带制动能量回馈单元的放卷 张力控制系统

图 4 张力控制回路的动态模型框图 Fig. 4 The dynamic model diagram of tension cont rol loop
当张力调节器 A TR 选如下的 PI 调节律时 ,
可按典型 I 系统的最佳整定方法得其参数整定公
式 。其中的 r3 为基准半径 ( m) , kr 为 A TR 的参
如何将放卷过程的制动能量回馈给电网以达到节
能的目的 ,将具有重要的意义 。
本文提出Biblioteka Baidu种以运行于力矩方式的印制绕组
直流伺服电机作为卷绕物放卷张力系统的执行元
件 ,在提高放卷张力动 、静态控制性能的同时 ,还 能将电机制动过程产生的能量回馈到电网实现节
能控制的新型放卷张力控制系统 。
2 基于能量回馈的放卷张力控制系
图 5 中的 4 个 I GB T ( S1 ～ S4 ) 工作于单极性 的 SPWM 调制方式 ,并采用平均对称的规则采样
电气传动 2009 年 第 39 卷 第 6 期
法 ,对应的 4 个 I GB T 的开关控制规律如表 1 所 示 ,其中的 us 为调制波信号 ( V) , uca 为三角载波 (V) 。
EL ECTRIC DRIV E 2009 Vol. 39 No . 6
电气传动 2009 年 第 39 卷 第 6 期
带制动能量回馈单元的放卷 张力控制系统
陈德传 ,张奇松 (杭州电子科技大学 智能控制与机器人研究所 ,浙江 杭州 310018)
摘要 :目前卷绕物放卷张力控制元件一般采用磁粉制动器 ,动态性能欠佳且工作于耗能型制动方式 ,为降 低此类设备的耗电量 ,进一步提高张力控制性能以满足高速生产的要求 ,提出一种运行于力矩控制方式的印 制绕组直流伺服电机式放卷张力控制系统 ,该系统能将电机制动能量回馈给电网以达到节能的目的 。介绍了 该系统的组成原理与设计方法 ,以及能适应于卷径大范围变化的张力自整定控制方法 ,并简介了系统实现技 术 ,该系统具有很好的应用前景 。
决定的负载电流 ( A) ,ΔI 为由机械摩擦力矩及惯
性矩等决定的附加损耗电流 ( A) , Es 为感应电动 势 (V) , Ks 和 Ts 分别为 DC/ DC 装置的放大系数 和时间常数 , R 为电枢回路总电阻 (Ω) , Tl , Tm 分 别为电枢回路电磁时间常数 ( s) 和系统的机电时 间常数 ( s) , Cm 为电机力矩常数 ( N ·m/ A) ,β为电 流反馈系数 ( V/ A) , Toi 为滤波时间常数 ( s) 。
磁粉制动器具有控制简单 、应用方便等特点 , 但其制动力矩与励磁电流间呈非线性关系 ,在要 求高精度控制的场合 ,一般采用非线性补偿的方 法[2] 。再者 ,磁粉制动器动态响应较慢 ,使得它在 高速卷绕的应用场合中难以满足要求[3] ,此外 ,磁 粉制动器属于耗能式元件 ,且一般还需采取散热
措施[4] 。因此 ,在研究提高张力控制性能的同时 ,
αCm β
·U i
UF
(10)
式 (10) 表明 :可利用电枢电流反馈信号 U i , 张力
反馈信号 U F 来估算卷绕物的放卷半径 。此外 ,
式 (6) 在编程中实际上采用抗积分饱和的 PI 控制
算法[8 ] 。
4 DC/ AC 能量回馈单元的控制与 仿真
能量回馈单元的主电路采用如图 5 所示的 H 桥式 PWM 有源逆变电路 ,通过控制回馈电流 IN 的幅值和相位[9 ,10 ] ,可实现高功率因数的制动能 量回馈控制的目的 。
关键词 :能量回馈 ;放卷张力 ;电机控制 ;节能 ;卷绕物 中图分类号 : TP29 文献标识码 :A
Un winding Tension Control System with Braking Energy Feedback Unit C H EN De2chuan , ZHAN G Qi2song
数自动修正系数 。因限于篇幅 ,此处不对图 1 中
的速度 张力协调问题展开分析 。
W A TR ( s)
=
Kf (τf s + 1) τf s
(6)
τf = 2 T ∑i
(7)
Kf
=αβTTof
∑i
Cm
r
=αβTTof
∑i
Cm
r 3 ·kr
(8)
kr
=
r r3
≈
r
r
3
(9)
r≈
T F
=
U iU·FC/αm /β=
号进行估算
。U
3 v
还可对 A TR 的工作进行使能
控制及变速中对张力的动态补偿控制 。
能量回馈控制单元框图如图 2 所示 ,其中的
DC/ AC 变换器可实现能量的双向流动 ,当直流母
线电压过高时启动有源逆变 ,并通过采集的同步
信号来控制回馈电流的相位 ,以实现高功率因数
的能量回馈控制 。
图 2 能量回馈控制单元框图 Fig. 2 The energy feedback unit diagram
当 ACR 选如下的 PI 调节律 ,并将图 3 所示的系
统模型作工程化处理及按典型 I 系统的最佳参
数整定[5 ,6] 后 ,可得图 3 所示系统的等效传递函
数为
W ACR ( s)
=
Ki (τi s + 1) τi s
(2)
Id
U
3 i
( s) ( s)
≈ 2
1/β T ∑is +
1
(3)
T = Cm Id
回馈功率 Pf 的大小主要由张力 F 和转速 v 决定 ,如下式 :
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Pf =η1η2 Fv
(1)
式中 :η1 为电力电子变流器的效率 ;η2 为电机及
传动机构的效率 。
3 F - I 双闭环控制回路的分析与 设计
3. 1 制动力矩控制回路的分析
通过控制放卷电机的电枢电流可实现对放卷
制动力矩的控制 , 基于他励直流电机的制动力矩
