內容編輯一．引言
在金屬加工、紡織、造紙、橡膠、化工及電線電纜等工業中，當處理一些如紙張、薄片、絲、布等長尺寸材料或產品時，都會用上卷殼及滾筒組成的加工生產線，這有一個需要解決的問題：如何在卷筒直徑從開始階段至最后階段逐漸變化的整個過程中，張力和線速度的變化保持在所允許的范圍內。以塑料薄膜為例，在放卷、收卷以及供料過程中，薄膜上要保持一定的張力（或者稱之為拉伸力），過大的張力會導致料膜變形甚至斷裂，而過小的張力又會使薄膜松弛，導致褶皺，這就要求在薄膜的處理過程中要保持恒定的張力，抑制外來干擾引起的張力抖動。安圣裕能源V3300系列變頻器以其獨特的性能和優越的性價比，在拉絲機各個行業中得到廣泛應用。
二．張力控制方案要求
對張力的控制有兩個途徑，一是可控制電機的輸出轉矩，二是控制電機轉速，對于這兩個途徑，V3300設計了兩種張力控制模式。
1. 開環轉矩控制模式
開環是指沒有張力反饋信號，轉矩控制模式是指變頻器控制的是電機的轉矩，而不是頻率，輸出頻率是跟隨材料的速度自動變化。開環轉矩控制模式就是指沒有張力反饋的條件下，變頻器僅靠調節電機轉矩來達到材料恒張力控制。
根據公式F=T/R（其中F為材料張力，T為收放卷軸的扭矩，R為收放卷的半徑），可看出，如果能根據卷徑的變化調整放卷軸的轉矩，就可以控制材料上的張力，這就是開環轉矩模式收放卷控制張力的根據，其可行性還有一個原因是材料上的張力只來源于收放卷軸的轉矩，收放卷軸的轉矩主要作用于材料上。HD系列變頻器在閉環矢量下可以準確地控制電機輸出轉矩，使用這種控制模式，必須加裝編碼器。
2. 閉環轉矩控制模式
閉環轉矩控制模式是指在開環轉矩控制的基礎上再安裝張力反饋信號，形成張力控制閉環，這種方式不但能準確控制電機輸出轉矩還能保持更穩定的張力。
3. 閉環速度控制模式
閉環是指需要張力（位置）檢測反饋信號構成閉環調節，速度控制模式是指變頻器根據反饋信號調節輸出頻率，而達到控制目的，速度模式變頻器可工作在無速度傳感器矢量控制、有速度傳感器矢量控制和V/F控制三種方式中的任何一種。該控制模式的原理是通過材料線速度與實際卷徑計算一個匹配頻率設定值f1，再通過張力（位置）反饋信號進行PID運算產生一個頻率調整值f2，最終頻率輸出為f=f1+f2。f1可以基本使收（放）卷輥的線速度與材料線速度基本匹配，然后f2部分只需稍微調整即可滿足控制需求，很好地解決了閉環控制中響應快速性和控制穩定性的矛盾。這種模式下，張力設定部分無效，在PID給定源中設定系統控制的目標值，控制的結果是使張力（位置）的反饋信號穩定在PID的給定值上。特別注意在用位置信號（如張力擺桿、浮動輥）做反饋時，改變設定值（PID給定）不一定能夠改變實際張力的大小，改變張力的大小需要更改機械上的配置如張力擺桿或浮動輥的配重。
4.與閉環速度模式有關的功能模塊
(1)PID部分：主要在F7組參數中設定。在確定其它部分都設定無誤后，最終的控制效果需要調整PID參數。
(2)線速度輸入部分：這部分比較重要，有兩個作用，一是通過線速度計算變頻器的匹配頻率，二是可通過線速度計算卷徑。
(3)卷徑計算部分：計算實際卷徑，變頻器獲取線速度和實際卷徑后可以獲取變頻器的匹配頻率。當用線速度計算卷徑時，若變頻器算得的卷徑與實際卷徑有偏差，說明線速度輸入有偏差，通過卷徑計算結果可以修正線速度輸入。注意一點的是用線速度和卷徑計算的匹配頻率值并非變頻器的實際輸出頻率，用線速度和運行頻率計算卷徑時用到的運行頻率是變頻器的實際輸出頻率，所以邏輯上并不矛盾。幾種張力控制對比如下表：
| 張力開環轉矩 | 張力閉環轉矩 | 張力閉環速度 |
典型應用場合 | 只適于開卷及收卷 | 整個工作過程。精度高，抗擾能力強。一臺卷曲機處理多種帶材，是對張力開環轉矩方案的全面優化 | 整個工作過程。高精度要求，抗擾能力強。應用于拉絲機，鋼鐵高速線材等 |
局限性 | 僅限收/放卷 | 傳感器成本較高，且有些場合安裝不便 | PID參數有一定依賴 |
系統構成 | 必須安裝測速編碼器 | 必須安裝測速編碼器，張力傳感器 | 張力檢測裝置(測速編碼器可選) |
成本 | 高 | 最高 | 低 |
變頻器工作模式 | 閉環矢量 | 閉環矢量 | 開環矢量（閉環矢量） |
PID | 不選 | 必選 | 必選 |
卷徑計算 | 必選 | 必選 | 僅開卷/收卷場合，需卷徑計算 |
備注 | 對變頻器的轉矩精度要求較高 | 對變頻器的轉矩精 度要求最高 | 1.設置PID參數，可以選擇隨卷徑、頻率或線速度調整，使工作全過程取得比較好的控制效果。 2.線速度檢測的準確性很重要 |
建議：能使用張力開環控制的場合盡量選用張力開環控制，要求高精度時，盡量采用張力閉環速度控制。
（1）張力開環控制不需要張力反饋，系統結構最簡單，能夠獲得更平穩的張力，但變頻器必須選用閉環矢量控制，必須安裝測速編碼器。張力開環控制只能用于收放卷等末級控制，對于多級連接中間級的張力控制只能選擇張力閉環控制方案。張力開環控制需要對轉動慣量進行補償，如果系統轉動慣量很大，而所控制的張力很小時，不宜選用張力開環控制。雖然張力開環控制使用場合有限制，但使用張力開環控制可以省卻張力反饋裝置，使機械系統更簡潔，可以不依賴PID參數，張力控制更平穩，所以建議能使用張力開環控制的場合盡量選用張力開環控制。
（2）張力閉環控制（速度模式）需要張力反饋構成閉環，控制效果對PID參數有一定依賴性，但變頻器可以選用開環矢量控制，可以不裝測速編碼器。
三．V3300在拉絲機中的應用方案1. 控制框圖
拉伸部分用一臺V3000通用型變頻器驅動，工作在開環矢量普通速度控制模式，用外部電位器模擬設定頻率，AO1功能設置為運行頻率模擬輸出，0~20mA對應0到最大頻率。拉伸部分控制系統的運行速度。
收線部分采用V3300變頻器，選用張力閉環控制模式1，卷徑計算采用線速度計算法，線速度信號由AI2輸入，最高線速度設為拉伸部分V3300運行最高頻率時對應的線速度，因為機械原因，銅線在拉伸過程中存在滑差，所以最高線速度應比通過機械計算出的偏低。張力反饋信號由張力擺桿檢測，通過AI1輸入。設置一個合理的最低線速度參數。
2.閉環速度控制模式收卷變頻器接線圖
接線端子功能說明：K1點動，K2卷徑復位，K3初始卷徑選擇，K4故障復位，K5運行，K6高速脈沖輸入（現場應用選用），AI1張力設定，AI2線速度信號，PG接編碼器，TA/TC故障輸出。