卷取是一種常見的控制系統，廣泛應用于造紙、印刷、染織等生產過程中的后續工作，以制成半成品或成品卷筒物。卷取的方式常見的有2種:摩擦卷取和中心卷取。前者對機械的要求復雜，而且卷取的效果受摩擦輥的影響很大，包括物料的光澤度、端面情況、松緊度等都會在卷取工藝中變差。后者在機械程度上很簡單，卷取時只受到自重的影響，卷取的效果自然好許多，然而長期以來中心卷取的控制系統只能在直流控制或磁粉控制二者中進行選擇，控制的成本很難降低。
如何降低收卷系統的控制成本呢？很多人都會想到交流變頻器，的確交流變頻調速技術以其卓越的調速性能、顯著的節電以及在國民經濟領域的廣泛適用性，而被公認為是一種最有前途的調速方式。直流調速系統在電機傳動的發展史上占有重要的地位，但由于直流電機存在維護難、抗環境能力差等原因，到了目前已嚴重制約了設備整機的性能價格比。而變頻調速技術能最大程度上發揮了交流電機本身固有的優點(結構簡單、堅固耐用、經濟可靠、動態響應好等)，再加上變頻調速理論業已形成一門相對獨立的學科，變頻調速技術的全面應用時代已經到來。
本文就TD3300變頻器在干式復合機中心卷取的應用做進一步的闡述。
2 干式復合機中心卷取的變頻控制
干式復合機是處理塑料薄膜工藝中(如薄膜印刷)的一個重要設備，如圖1所示。本系統中，薄膜卷通過放卷架，進入牽引輥后，在復合控制箱中進行加熱處理，再與另外一層薄膜進行復合，最后由收卷電機進行收卷。
為了控制前后的張力穩定，薄膜放卷采用磁粉離合器，然后通過浮動輥的信號來調節牽引電機和復合輥電機的速度同步，最后由中心卷取系統來完成收卷過程。在中心卷取的過程中，隨著卷徑的不斷增加，收卷電機的速度必須不斷減少，同時又要保證薄膜的張力相對平穩。對于收卷系統而言，進行張力控制是核心技術，也是變頻調速的難點。
目前，在中心卷取中最常用的是以下2種控制方式:(1)速度控制卷取(SPW)，用PID通過測力傳感器的張力反饋，或調節輥的位置反饋，來修正速度給定;(2)電流控制卷取(CPW)，用PID調節張力給定，這一類型的控制一般是開環的。
對如此復雜的張力控制系統，變頻技術必須能克服以下4個技術問題:(1)將復雜的交流異步電機的數學模型簡單化;(2)考慮到張力反饋信號的延后和超調;(3)將卷繞張力控制過程的動態參數描述成時變函數;(4)保證張力或轉矩閉環的抗波動能力高和即時調節性好。
通常情況下，具有張力控制的變頻控制系統，是建立在對變頻器、電機和張力對象的數學模型研究的基礎上，它包括(1)Ud～Id之間的傳遞函數;(2)Id～M之間的傳遞函數;(3)轉矩M～轉速n之間的傳遞函數;(4)控制電壓Uk～變頻器輸出電壓Ud之間的傳遞函數;(5)物料張力的動態數學模型。在一般情況下，張力專用的變頻器由直徑、轉矩補償和速度計算等模塊組成。
3 TD3300變頻器在干式復合機中的應用
TD3300張力控制專用變頻器是艾默生網絡能源有限公司的最新產品，它具有TD3000矢量變頻器的所有高性能，同時又可實現張力閉環控制和張力開環控制，以滿足各種卷取要求。
3.1 TD3300變頻器的卷取控制功能
(1)各種卷徑的計算，包括線速度計算、繞圈計算、模擬設定、上位機給定等;(2)卷徑模擬輸出，實現人機友好交互功能;(3)多種線速度測量方式，包括脈沖輸入、模擬輸入、數字輸入等;(4)實現張力錐度的設定;(5)實現轉矩補償的功能，如彎曲力矩補償、靜態力矩補償、慣性力矩補償等;(6)具有自動換卷邏輯功能，實現在線換卷功能。
3.2 TD3300張力控制變頻器的4種張力控制方式
(1)張力閉環控制(需要張力傳感器、增加成本、控制精度最高);(2)間接張力控制一(需要卷徑傳感器、增加成本、控制精度較高);(3)間接張力控制二(成本較低、控制精度較高);(4)間接張力控制三(成本較低、控制精度差)。此四種方案的配置主要是考慮系統的張力控制精度要求、系統的成本要求等，用戶可以根據實際情況決定采用哪種張力控制方式。
3.3 4種張力控制原理和應用
(1) 張力閉環控制 對于張力控制精度要求較高的場合，如軋卷染色機，它需要通過張力檢測輥的輸出張力信號來構成張力閉環控制，對于變頻器來說采用速度控制方案和PID閉環控制。
(2) 間接張力控制一 它通過卷徑傳感器測量的卷徑模擬信號進入變頻器的模擬輸入口，而變頻器則根據測量的卷徑進行張力控制。這里，卷徑是通過測量而不是通過計算而得，因此張力控制的精度相對較高。
(3) 間接張力控制二 在線速度可以檢測的場合，可以采用此法，通過檢測到的線速度及電機角速度計算卷徑，從而控制張力。通常應用在如干式復合機、拉幅定型機等收卷系統中。
(4) 間接張力控制三 當對張力的控制精度要求不高，卷繞菜鳥的厚度已知且變化不頻繁的情況下，可以采用厚度累積法計算卷徑，實現間接張力控制。
