本發(fā)明涉及對(duì)印染機(jī)械的往復(fù)傳動(dòng)、并要求對(duì)印染原布進(jìn)行開環(huán)的張力進(jìn)行控制及線速度控制的方法及算法，通過放卷輥和收卷輥的變頻器之間直流母排并聯(lián)從而實(shí)現(xiàn)了放卷輥一側(cè)的發(fā)電狀態(tài)下，電機(jī)能量回饋給收卷輥一側(cè)的電動(dòng)狀態(tài)的電機(jī)使用，整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不僅降低了控制設(shè)備的投資成本，也極大程度的降低了印染機(jī)在營運(yùn)階段的電量成本。

背景技術(shù)：

隨著自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展，印染機(jī)對(duì)電氣控制的要求越來越高，因?yàn)橛∪竟に囈髮?duì)布匹的線速度及張力需要保證一定的精度，才能印染出合格的布匹。印染機(jī)上的原布匹需要反復(fù)來回進(jìn)行印染，每個(gè)卷輥既要作為放卷輥又要作為收卷輥，因此，傳動(dòng)系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)幾個(gè)難點(diǎn)：1、兩個(gè)卷輥在運(yùn)行時(shí)直徑會(huì)時(shí)時(shí)發(fā)生變化導(dǎo)致線速度會(huì)發(fā)生變化，速度不恒定，就導(dǎo)致了布匹印染的不均勻而發(fā)生質(zhì)量問題；2、當(dāng)卷輥?zhàn)鳛榉啪磔佭\(yùn)行時(shí)，處于發(fā)電狀態(tài)，涉及到能量回饋的問題，通過變頻器驅(qū)動(dòng)很容易會(huì)發(fā)生跳閘的故障；3、放卷輥對(duì)布匹張力控制精度不夠，導(dǎo)致布匹拉伸不均勻和線速度不問題。4、張力傳感器價(jià)格非常昂貴，在激烈的市場競爭的環(huán)境下，只能舍棄張力傳感器實(shí)行張力開環(huán)控制，但采用張力開環(huán)控制，會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致張力控制的精度不高。這些難點(diǎn)都決定了對(duì)印染機(jī)械控制的復(fù)雜性。目前，市場上的印染機(jī)還沒有一套行之有效的辦法來解決這些問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明內(nèi)容是通過設(shè)計(jì)出一種有效的傳動(dòng)控制方案和線速度控制算法及張力的開環(huán)算法解決了印染機(jī)控制所存在的問題，并且大大降低了系統(tǒng)運(yùn)行所需要的電量。

為解決上述問題，本發(fā)明采用如下方案：

一種對(duì)印染機(jī)械的張力開環(huán)控制及傳動(dòng)控制的設(shè)備組成及工作方法，硬件設(shè)備由兩臺(tái)變頻器、兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)、一臺(tái)PLC控制器、一臺(tái)觸摸屏、一根收卷輥和一根放卷輥組成，在收卷輥和放卷輥之間設(shè)置一根測速輥，測速輥上設(shè)置線速度傳感器，收卷輥、放卷輥和測速輥上分別設(shè)置一個(gè)光電編碼器，兩臺(tái)變頻器采用分別獨(dú)立供電并且直流母排并聯(lián)的連接方式，PLC控制器負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的變頻器控制、傳感器數(shù)據(jù)采集和運(yùn)算、邏輯控制和張力及線速度控制算法計(jì)算。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)：

所述收卷輥的線速度控制算法分成兩部分，第一部分，計(jì)算出空卷卷輥的轉(zhuǎn)速，根據(jù)物理學(xué)原理：

F1＝P*n*Ls/(2*3.14*r)-----------------------------①

其中F1為空卷輥轉(zhuǎn)速；P為電機(jī)極對(duì)數(shù)；n為減速箱減速比；Ls為設(shè)定線速度；r為空卷輥徑；

第二部分，收卷輥逐漸增大，勢必需要收卷輥的轉(zhuǎn)速減少，減少量是通過PID控制算法來計(jì)算：

F2＝Kp*[(Ls-Lp)+1/Ti*∫(Ls-Lp)dt+Td*(Ls-Lp)/dt]---------------②

②為PID算法公式，其中F2為空卷輥直徑變大轉(zhuǎn)速減少量；Kp為PID比例系數(shù)；Ti為積分系數(shù)；Td微分系數(shù)；Ls為設(shè)定線速度；Lp為反饋線速度；

