采用艾默生通用變頻器實(shí)現(xiàn)的切紙機(jī)應(yīng)用方案
| 一、引言 在造紙行業(yè)中，經(jīng)常需要高精度同步控制，特別是切紙機(jī)這樣的機(jī)械，對(duì)于位置精度要求極高的情況下，靠通用變頻器速度控制已經(jīng)難以滿足要求，一般只有采用直流或者交流伺服來(lái)解決，成本較高。本文針對(duì)這一情況，提出了采用艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司生產(chǎn)的TD3000通用變頻器的實(shí)現(xiàn)方案。 二、 系統(tǒng)組成  javascript:if(this.width>580)this.width=580">圖1 采用通用變頻器控制的切紙機(jī)系統(tǒng) 圖1中只畫(huà)出有送紙和切紙相關(guān)部分的連接圖，放卷控制和傳送帶控制等無(wú)關(guān)部分在圖中未畫(huà)出。1# INV采用標(biāo)準(zhǔn)TD3000產(chǎn)品，2# INV采用具有伺服功能的TD3000非標(biāo)變頻器，兩臺(tái)變頻器由PLC通過(guò)RS485通信來(lái)控制。1# 變頻器采用閉環(huán)矢量速度控制模式，速度精度可以達(dá)到0.1%以上，控制送紙輥的轉(zhuǎn)速，同時(shí)送紙電機(jī)的速度經(jīng)過(guò)X8進(jìn)入2# 變頻器作為同步跟蹤控制的脈沖輸入源，用來(lái)控制切紙輥的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和位置。 三、 工作原理框圖  javascript:if(this.width>580)this.width=580">圖2 切紙機(jī)控制原理框圖 1、 原理分析 INV 1# 工作于閉環(huán)矢量控制，K1為送紙機(jī)械減速比；INV 2# 工作于伺服控制模式，其中K通過(guò)上位機(jī)來(lái)設(shè)定，由切紙長(zhǎng)度唯一確定，K2為切紙機(jī)械減速比。閉環(huán)矢量控制的速度、電流控制雙閉環(huán)原理框圖在圖中未畫(huà)出。K的推導(dǎo)計(jì)算如下： 送紙線速度  javascript:if(this.width>580)this.width=580"> (m/s) （1） javascript:if(this.width>580)this.width=580"> (m) （2）式中， N1為送紙電機(jī)轉(zhuǎn)速，K1為送紙機(jī)械減速比，V1為線速度，D1為送紙輥的直徑，T2為切紙輥轉(zhuǎn)動(dòng)一圈的周期。 由式（2）、式（1）得  javascript:if(this.width>580)this.width=580"> （s） （3）同時(shí)我們可以采用切紙輥的轉(zhuǎn)速 ，求出T2  javascript:if(this.width>580)this.width=580">（s） （4） 由式（3）與式（4）相等，即[upload=jpguploadfiles/200681410333417864.jpg[/upload] （5） 定義式（5）為跟蹤速度增益K  javascript:if(this.width>580)this.width=580">改變不同的紙的長(zhǎng)度L，可根據(jù)式（6）求出不同增益K，只要上位機(jī)實(shí)時(shí)地改變K，就可以實(shí)時(shí)調(diào)整切紙的長(zhǎng)度。另外，需要注意的一點(diǎn)是，在本文的分析中，隱含了一個(gè)前提，那就是切紙輥旋轉(zhuǎn)一周，即完成一次切紙過(guò)程。證明過(guò)程如下： 切紙線速度  javascript:if(this.width>580)this.width=580">(m/s) （7） 式中，D2為切紙輥的直徑。 由式（1）與式（7）相等，可以求出  javascript:if(this.width>580)this.width=580">（8） 對(duì)照式（6）和式（8），可以得到[upload=jpguploadfiles/200681410372375923.jpg[/upload] ，即  javascript:if(this.width>580)this.width=580">2、精度分析 a、跟蹤誤差 由于INV 2# 采用伺服控制，由于送紙電機(jī)的加減速過(guò)程一般比較緩慢，加減速時(shí)間可達(dá)到30到60秒，甚至更長(zhǎng)，因此切紙機(jī)位置動(dòng)態(tài)跟蹤誤差可以做到五個(gè)脈沖以內(nèi)，則整個(gè)切紙過(guò)程跟蹤******誤差 可以控制在式（9）要求的范圍內(nèi)。在穩(wěn)態(tài)過(guò)程中，由于TD3000閉環(huán)矢量的高精度，可以保證穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差小于兩個(gè)脈沖，跟蹤穩(wěn)態(tài)誤差只有動(dòng)態(tài)1/4。  