【干货】张力控制的选型

关于张力控制系统

一   概述：
我们讨论的主要是卷材的张力控制，也就是诸如纸，薄膜，金属箔，胶片，布，带钢等长尺寸材料的张紧力度的控制。在卷材加工过程（如涂布、印刷、复合、分切、收卷）中，张力控制非常关键，是很多工艺过程实现的基础，没有好的张力控制，就不会有好的产品出来。一般的设备要求“恒张力”，有些收卷过程需要“锥度张力”。

自动控制的一些概念

控制系统大致分类：
按控制原理的不同，自动控制系统分为开环控制系统和闭环控制系统
按所控制变量的物理属性进行分类，如速度、位置、压力、温度、流量、液位等等
1)开环控制系统
开环控制系统是指被控对象的输出(被控制量)对控制器的输出没有影响。在这种控制系统中，不依赖将被控量反送回来以形成任何闭环回路。
2)闭环控制系统
闭环控制系统的特点是系统被控对象的输出(被控制量)会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈，若极性相同，则称为正反馈。一般闭环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。
3)开环、闭环控制系统的各自特点：
在开环控制系统中，系统输出只受输入的控制，控制精度和抑制干扰的特性都相对比较差。
闭环控制系统是建立在反馈原理基础之上的，利用输出量同期望值的偏差对系统进行控制，可获得比较好的控制性能。通常大多数重要的自动控制系统都采用闭环控制的方式。
闭环控制系统按控制和测量信号的不同，又可分为连续控制系统和离散控制系统。控制信号连续地作用于系统的，称为连续控制系统。控制信号断续地作用于系统的，称为离散控制系统

控制系统一般分为几个单元：控制单元，测量单元，执行单元，被控物体，还有一些信号转换单元。
    对于所要控制的物理量，主要有两个值：给定值（目标值），实际值

二  开环和半闭环张力控制实现的方式
在有些设备中，张力控制是通过人工直接调节执行器件来控制张力的，比如直接调节调压阀，来调节气动制动器的输出扭矩，或直接调节磁粉

半闭环控制模式：
超声波测量卷径
计转数

三  闭环张力控制实现的方式
     
1，        浮辊式
属于间接张力测量，张力作用于浮动辊上，与气缸实现二力平衡后会保持在一个位置上，当张力产生变化时，这个平衡会打破，浮辊会摆动，直联或通过齿轮连接（多数是为了放大转动角度）在浮辊回转中心的“角度传感器/电位器”检测到角度的变化，信号反馈到控制器，控制器调整执行器件（制动器或离合器）输出的扭矩，使浮辊回到平衡的位置，实现恒张力控制。注意：气缸的压力是可以调节的，这也是设定目标张力的器件。“浮辊式”多用于放卷与收卷过程。

优点：缓冲，吸收张力突变。
缺点：不能看到实际张力值

3，        直接张力测量
用于收放卷的张力控制，通过调节扭矩，实现恒张力。（在某些应用中，如低速，也可以实现速度模式）




4，        速度模式
控制两个传动点之间的张力。
实际上是利用传动点间的速度差来建立张力，需要注意的是，扭矩模式中，张力与扭矩有数学模型可以描述，可以用数学公式表达他们之间的关系。在速度模式中，速度差与张力没有线性关系（特别是施加于不同的材料）。







张力控制需要注意的几个问题：
闭环系统中，如缺少被控物（卷材），系统不能建立起张力。这点在调试设备时要注意。
关于张力分段：一般有夹送辊或者大包角的S辊结构，那么前后的张力就不是一段张力。
信号转换或放大：一般有电/气压转换，电/液压转换，功率放大等，在选型时需要特别注意。例如：控制器输出的控制信号是标准信号（0~10VDC或4~20mA）如果要控制气动制动器或离合器，需要选配
“电/气转换器”，如果控制器输出的24V控制信号用来控制磁粉制动器/离合器，当制动器/离合器扭矩比较大的时候（大于50NM），一般需要加“功率放大器”。


四：张力检测器的分类与选择
1）分类
按原理分类：
1，        差接变压器（动圈式）-磁芯的位置变化，电压变化
KORTIS，三菱，NIRECO，只可以做成“座台式”
2，        电阻应变片-弹性体（悬梁）变形，带动电阻变形，阻值变化
MONTALVO，DFE，CMC，RE，FAG，优点：可以做成很多安装形式
3，        压磁式
ABB，座台式（或者叫轴台式）