從①、②得出：

F＝F1-F2---------------------------------------------------------③

公式③最終收卷輥為保持設(shè)定線速度Ls的轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式。

所述放卷輥對(duì)布匹的張力控制，是以高性能變頻器采用了磁場定向矢量控制，即對(duì)解耦出來的磁場電流和轉(zhuǎn)矩電流分別進(jìn)行控制，達(dá)到和直流電機(jī)相近的控制效果，

其中，放卷輥的轉(zhuǎn)矩電流I＝I_T+I_FC+I_Fω+I_JC+I_Jω------------------------④

其中I_T：張力電流，根據(jù)電機(jī)原理I_T＝T x R/(KΦ)---------------------⑤

其中R為當(dāng)前放卷輥的輥徑R＝P*n*Lp/(2*3.14*F)--------------------⑥

T為布的張力，，KΦ為電機(jī)系數(shù),F為放卷輥反饋轉(zhuǎn)速；P為電機(jī)極對(duì)數(shù)；n為減速箱減速比；Lp為反饋的線速度；

I_FC：低速空載下克服摩擦力的電流；

I_Fω：可變的空載的摩擦電流，和速度成比例關(guān)系；

IJC:空載加減速電流，IJC＝JC X 1/KΦX dω/dt--------------------⑦

其中Jc為空載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，dω/dt角加速度；

IJω：帶負(fù)載后加減速電流；

IJω＝1/2xПxρx L x(R²)²x dωreel/dt x 1/KΦ-------------⑧

其中ρ為布的密度；L為布的幅寬；R為當(dāng)前輥徑，dωreel/dt當(dāng)前輥角加速度。

所述測速輥設(shè)置在收卷輥和放卷輥的正中間。

本發(fā)明的技術(shù)效果在于：

收卷輥和放卷輥均由高性能變頻器驅(qū)動(dòng)，能解決布匹張力控制的精度；且兩個(gè)變頻器之間采用直流母排并聯(lián)，和現(xiàn)有技術(shù)中變頻器之間僅相互獨(dú)立供電相比，直流母排并聯(lián)能實(shí)現(xiàn)能量共享，這樣就能有效解決能量回饋造成變頻器跳閘問題；在收卷輥和放卷輥之間，安裝測速輥，其作用是：布匹經(jīng)過測速輥，從而帶動(dòng)測速輥轉(zhuǎn)動(dòng)，線速度傳感器就是通過檢測測速輥的轉(zhuǎn)速并乘以測速輥的輥徑，就得出了測速輥的線速度，由于測速輥是被布匹帶動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)的，兩者的線速度是相同的，所以測速輥的線速度就是布匹線速度，就能精確測量線速度來從而控制線速度的穩(wěn)定；通過設(shè)置一臺(tái)PLC控制器和一個(gè)觸摸屏，能負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的變頻器控制、傳感器數(shù)據(jù)采集和運(yùn)算、邏輯控制和張力及線速度控制算法計(jì)算，觸摸屏作為系統(tǒng)的人機(jī)界面，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)視和參數(shù)設(shè)定；獨(dú)特的開環(huán)張力控制算法和線速度控制算法是保證在無張力傳感器下張力控制的精度和線速度精度。

附圖說明

圖1為本系統(tǒng)設(shè)置方案圖。

圖2為本系統(tǒng)線中轉(zhuǎn)矩和張力、放卷半徑三者之間的比例關(guān)系圖。

其中：1.收放卷輥 2.測速輥 3.變頻器 4.觸摸屏 5.PLC控制器 6.R1電阻

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步說明。

如圖1和圖2所示，

一種對(duì)印染機(jī)械的張力開環(huán)控制及傳動(dòng)控制的設(shè)備組成及工作方法，硬件設(shè)備由兩臺(tái)變頻器(3)、兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)(7)、一臺(tái)PLC控制器(5)、一臺(tái)觸摸屏(4)、一根收卷輥(1)和一根放卷輥(1)組成，在收卷輥(1)和放卷輥(1)之間設(shè)置一根測速輥(2)，測速輥上設(shè)置線速度傳感器，收放卷輥(1)和測速輥(2)上分別設(shè)置一個(gè)光電編碼器，兩臺(tái)變頻器(3)采用直流母排并聯(lián)的連接方式，PLC控制器(5)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的變頻器控制、傳感器數(shù)據(jù)采集和運(yùn)算、邏輯控制和張力及線速度控制算法計(jì)算。

