就能夠實現的低成本高性價比恒張力控制方案。
    下面以采用艾默生網絡能源有限公司的通用型變頻器EV1000在東莞某電工機械廠的倒軸機上成功實現的同步收放卷恒張力控制系統為例，詳細介紹這兩種方案的實施過程。

2  倒軸機的結構與工作原理

    該倒軸機的作用是將一種直徑的卷倒換成另一種直徑的卷。它的主要構成包括卷繞裝置和放線裝置，其結構示意圖如圖1所示。

 
圖1  倒軸機結構示意圖

    從圖1中可以看到，卷繞裝置主要包括卷繞電機M1、收線卷筒和一對用來測速的輥。這對測速用的輥中，上輥可以上下移動，用來將線纜壓在固定的下輥上，以便在線纜運動時能產生磨擦力將拖動下輥旋轉。而下輥則通過與其同軸安裝的脈沖編碼器來檢測線纜的線速度。因為此時編碼器產生的脈沖信號其數量是與線纜的線速度成正比的。
    放線裝置通常是放線架，主要包括放卷電機M2、放線卷筒和擺桿。擺桿的作用相當于位置傳感器，當系統的張力變化會引起擺桿位置偏移，這時擺桿就會帶動尾部的電位器輸出一個模擬信號指示偏移量。為了適應不同材料，通常擺桿上有一個可移動的重錘來調整系統張力。也有用低摩擦氣缸方式實現的。不管哪種方式，都需要在調試時事先整定好。要說明的是，雖然是張力變化導致的擺桿位置變化，但擺桿反映的是位置量而非張力，因為在靜態的時候擺桿可以在任何位置平衡。
    在工作過程中，放卷電機M2需要隨時緊跟卷繞電機M1動作，以保證放線速度和卷繞速度一致，保持線纜張力的穩定。張力穩定時，擺桿將保持在平衡位置。當卷繞速度比放線速度快時，擺桿就會偏離平衡位置向上運動，這時就需要放卷電機M2加速運行；反之，當卷繞速度比放線速度慢時，擺桿就會偏離平衡位置向下運動，這時就需要放卷電機M2減速運行；如果減速到零速時擺桿依然在往下運動，則就要求放卷電機M2自動反轉。

3  倒軸機恒張力控制系統方案的選擇

    從倒軸機的結構及其工作原理可以看出：
    ?  卷繞電機M1是主牽引，它的轉速n1決定了生產過程中線纜的線速度υ。υ與n1的關系為：
    υ=π*D1* n1          (1)
    式(1)中，D1為收線卷筒的直徑。
    ?  對于放卷電機M2，它的轉速處于被動跟隨狀態，只有很好地和電機M1同步，才能保證系統張力F的穩定。另一方面，系統張力F的大小取決于放卷電機M2的輸出轉矩T2。T2與F的關系為：
    T2=F*D2/2          (2)
    上式中，D2為放線卷筒的直徑。通過控制M2的輸出轉矩T2可以改變系統的張力F，這會使擺桿的平衡位置改變。因此擺桿的位置能夠反映系統張力F的大小。
    從式(1)和式(2)可以看到，對于倒軸機系統，要保持工作過程中線纜的張力不變，則必須保證驅動電機的轉速與卷筒直徑成反比，且轉矩的變化與卷筒直徑成正比。而在倒軸機工作過程中，卷筒直徑都是在一直變化著的。因此如果要通過直接控制電機的轉速或轉矩來實現線纜張力的恒定，就必須在線檢測或計算收線卷筒的直徑，這樣就需要增加檢測設備，或進行復雜的計算。而且進行轉矩控制則需要使用矢量型變頻器或改用直流電機，則系統的設備成本必然大幅增加，顯然并不可取。
    考慮到倒軸機的卷繞裝置本身利用脈沖編碼器檢測出了系統線速度υ的信號，如果利用這個信號作為過程量反饋進行閉環控制，就可實現線纜線速度υ的恒定，從而間接達到恒定線纜張力的目的。可見利用這種方法實現恒張力控制，只需要采用能夠接收脈沖反饋信號，可以對線速度參量進行閉環控制的通用變頻器即可完成。
    而對于放線裝置，由于其擺桿的位置偏移量能夠反映出系統張力的變化，因此可以直接對擺桿的位置量進行閉環控制，使擺桿始終穩定在平衡位置，這樣也可以間接達到保持張力恒定的目的。這種恒張力控制方法也只需要采用具有過程量閉環功能，帶內置PI控制器的通用變頻器就可以實現了。
    因此，倒軸機的卷繞裝置采用了恒線速度閉環控制，而放線裝置采用的則是對擺桿位置量的閉環控制。這兩種方案均是通過間接的方式實現了線纜的恒張力控制，而且都可以只用通用變頻器就能方便地完成。
    至于變頻器的選擇，一方面需要滿足該系統的需求，另一方面作為機械設備生產廠家，還希望變頻器本身具有高的可靠性和良好的環境適應能力。本案例中客戶選用了艾默生網絡能源有限公司生產的通用型變頻器EV1000，主要是因為EV1000具有以下優點：
    ?  將客戶通用需求與客戶個性化需求、行業性需求有機融合，具有十分豐富的實用功能；
    ?  采用獨特的控制方式，具有高轉矩、高精度、寬調速驅動等良好控制特性，實現了通用變頻器的高性能化；
    ?  具有超出同類產品的防跳閘性能和適應惡劣電網、溫度、濕度和粉塵能力，極大地提高了產品的可靠性。

