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The closed-loop control application of Emerson TD3300 inverter to the winding tension of sizing machine
長沙時捷電氣有限公司
在各種專業期刊雜志上，對艾默生TD3300變頻器在紡織、造紙、冶金生產中的張力控制應用案例介紹得比較多，但多為張力開環控制方案，對張力閉環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變頻器的張力閉環控制方案，介紹在張力閉環控制調試過程中的調試步驟及注意事項。
關鍵詞 變頻器 漿紗機 張力閉環
1 前言
某棉紡廠使用1999年鄭紡機開發生產的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，該設備屬當時國產同類設備中的先進產品。
該設備原傳動方案采用的是單變頻+機械無級調速，即通過臺達VDF-A變頻器（18.5KW）調節主牽引電機（15KW）的轉速，主牽引電機再通過4個機械無級調速器（可人工微調機械變比）到其他各自傳動點，形成速度鏈，以保持各區間張力。而收卷部分則由主電機帶動氣動機械無級調速器，通過人工調節氣壓來調節卷取張力，并自動穩定收卷張力。
但該設備在使用一段時間后陸續出現不少問題，主要是收卷部分的氣動機械無級調速器極易磨損，引起收卷張力不穩定，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，嚴重影響了后續織布的產量和質量。
美國艾默生公司推出的TD3300系列張力控制專用變頻器，內部具有卷徑計算模塊，能夠自動計算卷徑變化，可獨立構成張力控制系統，完成開環、閉環恒張力控制；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，提高了生產效率。經過我公司的推薦，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
速度調節范圍 : 3m/min----60m/min
張力調節范圍 : 800N----3000N
收卷線速度保持與主線速度同步且可調，在收卷恒速、調速及啟、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轉矩模式、張力閉環速度模式和張力閉環轉矩模式三種控制模式。張力開環轉矩模式具有不需安裝張力傳感器，同時可以節約張力傳感器成本的優勢，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矩最好控制在電機額定轉矩的10%以上。
由于不同紗線產品要求控制的張力差別較大，在選擇電機時我們須按最大卷徑和最大張力給定值來計算電機的額定輸出轉矩 （轉矩指令公式T=F × D / 2 × i
T : 為變頻器的輸出轉矩指令；
F: 為張力設定指令；
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，收卷電機最好使用變頻電機，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（額定轉矩140N），收卷變頻器選擇 TD3300-4T0220G。
那么電機的最小輸出轉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轉矩模式，那么要求電機的最小輸出轉矩只有電機額定輸出轉矩的2.7%（ 3.78N/140N），遠低于10%的要求，這樣我們在生產小張力紗線時，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，又要求張力可調范圍要大，使用張力開環轉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模式，張力閉環模式又分張力閉環速度模式和張力閉環轉矩模式。張力閉環速度模式雖對PID參數有一定的依賴性，但相對于張力閉環轉矩模式而言，調試要相對簡單，且完全能達到控制要求。因此本控制方案采用張力閉環速度模式，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張力閉環控制，從而達到收卷張力恒定的目的。
據了解，鄭紡機后期的升級產品中收卷部分也使用的是張力閉環方案。
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矩，以防止電機在低速和零速時轉矩不夠，引起的收卷輥回車，TD3300應設置為閉環矢量控制模式，提高電機低頻輸出轉矩。這樣我們也需在電機上加裝旋轉編碼器（光洋、1024線輸出）。
2.2 漿紗機的張力控制原理圖
3收卷變頻器的調試步驟
3.1 初步檢查變頻器和電機參數。
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，
額定轉速： 1470rpm.
3.2 完成變頻器電機參數自辨識
在鍵盤控制模式下輸入電機銘牌參數；
設定F1.09=1，允許自動調諧；
然后設定F1.10=1，啟動電機調諧，進行調諧，得到電機參數（祥見《TD3000高性能矢量控制變頻器用戶手冊》） ；
調諧完成后，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。F1.16為18.6A，在正常范圍內。
3.3 初步測試變頻器對電機的驅動能力和旋轉編碼器的接線
旋轉編碼器：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）設置編碼器的參數(FB.00=1024)，在鍵盤控制模式測試變頻器對電機的驅動能力，重點觀測變頻器的輸出頻率的穩定性和輸出電流的大小，注意監視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，應該是旋轉編碼器的接線有誤，更換接線或更改變頻器內PG接線的方向設定（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，完成相關參數(F6.02=0,F6.05=1.0)設置，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，完成相關參數（ F6.01=4,F6.04=1.0）設置。
3.5 設置TD3300變頻器的相關運行參數，初步帶載試運行。
F0.02=1， 閉環矢量，如果設為開環矢量，有回車現象；
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，加速時間；
F0.11=0.01，減速時間；
F1.00=11.73,設備廠家提供的收卷電機與收卷卷軸的轉速比；
F3.06=1,閉環張力控制模式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，多次調試后的最終值；
F7.04＝6.8，積分時間Ti1，多次調試后的最終值；
F7.05＝0.65，微分時間Td1，多次調試后的最終值；
F7.06＝11.0，比例增益P2，多次調試后的最終值；
F7.07＝99.99，積分時間Ti2，多次調試后的最終值；
F7.08＝0.25，微分時間Td2，多次調試后的最終值；
PID參數調試是一個細致認真的過程，須多次反復調試才能滿足要求。（注意：如未加卷徑計算功能，調試時需人工設定F8.16相對應的當前卷徑）
兩套PID參數的最終值差異較大，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。
F7.10＝2，PID參數調整依據 ，線速度；
最終把PID參數調整依據 F7.10設為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設定；
F8.03=5000,根據現場調試情況修改，滿足張力設定電位器的調整要求；
F8.06=1, 張力錐度系數；
F8.07=10, 根據現場調試情況修改 ；
F8.08=0, 初步設定卷徑不計算，保證初步測試時張力的穩定；
F8.09=780，設備廠家提供，建議比廠家提供的數值稍大一些；
F8.10=110，設備廠家提供，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,設備廠家提供，
FC.00*FC.03=當前線速度V，變頻器根據公式: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設定值時，卷徑計算功能重新使能。
帶載測試，微調PID參數，收卷過程張力平穩，達到控制要求。
4總結：
在作張力控制時，如果既要求張力恒定，又要求張力可調范圍要大，最好采用張力閉環模式。
本設備采用TD3300的變頻改造后，現場配置簡潔，工作穩定，調試方便。實際的收卷效果也很理想，用戶已使用較長時間，對改造結果相當滿意。
參考文獻
1、《TD3300張力控制專用變頻器用戶手冊》 艾默生網絡能源有限公司
2、《TD3000高性能矢量控制變頻器用戶手冊》 艾默生網絡能源有限公司
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