收卷輥(1)的線速度控制算法分成兩部分，第一部分，計(jì)算出空卷卷輥的轉(zhuǎn)速，根據(jù)物理學(xué)原理：

F1＝P*n*Ls/(2*3.14*r)-----------------------------①

其中F1為空卷輥轉(zhuǎn)速；P為電機(jī)極對(duì)數(shù)；n為減速箱減速比；Ls為設(shè)定線速度；r為空卷輥徑；

第二部分，收卷輥(1)逐漸增大，勢必需要收卷輥的轉(zhuǎn)速減少，減少量是通過PID控制算法來計(jì)算：

F2＝Kp*[(Ls-Lp)+1/Ti*∫(Ls-Lp)dt+Td*(Ls-Lp)/dt]---------------②

②為PID算法公式，其中F2為空卷輥直徑變大轉(zhuǎn)速減少量；Kp為PID比例系數(shù)；Ti為積分系數(shù)；Td微分系數(shù)；Ls為設(shè)定線速度；Lp為反饋線速度；

從①、②得出：

F＝F1-F2---------------------------------------------------------③

公式③最終收卷輥為保持設(shè)定線速度Lp的轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式。

放卷輥(1)對(duì)布匹的張力控制，是以高性能變頻器采用了磁場定向矢量控制，即對(duì)解耦出來的磁場電流和轉(zhuǎn)矩電流分別進(jìn)行控制，達(dá)到和直流電機(jī)相近的控制效果，

其中，放卷輥(1)的轉(zhuǎn)矩電流I＝I_T+I_FC+I_Fω+I_JC+I_Jω-------------------④

其中I_T：張力電流，根據(jù)電機(jī)原理I_T＝T x R/(KΦ)---------------------⑤

其中R為當(dāng)前放卷輥的輥徑R＝P*n*Lp/(2*3.14*F)--------------------⑥

T為布的張力，，KΦ為電機(jī)系數(shù),F為放卷輥反饋轉(zhuǎn)速；P為電機(jī)極對(duì)數(shù)；n為減速箱減速比；Lp為反饋的線速度；

I_FC：低速空載下克服摩擦力的電流；

I_Fω：可變的空載的摩擦電流，和速度成比例關(guān)系；

IJC:空載加減速電流，IJC＝JC X 1/KΦ X dω/dt--------------------⑦

其中Jc為空載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，dω/dt角加速度；

IJω：帶負(fù)載后加減速電流；

IJω＝1/2xПxρx L x(R²)²x dωreel/dt x 1/KΦ-------------⑧

其中ρ為布的密度；L為布的幅寬；R為當(dāng)前輥徑，dωreel/dt當(dāng)前輥角加速度。

測速輥(2)設(shè)置在收卷輥(1)和放卷輥(1)的正中間。

印染機(jī)工藝要求染布需要來回的擺動(dòng)，這就決定了兩個(gè)卷輥(1)的控制方式隨時(shí)要發(fā)生變化。收卷輥(1)轉(zhuǎn)速度控制來保證系統(tǒng)的線速度，放卷輥的變頻器(3)采取轉(zhuǎn)矩控制來實(shí)現(xiàn)對(duì)張力的控制，并且控制角色隨時(shí)會(huì)發(fā)生變化，當(dāng)前的放卷輥(1)變成收卷輥(1)，當(dāng)前的收卷輥(1)變成放卷輥(1)。這些工藝特性決定了變頻器(3)的高性能要求，卷輥在收卷時(shí)，變頻器(3)處于第一象限內(nèi)的電動(dòng)狀態(tài)，需要變頻器(3)提供精確的轉(zhuǎn)速控制；卷輥在放卷時(shí)，變頻器(3)就處在第四象限內(nèi)部的發(fā)電狀態(tài)，需要變頻器(3)提供精確的轉(zhuǎn)矩控制來保證染布張力的恒定。