4  系統方案的實施

4.1  卷繞裝置的恒線速度控制
    根據前面的分析可知，本系統卷繞裝置線纜的張力恒定是通過對線速度υ的控制來實現的。所以該卷繞裝置變頻控制系統以線速度υ作為直接的控制對象，通過閉環PI控制使其保持恒定，從而達到線纜張力穩定的最終目的。該控制系統的原理圖如圖2所示。

 
圖2  卷繞裝置恒線速度控制系統原理圖

    從圖2可以看到，由于EV1000沒有專門的線速度控制功能，電位器送入的線速度給定信號（0~10V）在變頻器內部被換算成轉速信號，脈沖編碼器反饋的脈沖信號也同樣需要被換算為相對應的轉速信號。然后兩個量進行比較，再經過內置的PI調節，最后輸出相應的控制量改變卷繞電機M1的轉速n1，使線纜的線速度υ迅速穩定在給定值。
    在使用時，電位器直接使用EV1000變頻器的10V DC電源，作為線纜線速度υ的給定信號。用戶可以根據需要通過電位器靈活調整所需要的線速度υ的值。0~10V對應0~最大線速度。該裝置只需要單相編碼器即可。如果安裝的是雙相編碼器，實際使用中只需要接入其中一相的信號。另外，因為EV1000本身提供了24V DC的電源，所以編碼器盡量選擇可使用該電源的型號，以進一步降低系統的設備成本。
    該裝置中控制卷繞電機M1的EV1000變頻器控制回路接線示意圖如圖3所示。

 
圖3  卷繞電機M1變頻器控制回路的接線示意圖

4.2  放卷裝置的恒張力控制
因為放卷裝置中擺桿的位置偏移量能夠反映出系統張力的變化，所以對放卷裝置的張力控制就以擺桿的位置量作為直接的控制對象。放卷裝置控制系統的原理圖如圖4所示。

 
圖4  放卷裝置張力控制系統原理圖

    放卷裝置的張力控制是通過對擺桿位置量的控制來間接實現的，為了使系統張力恒定，只要讓擺桿一直保持在某一固定的平衡位置即可。通常以擺桿動作范圍的中間位置作為調節目標。對于本系統，擺桿是以一端為支點，另一端在水平位置的-90~+90°之間擺動，其中間位置為水平位置。因此以擺桿的水平位置作為控制系統的調節目標，即系統的平衡位置。
    在使用時，為了滿足不同型號線纜不同生產工藝的要求，在擺桿上有一個可移動的重錘，通過調節該重錘的位置可以對系統張力進行調整。同時為了更好地保證產品的質量和可靠性，針對這類應用場合，該EV1000變頻器開發了兩種非標功能：
    (1)  PI控制器的輸出信號為雙極性。即變頻器在閉環控制時輸出頻率可以在正值和負值之間變化，電機能夠自動反轉。如本裝置，當張力減小，擺桿低于平衡位置時，放卷電機的速度將降低，如果轉速降到了零，擺桿未能升高到平衡位置，此時變頻器會輸出負極性頻率信號，使放卷電機自動反轉直到擺桿升到平衡位置為止。這樣就能使放卷裝置收放自如，更好地滿足生產工藝和用戶的需要。
    (2)  有斷線的自動檢測和保護功能。即在系統工作過程中由于張力過大或其他原因導致線纜斷開，或系統異常失去張力時，變頻器能夠自動檢測和判斷，給出故障信號，并且自動停機。
    本放卷裝置中擺桿位置是通過擺桿支點處安裝的電位器輸出信號來指示的。該電位器的輸出值與擺桿位置量的對應關系可以調整。本系統從EV1000變頻器取得10V DC電源加在電位器兩端，因此擺桿位置量的反饋信號為0~10V的模擬量。為了方便起見，將擺桿在水平位置時電位器的輸出值調整到中間值5V，放卷裝置控制系統的給定值則通過變頻器面板直接設定為5V。
    該系統中變頻器控制回路的接線示意圖如圖5所示。

 
圖5  卷繞電機M1變頻器控制回路的接線示意圖

5  系統的特點

    (1)  線速度可以用電位器平滑調節，張力也可以通過改變擺桿重錘的位置進行調整；
    (2)  由于擺桿具有張力貯能功能，即使張力出現一定幅度的異常波動，也不影響系統的正常工作；
    (3)  因為EV1000變頻器具有雙極性的PI調節器，在張力突然減小，放線裝置可以迅速減速甚至于自動反轉回拉，保證了系統的平穩運行；
    (4)  使用這種方案，只需要通用的變頻器就可以方便地完成線纜的恒張力同步收放卷等功能；
    (5)  當出現斷線或因意外造成系統失去張力時，變頻器能夠馬上自動檢測出來，并采取報警、停機等應急措施；
    (6)  系統結構簡單，調試便捷，且設備投入成本低。

6  結語

    該系統投入生產后，使用方便、性能穩定，以良好的性能價格比獲得了客戶的好評。事實證明，這種方案簡單易行，穩定可靠，適應性強，可以在電工機械、線纜生產設備及相關行業上推廣應用。

參考文獻：
[1] 三菱電機株式會社編. 變頻調速器使用手冊[M]. 兵器工業出版社, 1998.
[2] 艾默生網絡能源有限公司. EV1000系列通用變頻器用戶手冊[M].