帶制動(dòng)能量回饋單元的放卷 張力控制系統(tǒng)

1、ELECTRICDRIVE2009Vol.39No.6電氣傳動(dòng)2009年第39卷第6期帶制動(dòng)能量回饋單元的放卷張力控制系統(tǒng)陳德傳,張奇松(杭州電子科技大學(xué)智能控制與機(jī)器人研究所,浙江摘要:,為降低此類設(shè)備的耗電量,。介紹了,并簡介了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù),。;電機(jī)控制;節(jié)能;卷繞物TP29文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AUnwindingTensionControlSystemwithBrakingEnergyFeedbackUnitCHENDe2chuan,ZHANGQi2song(Intelligence&RoboticsInstitute,HangzhouDianziUniversity,Hangzhou3

2、10018,Zhejiang,China)Abstract:Currentunwindingtensioncontrolsystemsgenerallyusemagneticpowderbrake,whichhaspoordynamicperformanceandisbelongedtoenergy2consumingtypeofbrake.Inordertoreducetheenergy2con2sumptionofthesedevicesandfurtherimprovethecontrolcapabilitytomeettherequirementsofhigh2speedproduct

3、ion,aunwindingtensioncontrolsystemwhichrunsintorque2controllingmethodanduseDCservomo2torasitsexecutantwasproposed.Thesystemisabletofeedbackthebrakeenergytopowergrids.Systemsprinciple,designmethodandtensioncontrolforwiderangevariationofwebradiuswereintroduced.Realizingtechnologiesweresimplyintroduced

4、.Thesystemhasgoodapplicationprospects.Keywords:energyfeedback;unwindingtension;motorcontrol;energysaving;winding1引言在諸如塑料薄膜、紡織物、紙品、箔帶、線纜及可繞性管材等各類卷繞物生產(chǎn)過程中,需將經(jīng)前道工序加工的卷繞物以恒張力方式從料筒中放卷出來,以供本工序的加工處理。在此類生產(chǎn)設(shè)備中,一般由進(jìn)給輥將卷繞物從卷料筒中拉出,而放卷軸常用被動(dòng)式,為實(shí)現(xiàn)恒張力放卷控制而常用磁粉制動(dòng)器作為放卷張力控制的執(zhí)行元件1。磁粉制動(dòng)器具有控制簡單、應(yīng)用方便等特點(diǎn),但其制動(dòng)力矩與勵(lì)磁電流間呈非線性關(guān)系

5、,在要求高精度控制的場(chǎng)合,一般采用非線性補(bǔ)償?shù)姆椒?。再者,磁粉制動(dòng)器動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢,使得它在高速卷繞的應(yīng)用場(chǎng)合中難以滿足要求3,此外,磁粉制動(dòng)器屬于耗能式元件,且一般還需采取散熱基金項(xiàng)目:浙江省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2006C31048)措施4。因此,在研究提高張力控制性能的同時(shí),如何將放卷過程的制動(dòng)能量回饋給電網(wǎng)以達(dá)到節(jié)能的目的,將具有重要的意義。本文提出一種以運(yùn)行于力矩方式的印制繞組直流伺服電機(jī)作為卷繞物放卷張力系統(tǒng)的執(zhí)行元件,在提高放卷張力動(dòng)、靜態(tài)控制性能的同時(shí),還能將電機(jī)制動(dòng)過程產(chǎn)生的能量回饋到電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制的新型放卷張力控制系統(tǒng)。2基于能量回饋的放卷張力控制系統(tǒng)方案帶能量回饋單元的卷繞物放