按安装方式分类：轴台，法兰，圆形，悬臂等

2）选型：
需要考虑的因素有：实际张力，辊重，卷才在张力辊上的包角，安装方式

计算：T=张力，G=辊重















F合力=T*CosA +TCosB +G





F合力=T*CosA +TcosB


五：常用执行器件
1，        气动制动器/离合器
优点：散热好，适应环境强，在扭矩大的情况下成本低
选型
需要从客户那里了解的参数
张力，线速度，最大卷径，最小卷径。如果用户不知道实际张力，需要了解材料的品种（如多少克重的纸，幅宽，或者什么膜（PE，BOPP等）多厚，多宽。
考虑两个因素：
张力与力矩关系：

其中：
F 张力 N（牛顿）
R 材料卷筒半径 m（米）
M 力矩 N•m（牛•米）
散热功率：

参照所选品牌选型表

2，        磁粉制动器/离合器
磁粉制动器是一种以高导磁性的磁粉为工作媒介，以激磁电流为控制手段的性能优越的新型自动控制元件，其工作原理是接通直流电源后产生磁场，工作介质磁粉在磁力线作用下形成磁粉链，制动扭矩的目的，其特点是快速反应，线性度好，控制力矩恒定，运转平稳，结构简单，无噪音，维修方便，具有快速制动，张力控制，位置控制，速度控制，微机等功能，它广泛用于造纸.印刷.纺织.包装.塑料，通用机械中。         
磁粉离合器是由传动单元(输入轴)和从动单元(输出轴)合并而成。在两组单元之间的空间，填有粒状的磁粉（休积大约40微米）。当磁性线圈不导电时，转矩不会从传动轴传于从动轴，但如将线圈电磁通电，就由于磁力的作用而吸引磁粉产生硬化现象，在连继滑动之间会把转矩传达。
转矩和激磁电流成正比
磁粉制动器/离合器的区别在于：离合器有电刷。

优点：结构紧凑，控制方便，小扭矩情况下（低于100NM）有优势，缺点：散热差，潮湿环境磁粉易烧结。需要更换磁粉。
磁粉制动器的选型首先应参考实际工况，确定其安装方式。然后，以其最大制动扭矩和滑差功率来确定。在无变速机构的情况下，卷绕材料所需的最大张力与最大卷绕半径的乘积不应超过额定扭矩。同时应保证制动器的实际滑差功率小于允许滑差功率。
　　　1）． 张力与力矩关系：

其中：
F 张力 N（牛顿）
R 材料卷筒半径 m（米）
M 力矩 N•m（牛•米）
　　在有关卷曲加工的地方，常常需要用到张力控制，此时的线、带上的实际张力，即由以上公式确定。
　　2）． 滑差功率计算

其中：
P 滑差功率 kw（千瓦）
n 实际滑差 rpm（转／分）
M 传递扭矩 N•m（牛•米）
　　在工作过程中，张力及扭矩控制器件消耗功率做功，转化为热量。因此，每一个控制器件都有额定的容许滑差功率。超过这个需用滑差功率，器件会因过热而烧毁。 对于离合器而言，滑差为输入转速和输出转速的差。 对于制动器而言，滑差即为输入转速。 在选用张力或扭矩控制设备的时候，先要考虑器件的扭矩，然后用许用滑差功率来进行校核。
　

