项目六造纸收卷闭环矢量控制主编李方园

《变频器控制技术》 项目六造纸收卷闭环矢量控制主编李方园

项目六造纸收卷闭环矢量控制 6.1 项目背景及要求 6.2 知识讲座（矢量控制与转矩控制） 6.3 技能训练一（A700矢量控制与转矩控制） 6.4 技能训练二（三菱张力控制器设置与安装） 6.5 项目设计方案

项目六造纸收卷闭环矢量控制 本项目的学习目标如下：知识目标：了解闭环矢量控制的定义；熟悉闭环矢量控制与开环矢量控制的差异；掌握PG（或PLG）的变频器连接方式；掌握张力控制和转矩控制的参数设定。技能目标：能对闭环矢量控制进行简单接线、参数设置与调试；能熟练掌握PG(或PLG)的参数设定；能进行张力控制器的输入输出接线，并运用闭环矢量控制解决速度、张力或转矩控制项目。职业素养目标：能充分了解大传动系统的各个自动化单元的关系，培养针对具体控制系统进行合理选购的职业素养

项目六造纸收卷闭环矢量控制 6.1 项目背景及要求 6.1.1 项目背景某板纸厂新上一套造纸设备，最高速度140m／min，纸张克重(每平方米纸张的质量)100～500克，该生产线有11个传动点构成，按生产流程依次为真空回头辊、一主压、二压、三压、一组缸、二组缸、三组缸、光泽缸、四组缸、压光机、卷纸机，系统构成如图6.1a所示。

项目六造纸收卷闭环矢量控制 a)造纸机构成

项目六造纸收卷闭环矢量控制 b) 卷纸机部位图6.1 造纸机收卷控制其中对于压光机主传动和卷纸机进行的控制要求比较高，以满足特殊的工艺要求，尤其是采用被动收卷要求纸卷端面整齐、张力恒定，如图6.1b所示。

项目六造纸收卷闭环矢量控制 6.1. 2 控制要求已知压光机主传动（以下简称主传动）为37KW，被动收卷为15KW，要求如下： 1）主传动采用速度控制； 2）收卷传动采用转矩控制或张力控制，且都采用带编码器的变频电机，要求张力恒定

项目六造纸收卷闭环矢量控制 6.2 知识讲座：矢量控制与转矩控制 6.2.1 闭环矢量控制方式 1、基本概念有速度传感器的矢量控制方式（简称闭环矢量控制），主要用于高精度的速度控制、转矩控制、简单伺服控制等对控制性能要求严格的使用场合。在该方式下采用的速度传感器一般是旋转编码器，并安装在被控电动机的轴端，而不是象闭环V/f控制安装编码器或接近开关那样随意。在很多时候，为了描述上的方便，就把有速度传感器的矢量控制方式称为闭环矢量控制或有PG反馈矢量控制。

项目六造纸收卷闭环矢量控制 2、编码器PG接线与参数矢量变频器与编码器PG之间的连接方式，必须与编码器PG的型号相对应。一般而言，编码器PG型号分差动输出、集电极开路输出和推挽输出三种，其信号的传递方式必须考虑到变频器PG卡的接口，因此选择合适的PG卡型号或者设置合理的跳线至关重要。前者的典型代表是安川VS G7变频器，后者的典型代表为艾默生TD3000变频器。以安川VS G7变频器为例，其用于闭环矢量控制方式安装的PG卡类型主要有两种：（1）PG－B2卡，含A/B相脉冲输入，对应补码输出，如图6.2。（2）PG－X2卡，含A/B/Z相脉冲输入，对应线驱动，如图6.3。

项目六造纸收卷闭环矢量控制 图6.2 PG－B2卡与编码器接线图图6.3 PG－X2卡与编码器接线图

项目六造纸收卷闭环矢量控制 图6.3 PG－X2卡与编码器接线图

项目六造纸收卷闭环矢量控制 艾默生TD3000变频器的PG卡是统一配置的，最高输入频率为120KHz，它与不同的编码器PG接线时，只需注意接线方式和跳线CN4。当跳线CN4位于DI侧时，可以选择编码器信号由A+、A－、B＋、B－差动输入（图6.4）或者A＋、B＋推挽输入（图6.6）；当跳线CN4位于OCI侧时，可以选择编码器信号由A－、B－开路集电极输入（图6.5）。

