两种卷绕驱动方式张力控制分析综述
1 引言
卷绕是造纸、纺织、印染等行业生产中把半制品和成品按一定规律绕成各种卷装的工艺过程。卷绕的目的是便于制品的存储、运输和喂给下道工序加工。有时为了改变卷装容量、去除疵点和提高质量，还要进行再卷绕或复绕。为了获得卷材边缘平齐、卷筒密实的最佳卷绕效果，必须结合生产工艺和材料对张力控制的要求，选择合理经济、适合产品的卷绕驱动控制方式，保证卷绕过程张力稳定可控。
2 卷绕驱动控制系统组成
卷绕驱动方式有两种：即中心驱动卷绕和表面驱动卷绕。不管那种驱动方式其控制系统一般均由牵引辊传动控制系统；卷绕张力控制系统以及PLC 、操作台等部分组成。其中牵引辊传动控制系统由一对覆橡胶的轧辊、变频器和变频电机等组成，牵引辊的线速度即为车速，通过操作员面板设定后保持不变。卷绕张力控制系统由卷绕轴、变频器、变频电机、减速机等组成。对于表面驱动卷绕装置而言卷绕张力控制较为简单，对于中心驱动卷绕装置其卷绕张力控制相对要复杂一些。
3 表面卷绕张力控制系统
表面卷绕是通过驱动辊的摩擦力驱动待卷材料表面进行的收卷，是一种被动卷绕。卷绕控制原理如图1所示，它使用两根直径相同的卷绕辊驱动被卷材料，驱动辊分别采用变频器U2、U3控制变频电机和减速机，通过调节密度电位器R2，使两驱动辊表面产生速差，从而建立表面卷绕的基本张力控制模式，满足卷绕产品密实度，表面卷绕装置只能提供准恒定张力控制。
图1 表面卷绕控制原理图
表面卷绕中卷筒与两驱动辊间的摩擦力大小与卷筒的质量有关，并非常量；而摩擦力的大小影响卷筒打滑的程度，所以，当电动机转速恒定时，卷筒线速度也不可能完全不变，特别是在驱动辊表面磨光后或者在卷绕起始部分，由于卷筒与驱动辊间的摩擦力相对较小会出现打滑，其张力不易控制，这样会出现卷筒轴芯卷材不密实，而随着卷筒直径增大，卷筒垂直向上移动，卷筒重量也在不断增加，卷筒与驱动辊间获得较大的摩擦力，卷绕张力增大，如果速差调整不合适，就会将卷筒芯部卷材挤出，造成卷材端面不齐。为了得到均匀的卷绕张力，卷绕装置上常加有配重辊，该辊紧贴在卷筒轴顶部，采用气动或液压方式给卷筒轴施加垂直向下作用力，通过对配重辊压力大小自动调节，获得卷筒与两驱动辊表面理想的摩擦力，保证卷绕过程张力稳定，满足卷材密度和硬度要求，达到良好的卷绕效果。
由于表面卷绕靠的是表面摩擦接触作用卷绕卷材，卷筒与驱动辊间必须具有足够的摩擦力，所以驱动辊需定期更换所覆橡胶或草皮，表面不能太光滑。而对于某些织物表面卷绕的摩擦会损伤织物或产生静电，因此必须选用中心驱动卷绕方式。
4 中心卷绕张力控制系统
中心驱动卷绕由变频器控制电动机传动卷绕轴，通过加在卷绕轴上的旋转力完成卷绕过程。其控制系统原理如图2所示。
图2 中心卷绕控制原理图
图2中牵引辊驱动机构采用速度闭环控制卷绕过程的线速度，卷绕轴采用张力闭环控制驱动卷绕机构按预设张力曲线工作，保证卷绕过程张力控制达到最佳效果。速度闭环中浮动辊位置检测采用非接触式可变电阻，信号检测准确可靠，该信号作为速度附加信号与主给定速度叠加后送入牵引辊变频器1的AIN 端，对牵引辊速度进行调节控制。张力传感器把检测到卷材的张力反馈到PLC 的模拟量输入端，同时张力检测信号与变频器1的速度输出信号AOUT 叠加后送入变频器2中进行PID 调节，实现卷绕张力闭环控制。
中心卷绕张力控制方式有两种，即恒张力控制和锥度张力控制。从某种意义上讲恒张力控制是锥度张力控制的一种特殊情况。图3为锥度张力控制曲线，从中可以看出：张力设定=80%时，当锥度系数HW=100%，卷绕张力曲线为A ，卷绕过程中张力大小始终不变，即为恒张力控制；若锥度系数HW=50%，则卷绕到最大直径时，张力下降50%，理想卷绕曲线为B`，实际卷绕曲线接近B ；若锥度系数HW=0%，则卷筒到最大直径时张力将降到0(见曲线C 和C`)。