3，        直流电机
4，        力矩电机
5，        交流变频电机
6，        伺服系统



伺服系统(servo system)及其工作原理简介
伺服系统(servo system)亦称随动系统，属于自动控制系统中的一种，它用来控制被控对象的转角(或位移)，使其能自动地、连续地、精确地复规输入指令的变化规律。它通常是具有负反馈的闭环控制系统，有的场合也可以用开环控制来实现其功能。在实际应用中一般以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统，例如数控机床等。使用在伺服系统中的驱动电机要求具有响应速度快、定位准确、转动惯量较大等特点，这类专用的电机称为伺服电机。其基本工作原理和普通的交直流电机没有什么不同。该类电机的专用驱动单元称为伺服驱动单元，有时简称为伺服，一般其内部包括转矩（电流）、速度和/或位置闭环。其工作原理简单的说就是在开环控制的交直流电机的基础上将速度和位置信号通过旋转编码器、旋转变压器等反馈给驱动器做闭环负反馈的PID调节控制。再加上驱动器内部的电流闭环，通过这3个闭环调节，使电机的输出对设定值追随的准确性和时间响应特性都提高很多。伺服系统是个动态的随动系统，达到的稳态平衡也是动态的平衡。
全数字伺服系统一般采用位置控制、速度控制和力矩控制的三环结构。系统硬件大致由以下几部分组成：电源单元；功率逆变和保护单元；检测器单元；数字控制器单元；接口单元。相对应伺服系统由外到内的"位置"、"速度"、"转矩"三个闭环，伺服系统一般分为三种控制方式。在使用位置控制方式时，伺服完成所有的三个闭环的控制。在使用速度控制方式时，伺服完成速度和扭矩（电流）两个闭环的控制。一般来讲，我们的需要位置控制的系统，既可以使用伺服的位置控制方式，也可以使用速度控制方式，只是上位机的处理不同。另外，有人认为位置控制方式容易受到干扰。而扭矩控制方式是伺服系统只进行扭矩的闭环控制，即电流控制，只需要发送给伺服单元一个目标扭矩值，多用在单一的扭矩控制场合，比如在小角度裁断机中，一个电机用速度或位置控制方式，用来向前传送材料，另一个电机用作扭矩控制方式，用来形成恒定的张力

变频器实现分条机张力控制的原理及应用

摘 要：本文主要介绍了分条机的用途、工艺要求、控制方式、控制难点以及实现的方法、调试过程。重点介绍了如何用台达V系列的变频器实现张力控制。应用V系列变频器实现转矩控制时应该注意的调试步骤、过程及参数的设定。
关 键 字：台达机电 分条机 张力控制 变频器

1引言
胶带、保护膜生产设备主要包括各种胶粘制品及无胶纸类、布类、皮革类、多种塑料制品类物料的上胶、多层贴合、分条、复卷、分切、冲型机械等。其中分条机在生产过程中根据不同需要对材料进行切边、分切等。其中分条机（图1）主要用于将宽幅卷材分切成窄幅卷材。分条工艺包括放卷和收卷两个过程。放卷和收卷的张力控制是分条机的关键自动化环节。本案例的方案特点是在原有电控系统的基础上选用变频器实现收放卷转矩控制，达到了理想的效果，在原来的基础上提高了机器工作性能，使机器在高速运转中更趋稳定，操作方便，安全可靠，耐用性强，减轻了劳动强度。

2.2系统分析
收放卷工艺要求恒张力控制。张力的给定通过张力控制器。张力控制器控制的原理是通过检测收卷的线速度计算卷径，负载转距=F*D/2（F为设定张力，D为当前卷径），因此当设定了张力的大小，因为当前卷径通过计算已得知，所以负载转矩就可以算出来了。张力控制器能够输出标准的0~10V的模拟量信号，对应异步电机的额定转矩。所以我们用该模拟量信号接入变频器，选择转矩给定。这样在整个收卷的动态过程中，能够保证张力的恒定。

在变频器转矩模式下，对速度进行限制。在张力控制模式下，不论直流电机、交流电机

还是伺服电机都要进行速度的限制，否则当电机产生的转距能够克服负载转矩而运行时，会产生转动加速度，而使转速不断的增加，最终升速到最高速，就是所谓的飞车。如图2中所示，收放卷的速度是通过主轴B系列变频器的模拟量输出AFM而进行限定的。也就是将主轴B系列的变频器上3-05（模拟信号输出选择）参数设定为03（频率指令输出）,如图3所示。将该信号分别接到收放卷变频器的模拟量输入端口上，作为频率给定和上限频率的设定信号。

零速张力控制要求。当收放卷以0Hz运行时，电机的输出轴上有一定的张力输出，且可调。该要求主要是防止当收放卷运转当中停车，再启动时能够保证收放卷的盘头不会松掉。在该控制系统中，可以通过调整张力控制器上的初始张力设定而达到要求。