6、卷張力控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。其中,DC/AC為IGBT智能功率模塊,DC/DC為采用IGBT的H橋式PWM3變換器。Uv3為線速設(shè)定值,UF為張力設(shè)定值,作者簡介:陳德傳(1959-),男,高級(jí)工程師,Email:chendechuan55電氣傳動(dòng)2009年第39卷第6期陳德傳,等:帶制動(dòng)能量回饋單元的放卷張力控制系統(tǒng)Ud3為DC/DC的PWM變換器供電電壓設(shè)定值。Pf=12Fv(1)式中:1為電力電子變流器的效率;2為電機(jī)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的效率。3F-I雙閉環(huán)控制回路的分析與設(shè)計(jì)3.1制動(dòng)力矩控制回路的分析,。圖3中,ACRi3,Ui分別為電流設(shè)定信號(hào)(V)(V),Uc為H橋式PWM變換器的控(

7、V),Ud為電樞電壓(V),Id,IL分別為電樞電流、等效綜合負(fù)載電流(A),IL0為由帶材張力決定的負(fù)載電流(A),I為由機(jī)械摩擦力矩及慣性矩等決定的附加損耗電流(A),Es為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)(V),Ks和Ts分別為DC/DC裝置的放大系數(shù)和時(shí)間常數(shù),R為電樞回路總電阻(),Tl,Tm分別為電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)(s)和系統(tǒng)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)(s),Cm為電機(jī)力矩常數(shù)(Nm/A),為電流反饋系數(shù)(V/A),Toi為濾波時(shí)間常數(shù)(s)。圖1Fig.1tensioncontrolsystemdiagramwithenergyfeedbackunit圖1中,卷繞物的線速度由進(jìn)給電機(jī)M2決定,而放卷過程的制動(dòng)力

8、矩由直流電機(jī)M1提供。ACR為電流調(diào)節(jié)器,通過對(duì)電樞電流的控制來實(shí)現(xiàn)對(duì)放卷制動(dòng)力矩的控制。為保持張力的恒定,制動(dòng)力矩必須隨著卷半徑r的變化而變化。ATR為張力調(diào)節(jié)器,具有對(duì)卷徑的自適應(yīng)功能,卷繞半徑r由代表電機(jī)力矩的電樞電流與張力信號(hào)進(jìn)行估算。Uv3還可對(duì)ATR的工作進(jìn)行使能控制及變速中對(duì)張力的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償控制。能量回饋控制單元框圖如圖2所示,其中的DC/AC變換器可實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng),當(dāng)直流母線電壓過高時(shí)啟動(dòng)有源逆變,并通過采集的同步信號(hào)來控制回饋電流的相位,以實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)的能量回饋控制。圖3制動(dòng)力矩控制回路的動(dòng)態(tài)模型框圖Fig.3Thedynamicmodeldiagramofbraking

9、torquecontrolloop在圖3中,由于薄膜類卷繞物的厚度很薄,由卷徑變化及動(dòng)態(tài)速度變化決定的慣性力矩及動(dòng)態(tài)附加力矩等所占的分量較小,其對(duì)應(yīng)的等效附加電樞電流分量I也較小,故暫不考慮其影響。當(dāng)ACR選如下的PI調(diào)節(jié)律,并將圖3所示的系統(tǒng)模型作工程化處理及按典型I系統(tǒng)的最佳參數(shù)整定5,6后,可得圖3所示系統(tǒng)的等效傳遞函數(shù)為(2)WACR(s)=is3Ui(s)2Tis+1T=CmIdTi=Toi+Ts(3)(4)(5)圖2能量回饋控制單元框圖Fig.2Theenergyfeedbackunitdiagram回饋功率Pf的大小主要由張力F和轉(zhuǎn)速v決定,如下式:56陳德傳,等:帶制動(dòng)能量回饋

10、單元的放卷張力控制系統(tǒng)電氣傳動(dòng)2009年第39卷第6期3.2自整定張力調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)綜述分析得圖1系統(tǒng)中的放卷張力控制回路的等效動(dòng)態(tài)模型框圖如圖4所示。其中的ATR為張力調(diào)節(jié)器,UF,UF分別為張力設(shè)定值(V)與反饋值(V),為張力反饋系數(shù)(V/N),Tof為ATR濾波時(shí)間常數(shù)(s),T為輸出力矩(Nm),T為綜合負(fù)載力矩(Nm),r為放卷的卷半徑(m),r為卷半徑估計(jì)值(m),F為卷繞物放卷張力(N)。由于在ATR參數(shù)自整定中對(duì)r的檢測(cè)精度法,對(duì)應(yīng)的4個(gè)IGBT的開關(guān)控制規(guī)律如表1所示,其中的us為調(diào)制波信號(hào)(V),uca為三角載波(V)。要求不高,故暫不計(jì)T對(duì)r的影響7。HPWM有源逆變電路