javascript:if(this.width>580)this.width=580"> （9）式中， 為誤差脈沖數(shù)， 編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)?？梢钥闯鼍幋a器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)增大，可以減小跟蹤誤差，但是由于編碼器接口速度限制，一般不超過(guò)50kHz，選用2000P/R的編碼器已經(jīng)到了極限。假設(shè)D2為400mm，P為2000P/R，K2為14，代入式9，可以求出******跟蹤誤差為0.22mm，穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差為0.08mm。 b、速度分辨率誤差 1#1NV變頻器頻率分辨率為0.01Hz，對(duì)應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速分辯率為0.3rpm（按照4極電機(jī)考慮），經(jīng)過(guò)X8輸入對(duì)應(yīng)每分鐘脈沖為600個(gè)，每秒種則對(duì)應(yīng)10個(gè)。根據(jù)(a)的計(jì)算，速度分辯率造成的誤差將小于0.44mm/s，假設(shè)切紙機(jī)的最高線速度為2m/s，速度精度將達(dá)到萬(wàn)分之二，完全可以滿足高速切紙機(jī)的要求。實(shí)際上，由于在本方案中，INV 2# 完全跟蹤INV 1# 轉(zhuǎn)速和位置，即使有速度分辨率誤差，對(duì)輸出切紙精度也無(wú)任何影響。 c、跟蹤速度增益K的分辨率對(duì)精度的影響 假設(shè)切紙長(zhǎng)度為550~1350mm，******車(chē)速為2000mm/s，送紙輥的直徑為400mm, 送紙機(jī)械減速比K1為16，切紙機(jī)械減速比K2為14，通過(guò)式（6）可以計(jì)算出K的變化范圍為0.814~1.998。 增益K的設(shè)定范圍為0.000~9.999，分辨率為0.001，如果采用2000P/R的編碼器，電機(jī)******轉(zhuǎn)速為1440rpm，對(duì)應(yīng)******脈沖頻率為48KHZ，對(duì)應(yīng)******分辨誤差為24P/s（1/2*0.001*48KHz）?？紤]在******車(chē)速2m/s的情況下，******絕對(duì)誤差應(yīng)該對(duì)應(yīng)******切紙長(zhǎng)度1.35m/s的時(shí)候，即 個(gè)脈沖，對(duì)應(yīng)絕對(duì)誤差根據(jù)式（9）計(jì)算為0.717mm。需要說(shuō)明一點(diǎn)的是，此精度只影響設(shè)定長(zhǎng)度，并不影響切紙長(zhǎng)度的一致性。 四、 調(diào)試及注意問(wèn)題 運(yùn)行調(diào)試時(shí)，必須保證送紙電機(jī)和切紙電機(jī)處于完全停機(jī)狀態(tài)，通過(guò)上位機(jī)或者外部端子，先讓切紙電機(jī)運(yùn)行，后再讓送紙電機(jī)運(yùn)行，同時(shí)給送紙電機(jī)設(shè)定頻率。送紙電機(jī)驅(qū)動(dòng)變頻器的加減速時(shí)間可設(shè)定為30~60s，而切紙電機(jī)驅(qū)動(dòng)變頻器在不過(guò)壓過(guò)流的情況下，可以設(shè)定最短的加減速時(shí)間，一般小于0.5s，在精度要求較高的場(chǎng)合，需要快速的起制動(dòng)控制，有必要添加制動(dòng)電阻或者制動(dòng)單元（30KW以上變頻器）。 由于位置控制對(duì)于編碼器的抗干擾和可靠性有較高的要求，必須選用歐姆龍等廠家高可靠性產(chǎn)品，輸出電路形式為集電極開(kāi)路輸出，工作電壓為24~30VDC，每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)為2000。但要特別注意，上位機(jī)軟件在更改K的時(shí)候，需要設(shè)定為不存貯方式，防止常期多次存貯造成EEPROM的損壞。 五、結(jié)論 本文提出的方案具有切紙長(zhǎng)度、相對(duì)精度與工作車(chē)速無(wú)關(guān)的優(yōu)點(diǎn)，易于實(shí)現(xiàn)PLC通信的分時(shí)控制和進(jìn)行切紙長(zhǎng)度的隨意調(diào)整，可大大降低低速引紙速度，可達(dá)到額定車(chē)速1/50以下，降低了工人引紙的操作難度和強(qiáng)度，縮短低速引紙時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。另外，該方案還可以應(yīng)用在其他如造紙、起重等需要高精度同步跟蹤控制的場(chǎng)合，對(duì)于各種需要同步控制的場(chǎng)合有一定的參考價(jià)值。 |