项目六造纸收卷闭环矢量控制 图6.4 差动输出编码器接线图

项目六造纸收卷闭环矢量控制 图6.5 集电极开路输出编码器（加上虚线为电压型输出编码器）接线图

项目六造纸收卷闭环矢量控制 图6.6 推挽输出编码器接线图

项目六造纸收卷闭环矢量控制 在变频器的参数组中对于编码器PG都有比较严格的定义，这些定义包括：（1）编码器PG每转脉冲数。此参数可以查看编码器本身的技术指标，单位为PPR。（2）编码器PG方向选择。如果变频器PG卡与编码器PG接线次序代表的方向，和变频器与电动机连接次序代表的方向匹配，设定值应为正向，否则为反向。必须注意当方向选择错误时，变频器将无法加速到你所需要的频率，并报过流故障或编码器反向故障。更改此参数可方便地调整接线方向的对应关系，而无须重新接线。

项目六造纸收卷闭环矢量控制 图6.7中所示为安川VS G7变频器的编码器PG方向选择示意。编码器PG从输入轴看时顺时针方向CW旋转时，为A相超前，另外，正转指令输出时，电动机从输出侧看时逆时针CCW旋转。然而，一般的编码器PG在电动机正转时，安装在负载侧时为A相超前，安装在负载相反时B相超前。

项目六造纸收卷闭环矢量控制 图6.7 编码器PG的方向选择

项目六造纸收卷闭环矢量控制 （3）编码器PG断线动作。如果编码器PG断线（即PGO），变频器将无法得到速度反馈值，将立即报警并输出电压被关闭，电动机自由滑行停车，在停车过程中，故障将无法复位，直到停机为止。（4）编码器PG断线检测时间。一般为10秒以下，以确认在此时间内编码器PG的断线故障是否持续存在。（5）零速检测值。本参数是为了检测编码器PG断线而定义的功能，当设定频率大于零速检测值，而反馈速度小于零速检测值，并且持续时间在编码器PG断线检测时间参数以上，则变频器确认为编码器PG断线故障（PGO）成立

项目六造纸收卷闭环矢量控制 （6）编码器PG与电动机之间的齿轮齿数。本参数是为了适应编码器安装在齿轮电动机上的情况，可设定齿轮齿数。电动机转速公式由以下可以得出：电动机速度（RPM）=（从编码器PG输入的脉冲数×60）×（负载侧齿轮齿数 / 电动机侧齿轮齿数）/编码器PG的每转脉冲数（7）检出电动机的过速度。电动机超过规定以上的转速时，检出故障。通常设定100％～120％的最大频率为检出过速度的基准值，如果在预定的时间内频率持续超出该值，则定义为电动机过速度故障（OS）。如发生该故障，变频器自由停车。（8）检出电动机和速度指令的速度差。我们定义电动机的实际速度和设定速度的差值为速度偏差，如果在一定的时间内其速度偏差值持续超出某一范围值（如10％时），则检出速度偏差过大（DEV）。如发生该故障，变频器可以按照预先设定的故障停机方式停机。

项目六造纸收卷闭环矢量控制 3、闭环矢量控制与闭环V/f控制的区别闭环矢量控制与闭环V/f控制在安装编码器PG上有共同点，而且都有类似的PID环以及相应的参数设置，好像给人一种雷同的感觉。但两者存在着很大的区别，主要一点在于前者是矢量控制，而后者属于传统的V/f控制。我们对比一下闭环矢量控制与闭环V/f控制的原理框图，如图6.8、图6.8中所示。矢量控制时的速度控制ASR是把速度指令和速度反馈信号进行差值比较，然后进行PI控制后，经过一定的滤波时间，再经过转矩限定，输出转矩电流，进入转矩环控制；而闭环V/f控制是将速度指令和速度反馈信号的偏差调为零，PID的结果只是去直接控制变频器的频率输出。

项目六造纸收卷闭环矢量控制 图6.8 闭环矢量控制原理框图

项目六造纸收卷闭环矢量控制 图6.9 闭环V/f控制原理框图

项目六造纸收卷闭环矢量控制 除了控制原理上的区分外，闭环矢量控制与闭环V/f控制还有以下几点不同：（1）控制精度不同。闭环矢量控制的速度控制精度能达到0.05％，而闭环V/f控制则只有0.5％（相当于无传感器矢量控制的水平）。（2）启动转矩不同。闭环矢量控制的启动转矩可达到200％/0Hz，而闭环V/f控制则只有180％/0.5Hz。（3）安装方式不一样。闭环矢量控制的编码器安装要求非常严格，必须与电动机或者齿轮电动机的轴一致；而闭环V/f控制则可以安装再传动点的任意一个位置。（4）编码器选型不一样。带速度传感器矢量的编码器要求比较严格，通常都要求二相输入；而闭环V/f控制则可以只要求一相输入，甚至可以用高性能接近开关替代。（5）编码器断线停机方式不一样。