兩臺(tái)變頻器(3)采用直流母線并聯(lián)的方式連接，可以把放輥反饋回來的能量給卷輥用，能大量節(jié)省電能，假如反饋回來能量多余或?yàn)榱丝焖僦苿?dòng)，可以在其中一臺(tái)變頻器(3)加一制動(dòng)電阻(6)，其中一臺(tái)變頻器(3)內(nèi)置制動(dòng)單元。

為了精確地控制系統(tǒng)、發(fā)揮變頻器的磁場定向轉(zhuǎn)矩控制性能，通過光電編碼器信號(hào)把放卷輥或者收卷輥的轉(zhuǎn)速信號(hào)反饋到變頻器，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

布匹的張力控制采用開環(huán)控制。轉(zhuǎn)矩和張力、放卷的半徑成一定的比例關(guān)系，張力的控制，最終就是放卷電機(jī)二四象限內(nèi)的轉(zhuǎn)矩控制。

在項(xiàng)目實(shí)施中，控制系統(tǒng)由一臺(tái)PLC控制器(5)、一臺(tái)觸摸屏(4)、兩臺(tái)變頻器(3)、兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)(7)、三個(gè)速度傳感器組成，兩臺(tái)變頻器(3)分別用三相交流電源供電且之間采用直流母線進(jìn)行并接，即兩者的正極之間和負(fù)接之間相連，其中一臺(tái)變頻器(3)接有R1電阻(6)。在PLC控制程序里，把一些基本數(shù)據(jù)如電機(jī)極對(duì)數(shù)、空卷輥徑、減速箱減速比、低速空載下克服摩擦力的電流、空載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等參數(shù)(設(shè)備定下來，這些參數(shù)就基本不變了)輸入到數(shù)據(jù)庫里，新布卷的直徑、印染的線速度、需要的張力大小、往復(fù)次數(shù)等參數(shù)的數(shù)據(jù)通過觸摸屏(4)設(shè)定。

當(dāng)一卷待染的布匹吊裝到其中一個(gè)卷輥后，裝有布卷的的卷輥為放卷輥(1)，需要進(jìn)行布匹的張力控制；另一卷輥為收卷輥(1)，需要進(jìn)行線速度控制。PLC控制器(5)調(diào)用①、②、③線速度算法對(duì)收卷輥(1)進(jìn)行線速度控制，同樣，PLC控制器(5)調(diào)用④、⑤、⑥、⑦、⑧張力算法對(duì)放卷輥(1)進(jìn)行張力控制。變頻器(3)在驅(qū)動(dòng)放卷輥(1)時(shí)，電機(jī)處于第四象限運(yùn)行范圍內(nèi)，屬于發(fā)電狀態(tài)，會(huì)產(chǎn)生能量回饋；變頻器(3)在驅(qū)動(dòng)放卷輥(1)時(shí)，電機(jī)處于第一象限運(yùn)行范圍，屬于電動(dòng)狀態(tài)，需要消耗能量，放卷輥?zhàn)冾l器(3)回饋的能量通過直流母線提供給了收卷輥(1)，能量基本上處于自給狀態(tài)，只需要少部分的外部電源能量。在緊急停車時(shí)候，由于快速制動(dòng)，有一部分能量來不及自我消耗，就通過R1電阻(6)發(fā)熱消耗，避免了變頻器(3)跳閘現(xiàn)象。同理，當(dāng)往復(fù)運(yùn)行時(shí)，原先的收卷輥(1)就變成放卷輥(1)了，放卷輥(1)變成了收卷輥(1)，PLC控制器(5)就按照上述原理進(jìn)行線速度和張力控制。

以上所舉實(shí)施例為本發(fā)明的較佳實(shí)施方式，僅用來方便說明本發(fā)明，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制，任何所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者，若在不脫離本發(fā)明所提技術(shù)特征的范圍內(nèi)，利用本發(fā)明所揭示技術(shù)內(nèi)容所作出局部改動(dòng)或修飾的等效實(shí)施例，并且未脫離本發(fā)明的技術(shù)特征內(nèi)容，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)特征的范圍內(nèi)。