圖2所示為TD3300變頻器在干式復合機收卷系統中的配置原理，這里選用了經濟而實用的間接張力控制二，即卷徑采用模擬量輸入線速度計算法的方案。由于收卷電機的前級為復合輥電機M2，也為變頻器控制，它能通過模擬量口輸出0－10V或4－20mA信號，與線速度成比例，即0V為0速，10V為最高線速度。因此，通過此信號，張力變頻器TD3300就能正確地計算出卷徑信號(D=S×V/N公式具體見下)，從而利用變化的卷徑開環控制轉矩輸出值來保持恒張力控制。
在該方案中，復合輥電機的線速度通過AI3口進入變頻器TD3300，張力設定值(零速張力設定和正常張力設定)通過高精度電位器輸入到AI1、AI2口。在輸入端子功能中，包括啟動停止命令、卷徑復位命令、PG接口;在輸出端子功能中，包括直徑數字顯示、張力數字顯示、故障燈指示、卷徑達到指示。
本系統中卷徑的計算公式如下:D＝S×V / N (D為卷徑，S為定常系數，V為檢測到的線速度，N為收卷電機的實際運行轉速)。為保證卷徑計算的準確性，必須注意:
(1) V的準確性 因為AI3輸入的0-0V信號對應于0-卷取控制時的最高線速度，因此必須準確求出該最高線速度值。
(2) N的準確性 N的準確性來源于PG編碼器的信號和收卷電機減速器的傳動比，因此根據PG和減速器的銘牌正確輸入參數至關重要。
(3) 卷徑計算濾波時間 為保證在加減速和零速時正確地計算卷徑，必須盡可能延長卷徑計算濾波時間，一般取5s為宜。
這里設定張力的數值有2個，即零速張力和正常張力，前者是零速繃緊的設定張力，后者是正常收卷中的張力。前者的目的是保持薄膜卷在低速運轉或停止時，變頻器停止卷徑計算，按照零速設定張力進行作用，目的是為了保證張力的恒定。張力的信號通過模擬電位器輸入到變頻器，是一種簡單而實用的辦法，能讓操作者根據不同的材質、不同的幅寬正常設置。
當然，這里還需涉及到張力錐度系數的設定和張力補償的問題。錐度系數是用于修正卷繞過程中由于卷徑變化的張力，避免卷筒內松外緊的現象，其計算公式如下:F＝F0×(1-K×(1-D0/D))。F為實際張力，F0為設定張力，K為張力錐度系數，D0為初始卷徑，D為卷徑。張力補償包括靜態補償和動態補償2種，靜態補償主要是摩擦力補償，動態補償則考慮到由于卷徑的轉動慣量隨D的增大而增大的影響。
為保證操作者的正常使用，TD3300變頻器具有直徑信號、張力信號模擬量輸出值，因此可以方便地外接數顯表來實時顯示。同時卷徑達到指示方便操縱者換卷和卷徑復位。
4 TD3300變頻器的調試步驟和經驗
TD3300變頻器由于是張力控制專用的矢量型變頻器，因此在實際調試中必須遵循一定的步驟，以獲取最滿意的結果。以下是本機的調試步驟:
(1) 參數初始化
變頻器在初次運行的情況下，建議設置功能碼F0.12進行參數初始化操作后，再進行操作。
(2) 正確設置變頻器和電機的極限參數、保護參數、保護方式等。
正確設置的目的是為了保證電機調諧的正常進行，必須務必將電機的銘牌參數輸入進去。同時為了保證控制性能，電機與變頻器功率等級應匹配配置，一般只允許比變頻器小兩級或大一級。
(3) 自動調諧對電機進行空載調諧，獲取電機的基本數據
在選擇矢量控制方式第一次運行前，要進行電機自動調諧，以獲得被控電機的準確電氣參數。此時必須確保拖開與機械負載的連接，使電機完全處于空載狀態。
按F1.10=1 確認 ，并按鍵盤的RUN鍵，進行調諧。
調諧結束后，觀察電機調諧的參數時候在合理范圍內。
如本次調諧結果如下:
F1.11 定子電阻 0.686歐姆
F1.12 定子電感 104.6毫亨
F1.13 轉子電阻 0.610歐姆
F1.14 轉子電感 104.6毫亨
F1.15 互感 98.6毫亨
F1.16 空載激磁電流 6.7A
(4) 測試閉環運行
根據編碼器的銘牌，設置好Fb的各種參數，在本例中設置如下:
Fb.00 編碼脈沖數 600
Fb.01 PG方向選擇 反向
Fb.02 PG斷線選擇 自由停機
Fb.03 PG斷線檢測 0.2s
Fb.04 零速檢測值 0
在本例中，編碼器只用到A、B、Z三相中的A和B相，電源和OV，PE等5線，并將變頻器的CN4跳線設為OCI。
(5) 靜態測試
靜態測試的目的是獲得靜態力矩補償系數，這是為了對卷取過程中由于摩擦力而產生的力矩進行補償。
在本例中，獲得Fc.10 = 3%
(6) 設定必要的張力參數
主要包括張力控制方式和一些張力設置值。
F3.06 張力控制 4:絕對有效
F8.00 卷取模式 0 收卷模式
F8.01 電機額定轉矩 52.5N·m
F8.02 傳動比 2.53
F8.03 張力設定選擇 2:AI2設定(電位器設定)
F8.05 最大張力 1000N
F8.06 零速張力設定 1:AI1設定(電位器設定)
F8.08 張力錐度系數 0數字設定
F8.10 卷徑來源選擇 0 線速度計算法
F8.11 最大卷徑 700mm
F8.12 空心卷徑 95mm
F8.13 初始卷徑選擇 0:數字設定
F8.14 初始卷徑設定 95mm
F8.15 張力方向設定 0:正向
Fc.00 線速度選擇 3:AI3設定
Fc.03 最高線速度 95m/min
Fc.04 最低線速度 40m/min
Fc.0