项目六造纸收卷闭环矢量控制 6.2.2 变频器的转矩控制原理 1、基本概念采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配，而且可以控制异步电动机产生的转矩。 2、转矩控制功能结构转矩控制根据不同的数学算法其功能结构也不同，图6.10是一种典型的采用矢量方式实现的转矩控制功能框图。先是根据转矩设定值计算出转差频率，并与变频器获得的反馈速度（一般用编码器PG）或是直接推算的电动机速度相加，在速度限制下输出同步频率。很显然，在转矩控制方式下，速度调节器ASR并不起直接作用，也无法控制速度。

项目六造纸收卷闭环矢量控制 图6.10 转矩控制功能框图

项目六造纸收卷闭环矢量控制 转矩分正向转矩和反向转矩，其设定可以通过模拟量端子的电平来决定，该转矩方向与运行指令的方向（即正转和反转）无关。当模拟量信号为0~10V时，为正转矩，即电动机正转方向的转矩指令（从电动机的输出轴看是逆时针转）；当模拟量信号为－10V~0时，为负转矩，即电动机反转方向的转矩指令（从电动机的输出轴看是顺时针转）。 3、转矩控制和速度控制的切换由于转矩控制时不能控制转速的大小，所以，在某些转速控制系统中，转矩控制主要用于起动或停止的过渡过程中。当拖动系统已经起动后，仍应切换成转速控制方式，以便控制转速。切换的时序图如图6.11所示。

项目六造纸收卷闭环矢量控制 图6.11 转矩控制和转速控制的时序图

项目六造纸收卷闭环矢量控制 (a) t1时段：变频器发出运行指令时，如未得到切换信号，则为转速控制模式。变频器按转速指令决定其输出频率的大小。同时，可以预置转矩上限; (b) t2时段：变频器得到切换至转矩控制的信号(通常从外接输入电路输入)，转为转矩控制模式。变频器按转矩指令决定其电磁转矩的大小。同时，必须预置转速上限； (c) t3时段：变频器得到切换至转速控制的信号, 回到转速控制模式； (d) t4时段：变频器再次得到切换至转矩控制的信号, 回到转矩控制模式； (e) t5时段：变频器的运行指令结束，将在转速控制模式下按预置的减速时间减速并停止。

项目六造纸收卷闭环矢量控制 4、转矩控制与限转矩功能图6.12 转矩限制功能图

项目六造纸收卷闭环矢量控制 对于转矩限值的设定，必须注意以下几点： 1、转矩极限功能起动时，应转矩控制优先，所以电机转速的控制与修正为无效。因此会有增加价减速时间、电机转速降低的现象发生。 2、在升降负载使用转矩极限时，请勿随意降低转矩极限值，会有落下和滑落的危险。 3、转矩极限的精度，在输出频率10Hz以上时可以达到±5％，输出频率低于10 Hz时精度会有所降低。

项目六造纸收卷闭环矢量控制 6.2.3 ABB变频器的DTC方式 1、基本概念在大部分ACS800的使用场合选择DTC直接转矩控制方式，而V/f控制方式则适合于不能使用直接转矩控制的一些特殊场合，在下述情况下推荐使用V/f控制方式： 1）用在电动机数可变的和多台电动机的场合，如负载不是由两台电动机均衡负担的、电动机功率不同； 2）当电动机的额定电流小于ACS800变频器额定输出电流的六分之一； 3）变频器无电动机连接，用于测试目的时； 4）变频器驱动变频器负载时，即变频器的输出侧接升压或降压变压器，而变压器后再接电动机的； 5）在电动机进行识别之后准备更换电动机的。

项目六造纸收卷闭环矢量控制 2、DTC直接转矩控制的速度控制性能 ABB的ACS800能够对速度进行精确的控制，根据不同的速度精度可以选择无脉冲编码器和有脉冲编码器两种，表6.1给出了在使用DTC直接转矩控制时的典型速度性能指标。表6.1 直接转矩控制速度性能指标

项目六造纸收卷闭环矢量控制 其中动态速度误差依赖于速度控制器的参数整定，图6.13为动态速度响应曲线。

项目六造纸收卷闭环矢量控制

项目六造纸收卷闭环矢量控制 3、DTC直接转矩控制的转矩控制性能表6.2 直接转矩控制转矩性能指标

项目六造纸收卷闭环矢量控制 6.2.4 典型的张力控制系统图6.15所示为典型的张力控制收卷和放卷示意图。图6.15张力控制收卷和放卷示意图 1－电机2-磁粉离合器3-收卷芯4-传动轮5-张力检测辊 6-荷重传感器7-放卷芯8-磁粉制动器9-自动张力控制仪10-控制器