恒张力卷绕当卷筒直径变化时，必须保证转速n 与卷径D 成反比，且电机转矩M 变化与卷材卷径D 成正比，这样才能达到卷材里外紧度均匀。使用这种方式时，应注意卷绕结束时的转矩最大，要根据最大转矩和减速机的减速比来选择电动机的额定转矩。由于卷绕过程中，卷筒的直径在不断的变化，同时电动机传动机构及卷筒支承轴上的摩擦力矩Mm ，卷绕机构在加、减速过渡过程所需的动态力矩Md 及线速度v 也在变化，这些变化都会引起张力波动，为了获得织物恒定的表面张力，电动机输出电磁转矩MD 除了保证卷绕力矩Mf=FR(t)外，还需克服摩擦力矩Mm 、机械惯量等变化，也就是说在卷绕过程中需进行相应的动态转矩补偿、静态补偿及加速补偿等，以保证变频器2控制电机转速和转矩能自动适应跟随变化。
锥度张力控制在卷绕过程中转矩M 保持不变，随着卷径d 的逐渐增大，卷绕角速度ω相应降低，卷材张力F 相应减小，达到内紧外松的卷绕效果，这就是锥度张力控制原理。锥度张力控制方式实质上就是变频器的转矩控制模式，在卷绕驱动中，给定张力Fset ，线速度恒定Vline=
constant ，卷绕轴转速n 随着卷筒直径D 的增大而降低，卷材张力相应地减小，转矩模式正好满足这个要求。在转矩控制模式中，给定的是转矩，根据设定张力Fset 和卷材直径可以计算出变频器的转矩给定值
M = Fset×Dmin /2i
其中：M ——变频器转矩给定值(Nm)；
Fset ——张力设定值(N)；
Dmin ——最小卷径；
i ——机械传动比。
如果实际转矩低于给定转矩，则转速升高，否则，转速降低，整个卷绕过程速度在给定转矩对应速度的上下浮动。
由于锥度张力控制的是电机转矩，而在卷绕爬行阶段(卷材穿引过程及卷绕起始阶段) 材料是松弛的，卷轴上卷材张力很小，卷绕电机阻转矩几乎为零，如果电机仍处于转矩控制模式下，此时就要瞬间加速到最高转速，直到卷材绷紧，这时电机转速远远高于按当前线速度和卷径折算出来的理想速度，在绷紧瞬间必然对材料造成冲击，致使材料绷断。所以爬行阶段必须采用速度控制，也就是在卷取电机理想转速基础上叠加一个较小的附加给定，同时对电机的输出转矩限幅。当材料松弛时，电机处于速度控制模式，运行速度比理想速度略高一点，材料被逐渐绷紧不会产生瞬间冲击。待材料绷紧后，由于转矩限幅作用卷绕电机将无法达到给定速度，速度控制饱和退出，此时控制转矩限幅相当于电机的实际转矩。锥度张力卷绕控制中转矩基本恒定，所以不会损伤卷
轴。
图3 锥度张力曲线
图4为中心卷绕张力控制系统框图，为了实现卷绕张力平稳控制，提高张力闭环控制系统的动态性能，控制系统中变频器或检测传感器必须完成当前卷径计算或测量功能；PLC 根据卷绕直径的变化和卷绕过程加减速的变化，自动调整比值系数，进行动静态摩擦补偿和惯量补偿功能及参数信号自适应能力变化；并根据当前卷径和线速度计算出卷绕变频器的设定值，以控制卷绕电机达到理想转速，从而实现渐减张力控制或基本恒张力控制。
图4 中心卷绕张力控制系统框图
5 结束语
无论表面卷绕还是中心卷绕，其卷绕张力控制是产品成卷的关键。卷绕张力过大会造成织物拉伸变形甚至断裂；张力过小会出现卷筒松弛不密实；张力大小不稳定会造成卷筒松紧不一、端面不齐、出现分层等。因此，要获得好成卷质量，必须完善卷绕张力控制系统，实现张力控制的稳定性。
冯建修
