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上海津信變頻器有限公司
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閱讀：2189發布時間：2014-7-17
丹佛斯變頻器FC302在管絞機收卷轉矩控制上的應用
Danfoss FC302 inverter applications in take-up torque control of tubular stranding machines
摘要：本文介紹了丹佛斯FC302變頻器，配合編碼器進行閉環轉矩控制，在管式絞線機的收卷裝置上的應用；并簡述了開發過程。
關鍵詞：丹佛斯變頻器 FC302 轉矩控制 管式絞線機
Abstract:This article introduced Danfoss FC302 inverter applications in take-up devices of tubular stranding machines with encoder to establish closed loop torque control, and its development process.
Keywords: DanfossInverter FC302 Torque control Tubular stranding machine
引言：管式絞線機絞線機（以下簡稱“管絞機”）是一種能廣泛應用于各類軟/硬導體線(鋼絞線、鋁絞線及銅絞線等)及電子線（如:電源線、耳機線等）的絞合機械設備，使多根單支導體扭成一股，達到線材的工藝要求。扭絞后的線纜往往具有很高的強度，因此就對收卷裝置提出了較高的要求。
管絞機的主要機械結構如下圖所示：
其中：
1.絞籠：內部裝有放線搖籃，將要扭絞的線盤安裝在搖籃上，絞籠轉動將這些線纜扭絞在一起，絞籠由絞線電機帶動。
2.牽引輪：在絞籠轉動的同時，牽引輪根據節距（pitch）的要求，按照一定的同步系數與絞線電機保持同步。
3.計米裝置：用于測量生產的線纜長度。
4.收卷裝置：將扭絞后的線纜成品纏繞在線盤上。
傳統的收卷裝置由力矩電機控制器和力矩電機組成。力矩電機的轉速-轉矩特性見圖二，主要特點是在恒定電壓時，輸出轉矩與轉速有關，當轉速為zui大轉速，即同步轉速時（一般為1500RPM），輸出轉矩為0；轉速下降時，輸出轉矩逐步增大；當轉速為0，即堵轉時，輸出轉矩達到zui大值，即堵轉轉矩T0；T0的大小與電機電壓有關，電壓越大轉矩越大。
當生產線速度恒定時，開始收卷圈筒直徑較小，收卷轉速較快，收卷轉矩T也較小，根據線纜張力F= T / R ，由于這時R也較小，所以線纜上的張力并不是很小；當收卷卷徑變大時，收卷轉速將變小，為使線纜上的張力保持恒定不變，理論上要求收卷電機的輸出轉矩變大，而轉速變小時輸出轉矩變大，正是力矩電機的固有特性，所以當線速度恒定不變時，使用力矩電機可以近似地滿足收卷張力恒定的工藝要求。
力矩電機收卷的不足之處在于：
電機：加裝編碼器反饋的異步電機
驅動器：Danfoss FC302變頻器
Danfoss FC302變頻器支持轉速閉環轉矩控制，即使驅動普通異步電機，也能實現5%的轉矩控制精度。PLC做收卷卷徑計算，然后算出收卷轉矩給定值，通過RS485串行通信口傳輸給變頻器。整個系統的構成如圖三。
1）電機選擇：
首先根據線盤和張力要求，計算所需的zui大轉矩，存在以下等式：
轉矩×機械傳輸效率×減速比 = 張力×滿卷半徑
以常用的1600收卷筒為例，線筒直徑為1.6 m，通常滿卷直徑為1.25 m，假設工藝要求張力為1900 N，減速比為45.16，機械傳輸效率為0.8，可推導出所需轉矩為32.86 Nm，所選電機的額度轉矩必須大于等于32.86Nm。
再根據線纜的線速度VLine，核算電機轉速，根據公式：
VLine = πD×n / 減速比
假設生產線速度VLine為100 m/MIN，卷徑為zui大卷徑1.25m時，可以算出電機的轉速為 1150 rpm，小于電機額定轉速1460rpm，滿足電機滿轉矩出力的要求；當卷徑為zui小值0.8m時，可以算出電機的轉速為 1797 rpm，在合理的恒功率工作區域之內。因此選擇額定轉矩轉矩為36Nm，額度功率為5.5 kW的4極異步電機。
如果依然選用力矩電機收卷的話，則需要選用約100Nm、5的力矩電機，電機容量將比普通異步電機大3倍。
2）卷徑計算：
提高收卷質量的關鍵在于保持收卷張力的恒定，而張力 = 轉矩 / 卷徑，卷徑可由傳感器測得，但為了降低成本往往由PLC來計算得出卷徑。收卷排線裝置的兩端各有一個行程開關，將行程開關的信號輸入到PLC，就能在每次換向時疊加收卷卷徑。理論上，每次行程開關信號觸發都代表開始繞新一層，卷徑增加兩個線纜直徑，但實際線纜為圓柱形，所以增加的卷徑往往小于線纜直徑，所以需要引入修正系數λ。
收卷當前卷徑 = 前收卷卷徑 +線徑×2×λ
計算出卷徑后，即可得出對應的收卷轉矩。
3）變頻器參數設置：
參數號 | 參數名稱 | 設定值[代碼] |
1-01 | 電動控制原理 | [3]磁通矢量帶反饋 |
1-00 | 配置模式 | [2]轉矩 |
1-02 | 磁通矢量電動機反饋源 | [2] MCB102 |
1-20 | 電動機功率 (kW) | 電機銘牌值 |
1-22 | 電動機電壓 (V) | |
1-23 | 電動機頻率 (Hz) | |
1-24 | 電動機電流 (A) | |
1-25 | 電動機額定轉速 (RPM) | |
1-26 | 電動機額定轉矩 (Nm) | |
1-50 | 零速時的電機勵磁 (%) | 75 |
1-51 | 正常勵磁的zui小轉速 (RPM) | 30 |
17-10 | 信號類型 | [1] RS422 (5V TTL) |
17-11 | 分辨率 | 按現場編碼器分辨率 |
為了實現高精度的轉矩控制，首先在1-**參數中正確設置電機的各個參數，還需要再進行完整的AMA（電機自適應）；其它需要優化的參數還包括：轉矩和電流、zui高轉速的限制，PID控制器的參數，通信參數，發生故障后的處理方式等。
| 力矩電機 | FC302轉矩控制 |
能耗 | 電機能耗很大 | 異步電機工作于額度狀態 電機效率很高 |
自動化水平 | 使用過程中需要頻繁的人工調節 | 設定好張力和收卷參數后，不再需要人工調節，自動化程度高 |
控制效果 | 對于靜摩擦轉矩和滑動摩擦轉矩無法自動補償，因此張力受卷徑和轉速的影響大 | 由PLC估算卷徑并進行轉矩補償，自動控制轉矩，不同的卷徑、以及在加減速和停車狀態下的收卷張力都很穩定 |
通用性 | 力矩電機只在一定的速度范圍內具有較好的轉矩特性，限制了收卷裝置的線速度和卷徑 | 普通異步電機在低頻以外的范圍都可以得到很好的轉矩特性 |
現場實際運行過程中，收卷裝置大大減少了操作員的工作量，提升了管絞機的自動化水平。系統調試也十分簡單易行，得到客戶的*。
[1] FC300編程指南. MG.33.MD.41. Danfoss
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