2.3分条机恒张力原理设计
1.恒张力控制的原理。
对于收放卷过程中恒张力控制的实质是需要知道负载在运行当中卷径的变化，因为卷径的变化，导致为了维持负载的运行，需要电机的输出转矩要跟随着卷径的变化而变化。对与V系列变频器而言，因为能够做转矩控制，因此能够完成收卷恒张力的控制。V系列变频器提供了三路模拟量输入端口，AUI、AVI、ACI。这三路模拟量输入口能够定义为多种功能，因此，可以任选一路作为转矩给定，另外一路作为速度限制。0~10V对应变频器输出0~电机额定转矩，这样通过调整0~10V的电压就能够完成恒张力的控制。而对于分条机，计算卷径的部分是通过张力控制器来计算的，当然用PLC架构来实现也是没有问题的。也就是说，可以通过在人机或文本上设定张力，通过PLC计算卷径，T=F*D/2，所以可以算出需要电机输出的转矩大小，通过模拟量输出接到V系列变频器的转矩给定端就可以了。
2.同步转速计算。
因为我们知道变频器工作在低频时,交流异步电机的特性不好,激活转矩低而且非线性因此在收卷的整个过程中要尽量避免收卷电机工作在2HZ以下。因此收卷电机有个最低速度的限制。对于四极电机而言其同步转速计算如下:
n1=60f1/p=>n1=1500r/min=>2HZ/50HZ=N/1500=>n=60rpm/min
（f1-为额定频率、p-为极对数、n1-同步转速）
3.限速运行。
当达到最大卷径时,可以求出收卷整个过程中运行的最低速：
V=π*D*n/i=>Vmin=3.14*1.2*60/9=25.12m/min
张力控制时,要对速度进行限制,否则会出现飞车，因此要限速运行。
4.张力及转矩的计算。
如果F*D/2=T/i（F--张力、D--卷径、T--转距、i--减速
比）,=>F=2*T*i/D对于3.7KW的交流电机,其额定转矩的计算如下:
T=9550*P/n=>T=24.88N.m所以Fmax=2*24.88*9/0.6=74.64N
（T-电机的额定转距、P-电机的额定功率、n-为电机的额定转速）

3调试过程及参数设定
3.1 V系列变频器电机参数的自整定
1将驱动器的所有参数恢复成出厂值。
2将电机轴与负载脱开。
3将电机额定电压01-02、电机额定频率参数01-01、分别正确填入数值。
4将参数05-00设定为1，然后按Keypad RUN的命令，此时立即执行电机的自动整定。执行约2min的时间（功率越大，要将加减速时间设定长一些）。
5执行后检查05-02、05-06~05-09、05-12、05-16~19参数是否已自动将测量的数据填入，若没有请再次设定05-00参数，RUN一次。
3.2 V系列变频器闭环矢量试运行
将运行方式设定为面板启动，频率给定方式为面板给定。运行方式为V/F+PG将频率设
定成10Hz,然后运行，观察变频器是否会报PG报警，如果报PG报警，则将10-01设定为1（原来为0，反之设定为0），然后断电重新上电。再次按运行按钮，确保变频器不再报警，同时按Mode键，切换置显示运行频率，观察运行频率是否在10Hz上下波动，确保闭环矢量运行调试完成。
3.3V系列变频器转距控制参数设定
1主轴VFD037B43A参数设定。
01-00-----------50 最大操作频率
01-01-----------50 最大电压频率
02-00-----------1 第一频率来源（AVI）
02-01-----------1 第一运转指令来源（外部端子启动）
03-05-----------3 频率指令输出
2收放卷VFD037V43A参数设定。
00-04----------40 观察上限频率
00-20----------2 频率指令来源(外部模拟量输入)
00-21----------1 运转指令来源（外部端子启动）
01-00----------50 最大操作频率
01-01----------50 最大电压频率
00-12----------1 第一加速时间
00-13----------1 第一减速时间
03-00----------4 AVI上限频率限定
03-02----------1 转距给定
03-09----------110 模拟量输入增益（AVI）
03-11----------200 模拟量输入增益（AUI）
10-00----------1024 编码器线数
10-01----------1 编码器方向

4结束语
当应用V系列变频器做张力控制时，一定要考量控制介质能承受的张力范围。保证张力控制的范围不能太小，一般张力范围在几百牛顿甚至更大时，用变频器做张力控制是能够满足客户的需要的。如果张力范围太小，是无法用变频器进行张力控制的。因为低转距、小负载时，V系列变频器的性能还是不是非常好，将转距调到非常小时，电机运转不是很平稳。所以在做类似的应用时还是要了解清楚客户的要求，以免无法达到客户的要求。