两种卷绕驱动方式张力控制分析综述
1 引言
卷绕是造纸、纺织、印染等行业生产中把半制品和成品按一定规律绕成各种卷装的工艺过程。卷绕的目的是便于制品的存储、运输和喂给下道工序加工。有时为了改变卷装容量、去除疵点和提高质量，还要进行再卷绕或复绕。为了获得卷材边缘平齐、卷筒密实的最佳卷绕效果，必须结合生产工艺和材料对张力控制的要求，选择合理经济、适合产品的卷绕驱动控制方式，保证卷绕过程张力稳定可控。
2 卷绕驱动控制系统组成
卷绕驱动方式有两种：即中心驱动卷绕和表面驱动卷绕。不管那种驱动方式其控制系统一般均由牵引辊传动控制系统；卷绕张力控制系统以及PLC 、操作台等部分组成。其中牵引辊传动控制系统由一对覆橡胶的轧辊、变频器和变频电机等组成，牵引辊的线速度即为车速，通过操作员面板设定后保持不变。卷绕张力控制系统由卷绕轴、变频器、变频电机、减速机等组成。对于表面驱动卷绕装置而言卷绕张力控制较为简单，对于中心驱动卷绕装置其卷绕张力控制相对要复杂一些。
3 表面卷绕张力控制系统
表面卷绕是通过驱动辊的摩擦力驱动待卷材料表面进行的收卷，是一种被动卷绕。卷绕控制原理如图1所示，它使用两根直径相同的卷绕辊驱动被卷材料，驱动辊分别采用变频器U2、U3控制变频电机和减速机，通过调节密度电位器R2，使两驱动辊表面产生速差，从而建立表面卷绕的基本张力控制模式，满足卷绕产品密实度，表面卷绕装置只能提供准恒定张力控制。
图1 表面卷绕控制原理图
表面卷绕中卷筒与两驱动辊间的摩擦力大小与卷筒的质量有关，并非常量；而摩擦力的大小影响卷筒打滑的程度，所以，当电动机转速恒定时，卷筒线速度也不可能完全不变，特别是在驱动辊表面磨光后或者在卷绕起始部分，由于卷筒与驱动辊间的摩擦力相对较小会出现打滑，其张力不易控制，这样会出现卷筒轴芯卷材不密实，而随着卷筒直径增大，卷筒垂直向上移动，卷筒重量也在不断增加，卷筒与驱动辊间获得较大的摩擦力，卷绕张力增大，如果速差调整不合适，就会将卷筒芯部卷材挤出，造成卷材端面不齐。为了得到均匀的卷绕张力，卷绕装置上常加有配重辊，该辊紧贴在卷筒轴顶部，采用气动或液压方式给卷筒轴施加垂直向下作用力，通过对配重辊压力大小自动调节，获得卷筒与两驱动辊表面理想的摩擦力，保证卷绕过程张力稳定，满足卷材密度和硬度要求，达到良好的卷绕效果。
由于表面卷绕靠的是表面摩擦接触作用卷绕卷材，卷筒与驱动辊间必须具有足够的摩擦力，所以驱动辊需定期更换所覆橡胶或草皮，表面不能太光滑。而对于某些织物表面卷绕的摩擦会损伤织物或产生静电，因此必须选用中心驱动卷绕方式。
4 中心卷绕张力控制系统
中心驱动卷绕由变频器控制电动机传动卷绕轴，通过加在卷绕轴上的旋转力完成卷绕过程。其控制系统原理如图2所示。
图2 中心卷绕控制原理图
图2中牵引辊驱动机构采用速度闭环控制卷绕过程的线速度，卷绕轴采用张力闭环控制驱动卷绕机构按预设张力曲线工作，保证卷绕过程张力控制达到最佳效果。速度闭环中浮动辊位置检测采用非接触式可变电阻，信号检测准确可靠，该信号作为速度附加信号与主给定速度叠加后送入牵引辊变频器1的AIN 端，对牵引辊速度进行调节控制。张力传感器把检测到卷材的张力反馈到PLC 的模拟量输入端，同时张力检测信号与变频器1的速度输出信号AOUT 叠加后送入变频器2中进行PID 调节，实现卷绕张力闭环控制。
中心卷绕张力控制方式有两种，即恒张力控制和锥度张力控制。从某种意义上讲恒张力控制是锥度张力控制的一种特殊情况。图3为锥度张力控制曲线，从中可以看出：张力设定=80%时，当锥度系数HW=100%，卷绕张力曲线为A ，卷绕过程中张力大小始终不变，即为恒张力控制；若锥度系数HW=50%，则卷绕到最大直径时，张力下降50%，理想卷绕曲线为B`，实际卷绕曲线接近B ；若锥度系数HW=0%，则卷筒到最大直径时张力将降到0(见曲线C 和C`)。