11、圖5HBridgePWMactiveinvertercircuit表1單極性SPWM調(diào)制的開關(guān)控制規(guī)律表Tab.1TheswitchcontrolregulationtableunderunipolarSPWMmodulation圖4Fig.4Thedynamicmodeldiagramoftensioncontrolloopus>0us<0S1通,S2斷us>ucaus<ucaS1斷,S2通us>ucaus<uca當(dāng)張力調(diào)節(jié)器ATR選如下的PI調(diào)節(jié)律時(shí),可按典型I系統(tǒng)的最佳整定方法得其參數(shù)整定公式。其中的r3為基準(zhǔn)半徑(m),kr為ATR的參數(shù)自動(dòng)修正系數(shù)

12、。因限于篇幅,此處不對(duì)圖1中的速度張力協(xié)調(diào)問題展開分析。WATR(s)=fsf=2TiKf=S3斷S4通Uo=UdS3通S4斷Uo=0S3斷S4通Uo=0S3通S4斷Uo=-Ud在電源電壓為220V、電源頻率為50Hz、濾波電感為3mH、開關(guān)頻率為10kHz、DC端電壓為240V時(shí),利用Matlab/Simulink11對(duì)能量回饋單元進(jìn)行仿真,得電網(wǎng)電壓和回饋電流的波形如圖6所示,仿真結(jié)果表明:該能量回饋單元的功率因數(shù)接近于1,且回饋電流的諧波成分很小。(6)(7)(8)(9)(10)TiTi3r=rkrTofCmTofCmkr=rrrm=UFFUF/式(10)表明:可利用電樞電流反饋信號(hào)Ui

13、,張力反饋信號(hào)UF來估算卷繞物的放卷半徑。此外,式(6)在編程中實(shí)際上采用抗積分飽和的PI控制算法8。4DC/AC能量回饋單元的控制與圖6電網(wǎng)電壓和回饋電流的同步曲線圖Fig.6Thesynchronizationcurvesofpowergridvoltageandfeedbackcurrent仿真能量回饋單元的主電路采用如圖5所示的H橋式PWM有源逆變電路,通過控制回饋電流IN的幅值和相位9,10,可實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)的制動(dòng)能量回饋控制的目的。圖5中的4個(gè)IGBT(S1S4)工作于單極性的SPWM調(diào)制方式,并采用平均對(duì)稱的規(guī)則采樣5節(jié)能型F-V協(xié)調(diào)控制器的技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖1中的節(jié)能型F-V協(xié)調(diào)控制器

14、是以高性能數(shù)字信號(hào)處理器TMS320LF2407A為控制核(下轉(zhuǎn)第69頁)57王樹東,等:基于工業(yè)以太網(wǎng)和無線通信的水廠SCADA系統(tǒng)電氣傳動(dòng)2009年第39卷第6期6結(jié)束語本設(shè)計(jì)以工業(yè)以太網(wǎng)作為網(wǎng)絡(luò)主干配以無線寬帶通信以及PROFIBUS2DP現(xiàn)場(chǎng)總線的SCA2DA自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò),取得了如下效益。1)節(jié)省了大量電線、電纜,降低了系統(tǒng)的安裝難度,減少了硬件投資以及系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用。2)組網(wǎng)方便靈活,同時(shí)又增加了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的靈活性和可移動(dòng)性,新增設(shè)備直接掛接于現(xiàn)場(chǎng)總線即可,為以后生產(chǎn)的擴(kuò)建提供了便利條件。3)對(duì)于一些遠(yuǎn)距離控制,采用無線通信技術(shù)可擴(kuò)大控制范圍,延長控制距離,可預(yù)知的環(huán)境,。,實(shí)踐證明