1. 对于卷取机的张力来说，在电机相对固定的转矩给定下就会只有一个转矩，在相同的卷径下就会形成一个相同的张力，如果要做到恒张力，你只要能做到在不同的卷径下，送给电机不同的转矩给定也就是了，具体的你再考虑一下吧。具体来说，也就是卷径的变化代表着张力作用力臂的大小，这其中存在一定的线性关系，你就是要找到这个线性的关系，来对电机的转矩给定进行实时的调节也就可以了。
2.如果是中心主动卷取，采用开环张力控制模型只能适合采用力矩卷取模式，通过检测卷径变化或者利用转动脉冲计算卷径，然后再控制力矩电机或者交流变频器做力矩控制模式或采用直流电机的力矩模式，该方式精度都不太理想，建议最好采用闭环方式，采用张力检测器或者浮辊检出实际的张力，然后采用速度模式或者力矩模式都可以，当然如果是双工位连续接卷，那最好采用速度模式，如果采用速度模式的话，过程计算方法和精度要求更高，具体的计算模型涉及到机械速比、芯筒卷径、材料厚度、张力锥度要求等。
　　 不论哪种方式，当前卷径的计算精度尤为重要，如果允许的话你也可以采用摆辊或超声波检测卷径
3.卷绕分中心卷绕和非中心卷绕两方面，对于后者各位同仁以经有了诸多成功的方案。但是对于前者，很多人就认为有些难度，本人采用几种方法在造纸、化纤、纺织、拉丝、薄膜、电工、印染等行业使用得到了好评。一、通过线速度来控制张力，大家可以推导张力由于卷径的变化而导致变化，而同时电机的转速也在变化，这两者之间的关系是不难知道的，但是线速度是不变的，通过这关系就可以不考虑什么卷径、补偿，在控制过程中不断进行运算修正转矩的大小就行了，称之为速度反馈的转矩控制。二、对于卷径变化比不大于3倍的或是对张力控制精度不高的情况下直接采用开环转矩控制就OK了，只是在设变频器的参数时有些小巧门。三、使用传感器做闭环转矩控制。
4.通过编码器计算卷取机的圈数，很容易计算力臂L
　　T（力矩）=F（张力）*L
　　通过电机电流可以计算力矩，张力也就计算出来。
5.单级的张力控制相对困难一点，类似于全主动中心开卷、卷取的薄膜复卷机，开卷与卷取的转速均为变量，建议你开卷采取交流变频器做速度模式运行，转速跟随卷径变化，确保开卷线速度的稳定，鉴于镀铝膜卷取不适合采用张力检测的情况，你可以采用交流变频器做闭环力矩控制，力矩曲线跟随卷径变化即可。如果你没有卷径的计算经验，建议你最好采用直接测量方式（超声波或者摆杆），采用计采集脉冲方式计算卷径必须要加入其他补偿程序，因为很多材料卷绕中因为张力变化、褶皱等原因会产生不同的气隙，这就会导致卷径误差，在精确的张力的控制中是要避免的。
　　 张力控制的方案从很简单到很复杂的方案都有，完全要根据工艺对象特性、速度、卷绕比、运行要求、投资等方面来确定！

大家有张力控制方面的问题可以一起探讨！

干式复合机的张力曲线和锥度同时存在，当曲线设定好，锥度10%和60%的锥度它们张力是怎样一个变化？张力是随曲线设定值变化？还是张力曲线和锥度都起作用？

2445770305 发表于 2015-12-12 20:18
干式复合机的张力曲线和锥度同时存在，当曲线设定好，锥度10%和60%的锥度它们张力是怎样一个变化？张力是随 ...

Sunbow 发表于 2015-12-13 21:05

此曲线图

Sunbow 发表于 2015-12-13 21:05

曲线和锥度同时存在问题

看看我们这彩印机设定的张力锥度，复合机不是电脑机，没触摸屏，收卷是力矩电机

大家好，我是杭州新林达自动化科技有限公司的张丹峰13326145228，专业从事BF低摩擦气缸、精密减压阀和电气比例阀厂家，新人报道！多多指教，谢谢