( Intelli gence & Robotics Institute , Hangz hou Dianz i Universit y , Hangz hou 310018 , Zhej iang , China) Abstract :Current unwinding tensio n cont rol systems generally use magnetic powder brake , which has poor dynamic performance and is belo nged to energy2co nsuming type of brake. In order to reduce t he energy2co n2 sumption of t hese devices and f urt her imp rove t he co nt rol capability to meet t he requirement s of high2speed p roductio n , a unwinding tension co nt rol system which runs in to rque2cont rolling met hod and use DC servo mo2 tor as it s′executant was p ropo sed. The system is able to feedback t he brake energy to power grids. System′s p rinciple , design met hod and tension cont rol fo r wide range variation of web radius were int roduced. Realizing technologies were simply int roduced. The system has good applicatio n p ro spect s. Key words :energy feedback ;unwinding tensio n ;motor co nt rol ;energy saving ;winding
图 5 H 桥式 PWM 有源逆变电路图 Fig. 5 H Bridge PWM active inverter circuit
表 1 单极性 SPWM 调制的开关控制规律表 Tab. 1 The switch cont rol regulation table
under unipolar SPWM modulation
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陈德传 ,等 :带制动能量回馈单元的放卷张力控制系统
Ud3 为 DC/ DC 的 PWM 变换器供电电压设定值 。
图 1 带能量回馈单元的放卷张力控制系统框图 Fig. 1 The unwinding tension cont rol system diagram wit h energy feedback unit
图 3 制动力矩控制回路的动态模型框图 Fig. 3 The dynamic model diagram of braking torque cont rol loop
在图 3 中 ,由于薄膜类卷绕物的厚度很薄 ,由
卷径变化及动态速度变化决定的惯性力矩及动态
附加力矩等所占的分量较小 ,其对应的等效附加 电枢电流分量 ΔI 也较小 , 故暂 不考 虑其 影响 。
us > 0 S1 通 ,S2 断
us > uca
us < uca
us < 0 S1 断 ,S2 通
us > uca
us < uca
S3 断 S4 通 Uo = Ud
S3 通 S4 断 Uo = 0
S3 断 S4 通 Uo = 0
S3 通 S4 断 Uo = - Ud
在电源电压为 220 V 、电源频率为 50 Hz 、滤 波电感为 3 m H 、开关频率为 10 k Hz 、DC 端电压 为 240 V 时 ,利用 Matlab/ Simulink[11] 对能量回 馈单元进行仿真 ,得电网电压和回馈电流的波形 如图 6 所示 ,仿真结果表明 :该能量回馈单元的功 率因数接近于 1 ,且回馈电流的谐波成分很小 。
回路的动态模型框图如图 3 所示 。图 3 中 , ACR
为电流调
节
器
,
U
3 i
,Ui
分别为电流设定信号 ( V)
与反馈信号 (V) , Uc 为 H 桥式 PWM 变换器的控
制电压 ( V) , Ud 为电枢电压 ( V) , Id , IL 分别为电
枢电流 、等效综合负载电流 (A) , IL0 为由带材张力
(4)
T ∑i = Toi + Ts
(5)
陈德传 ,等 :带制动能量回馈单元的放卷张力控制系统
3. 2 自整定张力调节器的设计
综述分析得图 1 系统中的放卷张力控制回路
的等效动态模型框图如图 4 所示 。其中的 A TR
为张力调节器
,U
3 F
,U F
分别为张力设定值 (V) 与
反馈 值 ( V ) ,α为 张 力 反 馈 系 数 ( V/ N ) , Tof 为
A TR 滤波时间常数 ( s) , T 为输出力矩 ( N ·m) ,
Δ T 为综合负载力矩 ( N ·m) , r 为放卷的卷半径
( m) , r为卷半径估计值 ( m) , F 为卷绕物放卷张力
(N) 。由于在 A TR 参数自整定中对 r的检测精度
要求不高 ,故暂不计Δ T 对r的影响[7] 。
统方案
带能量回馈单元的卷绕物放卷张力控制系统
框图如图 1 所示 。其中 ,DC/ AC 为 I GB T 智能功 率模块 , DC/ DC 为采用 IGB T 的 H 桥式 PWM
变换器
。U
3 v
为线
速
设
定
值
,
U
3 F
为张力设定值 ,
基金项目 :浙江省科技计划项目 (2006C31048) 作者简介 :陈德传 (1959 - ) ,男 ,高级工程师 , Email :chendechuan @hdu. edu. cn
图 1 中 ,卷绕物的线速度由进给电机 M2 决 定 ,而放卷过程的制动力矩由直流电机 M1 提供 。 ACR 为电流调节器 ,通过对电枢电流的控制来实
现对放卷制动力矩的控制 。为保持张力的恒定 ,
制动力矩必须随着卷半径 r 的变 化而变化。
A TR 为张力调节器 ,具有对卷径的自适应功能 ,
卷绕半径 r 由代表电机力矩的电枢电流与张力信
1 引言
在诸如塑料薄膜 、纺织物 、纸品 、箔带 、线缆及 可绕性管材等各类卷绕物生产过程中 ,需将经前 道工序加工的卷绕物以恒张力方式从料筒中放卷 出来 ,以供本工序的加工处理 。在此类生产设备 中 ,一般由进给辊将卷绕物从卷料筒中拉出 ,而放 卷轴常用被动式 ,为实现恒张力放卷控制而常用 磁粉制动器作为放卷张力控制的执行元件[1] 。