恒张力卷绕当卷筒直径变化时，必须保证转速n 与卷径D 成反比，且电机转矩M 变化与卷材卷径D 成正比，这样才能达到卷材里外紧度均匀。使用这种方式时，应注意卷绕结束时的转矩最大，要根据最大转矩和减速机的减速比来选择电动机的额定转矩。由于卷绕过程中，卷筒的直径在不断的变化，同时电动机传动机构及卷筒支承轴上的摩擦力矩Mm ，卷绕机构在加、减速过渡过程所需的动态力矩Md 及线速度v 也在变化，这些变化都会引起张力波动，为了获得织物恒定的表面张力，电动机输出电磁转矩MD 除了保证卷绕力矩Mf=FR(t)外，还需克服摩擦力矩Mm 、机械惯量等变化，也就是说在卷绕过程中需进行相应的动态转矩补偿、静态补偿及加速补偿等，以保证变频器2控制电机转速和转矩能自动适应跟随变化。
锥度张力控制在卷绕过程中转矩M 保持不变，随着卷径d 的逐渐增大，卷绕角速度ω相应降低，卷材张力F 相应减小，达到内紧外松的卷绕效果，这就是锥度张力控制原理。锥度张力控制方式实质上就是变频器的转矩控制模式，在卷绕驱动中，给定张力Fset ，线速度恒定Vline=
constant ，卷绕轴转速n 随着卷筒直径D 的增大而降低，卷材张力相应地减小，转矩模式正好满足这个要求。在转矩控制模式中，给定的是转矩，根据设定张力Fset 和卷材直径可以计算出变频器的转矩给定值
M = Fset×Dmin /2i
其中：M ——变频器转矩给定值(Nm)；
Fset ——张力设定值(N)；
Dmin ——最小卷径；
i ——机械传动比。
如果实际转矩低于给定转矩，则转速升高，否则，转速降低，整个卷绕过程速度在给定转矩对应速度的上下浮动。
由于锥度张力控制的是电机转矩，而在卷绕爬行阶段(卷材穿引过程及卷绕起始阶段) 材料是松弛的，卷轴上卷材张力很小，卷绕电机阻转矩几乎为零，如果电机仍处于转矩控制模式下，此时就要瞬间加速到最高转速，直到卷材绷紧，这时电机转速远远高于按当前线速度和卷径折算出来的理想速度，在绷紧瞬间必然对材料造成冲击，致使材料绷断。所以爬行阶段必须采用速度控制，也就是在卷取电机理想转速基础上叠加一个较小的附加给定，同时对电机的输出转矩限幅。当材料松弛时，电机处于速度控制模式，运行速度比理想速度略高一点，材料被逐渐绷紧不会产生瞬间冲击。待材料绷紧后，由于转矩限幅作用卷绕电机将无法达到给定速度，速度控制饱和退出，此时控制转矩限幅相当于电机的实际转矩。锥度张力卷绕控制中转矩基本恒定，所以不会损伤卷
轴。
图3 锥度张力曲线
图4为中心卷绕张力控制系统框图，为了实现卷绕张力平稳控制，提高张力闭环控制系统的动态性能，控制系统中变频器或检测传感器必须完成当前卷径计算或测量功能；PLC 根据卷绕直径的变化和卷绕过程加减速的变化，自动调整比值系数，进行动静态摩擦补偿和惯量补偿功能及参数信号自适应能力变化；并根据当前卷径和线速度计算出卷绕变频器的设定值，以控制卷绕电机达到理想转速，从而实现渐减张力控制或基本恒张力控制。
图4 中心卷绕张力控制系统框图
5 结束语
无论表面卷绕还是中心卷绕，其卷绕张力控制是产品成卷的关键。卷绕张力过大会造成织物拉伸变形甚至断裂；张力过小会出现卷筒松弛不密实；张力大小不稳定会造成卷筒松紧不一、端面不齐、出现分层等。因此，要获得好成卷质量，必须完善卷绕张力控制系统，实现张力控制的稳定性。
冯建修