15、,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集與集中監(jiān)控和二泵房及遠(yuǎn)程增壓泵站、測(cè)壓點(diǎn)無人值守的要求,實(shí)現(xiàn)“基礎(chǔ)自動(dòng)化+2級(jí)過程控制計(jì)算機(jī)+3級(jí)生產(chǎn)管理計(jì)算機(jī)”的一體化結(jié)構(gòu),(上接第57頁)具有很好的應(yīng)用推廣價(jià)值。參考文獻(xiàn)1曾文,王宏,徐皚冬.基于EPA標(biāo)準(zhǔn)的無線通信技術(shù)的應(yīng)用研究J.微計(jì)算機(jī)信息,2006,22(2):47-49.2郭鳳文.水工業(yè)自動(dòng)化控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)J.中國給水排水,2001,17(3):32-35.3李正軍.M.北京:4.J.,38(2)5M.北:,2000.6崔堅(jiān).西門子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信指南M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.7蘇昆哲.深入淺出西門子WinccV6M.第2版.北京:北京航空航天大學(xué)出

16、版社,2005.收稿日期:2008206203修改稿日期:2009201224心,人機(jī)界面由192×64的點(diǎn)陣式LCD、功能按鍵、用于狀態(tài)指示的發(fā)光管及分別用于設(shè)定張力與線速度的指針式電位器、開關(guān)電源模塊等組成。DC/DC變換器采用IGBT橋式PWM變換器,DC/AC變換器采用IPM模塊,內(nèi)含6個(gè)IGBT且自帶驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路,本系統(tǒng)取其中的2個(gè)橋臂(4個(gè)IGBT)組成H橋式PWM逆變電路。此外,用于放卷張力控制的電機(jī)采用2.1kW的印制繞組直流伺服電動(dòng)機(jī)。J.東南大學(xué)學(xué)報(bào),2005,35增(II):248-252.2高良鳳,楊婭君.張力控制系統(tǒng)中磁粉制動(dòng)器的非線性補(bǔ)償J.橡膠工業(yè),2

17、005,52(4):241-243.3陳德傳.基于快速驅(qū)動(dòng)的磁粉制動(dòng)器放卷張力自鎮(zhèn)定控制J.機(jī)電工程,2007,24(3):19-21.4葉春強(qiáng).磁粉制動(dòng)器的改進(jìn)J.湖南造紙,2007(4):34-35.5王春俠,聶翔.基于ITAE最優(yōu)的直流電機(jī)速度控制器設(shè)計(jì)J.微計(jì)算機(jī)信息,2007,23(28):30-31.6陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)M.第3版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003.7LINKC,TSAIMC,CHENKY.WebTensionControlofaStart2upProcessUsingObserverTechniqueswithFrictionandInerti

18、aCompensationJ.IEEE,2001,29(1):529-534.8陶永華.新型PID控制及其應(yīng)用M.第2版.北京:機(jī)械6結(jié)論本文所述的系統(tǒng)已在最高線速度為400m/min、最大張力為300N的塑料薄膜分切機(jī)中得到應(yīng)用,該系統(tǒng)具有快速、平穩(wěn)的張力控制性能與良好的節(jié)能效果,且在卷徑變化范圍高達(dá)10倍情況下,系統(tǒng)的控制性能均符合生產(chǎn)要求。采用帶能量回饋單元的卷繞物放卷張力控制系統(tǒng)是一種新的技術(shù)嘗試,在提高卷繞物放卷張力控制性能以及降低相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備的能耗等方面都具有重要的意義。參考文獻(xiàn)工業(yè)出版社,2002.9張純江,顧和榮,王寶誠,等.基于新型相位幅值控制的三相PWM整流器數(shù)學(xué)模型J.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2003,7(23):28