项目六造纸收卷闭环矢量控制 1、张力传感器和张力信号常见的张力传感器主要有以下几种：（1）承座式张力传感器 a、压磁式图6.16张力传感器的测量原理和工作原理 a)张力分析 b)不受力时的张力传感器 c) 不受力时的张力传感器 b、压敏电阻 c、板簧式微位移张力传感器（2）浮辊式(DancerArm)张力检测方式 a、浮辊/反馈复合式张力检测方式 b. 由卷径得出的张力检测方式

项目六造纸收卷闭环矢量控制 2、张力控制与变频（1）张力控制原理以造纸机的张力控制为例，在图6.17a的张力控制示意图中，传动电机M的张力实际值是位于它前面的张力传感器的实际值。通过检测该处的张力情况，来控制传动电机M的速度，从而形成一个张力闭环。电机M的速度加快，则纸幅拉紧，张力的实际值就会上升；相反，速度降低，则纸幅松垂，张力的实际值就下降。图6.17张力控制示意图 a)造纸机张力控制 b)张力控制原理

项目六造纸收卷闭环矢量控制 （2）张力控制软件流程 a、读取张力设定值图6.18 张力控制软件流程图 b、读取张力实际值 c、张力控制投入判断 d、张力PID控制模块 e、显示张力设定实际 f、分析效果信息提示

项目六造纸收卷闭环矢量控制 6.3 技能训练一：变频器A700矢量控制与转矩控制 6.3.1 A700变频器的编码器接口卡FR-A7AP操作图6. 20 编码器接口卡FR-A7AP的正面

项目六造纸收卷闭环矢量控制 2、FR-A7AP的端子分布（表6.2所示）表6.2 FR-A7AP的端子分布 3、SW1和SW2跳线设置 PLG规格选择开关（SW1）进行差动线驱动器、互补的选择。初始状态为差动线驱动器。终端电阻选择开关（SW2）进行内部终端电阻的ON/OFF的选择。PLG输出类型为差动线驱动器时请设成“ON”（初始状态），为互补时请设成“OFF”。

项目六造纸收卷闭环矢量控制 4、差动式和互补式编码器接线图6.21所示为差动式编码器接线，其中DC电源根据编码器型号选择5V或12V。图6.21 差动式编码器接线

项目六造纸收卷闭环矢量控制 与差动式接线不同，互补式接线相对简单，如图6.22所示。图6.22 互补式编码器接线

项目六造纸收卷闭环矢量控制 6.3.2 A700变频器闭环矢量控制的操作安装FR-A7AP并通过与带PLG的电机组合使用，可以实现闭环矢量控制运行，可以实现高响应、高精度的速度控制（零速控制和伺服锁定）、转矩控制、位置控制。闭环矢量控制主要适用于以下用途： ·在负荷变动较大的情况下想要使速度变动控制在最小范围内； ·需要低速大转矩时； ·防止转矩过大导致机械破损（转矩限制）； ·想要实施转矩控制、位置控制； ·在电机轴停止状态下产生转矩的伺服锁定控制。与闭环矢量控制相关的参数设置主要如表6.3所示。表6.3 与闭环矢量控制相关的参数设置

项目六造纸收卷闭环矢量控制

项目六造纸收卷闭环矢量控制 通过矢量控制实时推测电机运行时的转矩指令与由旋转速度对电机的负荷惯性比（负荷惯性力矩），同时由负荷惯性比和应答性自动设定速度控制、位置控制的最合适的增益，减轻了增益调整的时间。由于负荷惯性较大、或存在齿轮间隙等发生了振动、噪音等不良现象时，或是想让机械发挥出最佳的性能时，可以通过手工输入来进行增益调整。具体参数设置如表6.4所示。表6.4 增益调整

项目六造纸收卷闭环矢量控制 6.3.3 A700变频器闭环矢量速度控制的过程安装FR-A7AP并通过与带PLG的电机组合使用，可以实现闭环矢量控制运行，可以实现高响应、高精度的速度控制（零速控制和伺服锁定）、转矩控制、位置控制。图6.23 闭环矢量速度控制

项目六造纸收卷闭环矢量控制 6.3.3 A700变频器闭环矢量转矩控制的过程闭环矢量转矩控制的过程如图6.24所示。

项目六造纸收卷闭环矢量控制 6.4 技能训练二：三菱张力控制器的设置与安装 6.4.1 三菱张力控制器LE-30CTA概述在造纸、印刷、纺织、食品等工业中，我们经常需要加工、处理一些如纸张、膜料、箔片、丝、线及布等长尺寸材料。为保持生产的品质、效率及可靠性，一套功能完备的张力控制系统（包括张力控制器、张力检测器、离合器及制动器）是必需的条件。图6.25所示为三菱张力控制器LE-30CTA的外观，它能解决变频器在张力控制中所遇到的大部分问题。

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