基于转矩控制模式卷纸机收卷恒张力控制系统设计

赵瑞林，王宗哲

（1.陕西工业职业技术学院 电气工程学院，陕西 咸阳 712000；2.西北电力建设第三工程有限公司 陕西 咸阳712000）

基于转矩控制模式卷纸机收卷恒张力控制系统设计

赵瑞林1，王宗哲2

（1.陕西工业职业技术学院 电气工程学院，陕西 咸阳 712000；2.西北电力建设第三工程有限公司 陕西 咸阳712000）

针对在卷纸机自动控制系统中为了取得卷纸张力控制和调节信号的目的，采用伺服系统的转矩给定信号，组成高精度的张力自动平稳、转换的恒张力控制系统，通过检测出卷纸半径R，随着R的变化测试调节自动适应的转矩M，可准确的取得正比于卷径的张力控制信号，以实现卷纸机收卷的恒张力控制。

卷纸机；转矩控制模式；伺服驱动；恒张力控制

在造纸机卷纸自动控制系统中，为了取得卷纸张力控制和调节信号，张力控制系统必须具有张力检测与自动适应控制单元，如何检测出卷纸直径R并对张力F进行控制，组成高精度的张力自动平稳、转换的恒张力控制系统，这是卷纸机的关键技术[1]。卷纸机位于在造纸机的末端，用来把纸卷绕成卷，保证纸卷缠卷得紧，两边整齐和在卷筒的全宽上松紧一致，是纸的保存和加工的必要条件[2]。

1 控制要求

卷纸机的结构示意图如图1所示。卷纸机在卷纸时，压纸辊将纸压在托纸辊上，卷纸辊在伺服电机驱动下卷纸，托纸辊与压纸辊也随之旋转，当收卷的纸达到一定长度时切刀动作，将纸切断，然后开始下一个卷纸过程，卷纸的长度由与托纸辊同轴旋转的编码器来测量[4]。

卷纸系统由PLC、伺服驱动器、伺服电动机、卷纸机组成[5]。

控制要求如下：

1）按下起动按钮后，开始卷纸，在卷纸过程中，要求卷纸张力保持不变，即卷纸开始时要求卷纸辊快速旋转，随着卷纸直径不断增大，要求卷纸辊的转速逐渐变慢，当卷纸长度达到100 m时切刀动作，将纸切断[6]。

图1 卷纸机的结构示意图

2）按下暂停按钮时，机器工作暂停，卷纸辊停转，编码器记录的纸长度保持，按下起动按钮后机器工作，在暂停前的卷纸长度上继续卷纸，直到100 m为止。

3）按下停止按钮时，机器停止工作，不记录停止前的卷纸长度，按下起动按钮后机器重新从0开始卷纸[7]。

2 控制线路图

卷纸机的收卷恒张力控制线路图如图2所示。

图2 卷纸机的收卷恒张力控制线路图

电路工作过程如下：

1）电路的工作准备

220 V的单相交流电源经过开关NFB送到伺服驱动器的L11、L21端，伺服驱动器的内部控制电路开始工作，ALM端内部变为ON，VDD端输出电流经继电器RA线圈进入ALM端，RA线圈得电，电磁制动器外接RA触点闭合，制动器线圈得电而使抱闸松开，停止对伺服电动机制动，同时附属电路中的RA触点也闭合，接触器MC线圈得电，MC主触点闭合，220 V电源送到伺服驱动器的L1、L2端，为内部的主电路供电[8]。

2）收卷恒张力控制

第一，起动控制。按下起动按钮SB1，PLC的Y0、Y1端输出为ON，伺服驱动器的SP1、ST1端输入为ON，伺服驱动器按设定的速度输出驱动信号，驱动伺服电动机运转，电动机带动卷纸辊旋转进行卷纸[9]。在卷纸开始时，伺服驱动器U、V、W端输出的驱动信号频率较高，电动机转速较快，随着卷纸辊上的卷纸直径不断增大时，伺服驱动器输出的驱动信号频率自动不断降低，电动机转速逐渐下降，卷纸辊的转速变慢，这样可保证卷纸时卷纸辊对纸的张力恒定。在卷纸过程中，可调节RP1、RP2电位器，使伺服驱动器的TC端输入电压在0~8 V范围内变化，TC端输入电压越高，伺服驱动器输出的驱动信号幅度越大，伺服电动机运行转矩越大。在卷纸过程中，PLC的X0端不断输入测量卷纸长度的编码器送来的脉冲，脉冲数量越多，表明已收卷的纸张越长，当输入脉冲总数达到一定值时，说明卷纸已达到指定的长度，PLC的Y5端输出为ON，KM线圈得电，控制切刀动作，将纸张切断，同时PLC的Y0、Y1端输出为OFF，伺服驱动器停止输出驱动信号，伺服电动机停转，停止卷纸[10]。

第二，暂停控制。在卷纸过程中，若按下暂停按钮SB2时，PLC的Y0、Y1端输出为OFF，伺服驱动器的SP1、ST1端输入为OFF，伺服驱动器停止输出驱动信号，伺服电动机停转，停止卷纸，与此同时，PLC将X0端输入的脉冲数量记录保持下来[11]。按下起动按钮SB1，PLC的Y0、Y1端输出又为ON，伺服电动机又开始运行，PLC在先前记录的脉冲数量上累加计数，直到达到指定值时才让Y5端输出ON，进行切纸动作，并从Y0、Y1端输出OFF，让伺服电动机停转，停止卷纸。

第三，停止控制。在卷纸过程中，若按下停止按钮SB3时，PLC的Y0、Y1端输出为OFF，伺服驱动器的SP1、ST1端输入为OFF，伺服驱动器停止输出驱动信号，伺服电动机停转，停止卷纸，与此同时Y5端输出ON，切刀动作，将纸张切断，另外PLC将X0端输入反映卷纸长度的脉冲数量清零，这时可取下卷纸辊上的卷纸，再按下起动按钮SB1后可重新开始卷纸[12]。

3 参数设置

伺服驱动器的参数设置内容如表1所示。

在表中：将No.0参数设为0004，让伺服驱动器工作在转矩控制模式；将No.8参数设置为1000，让输出速度为1000 r/min；将No.11、No.12参数均设置为1000，让速度转换的加、减速度时间均为1 s（1 000 ms）；将No.20参数设为0010，其功能是在停电再通电后不让伺服电动机重新起动，且停止时锁定伺服电动机；将No.41参数设为0001，其功能是让SON信号由伺服驱动器内部自动产生，LSP、LSN信号则由外部输入[13]。

表1 伺服驱动器的参数设置内容

4 PLC控制程序设计

图3所示为卷纸机的收卷恒张力控制梯形图。

下面对照图2来说明图3所示梯形图的工作原理。

卷纸系统采用与托纸辊同轴旋转的编码器来测量卷纸的长度，托纸辊每旋转一周，编码器会产生N个脉冲，同时会传送与托纸辊周长S相同长度的纸张[14]。传送纸张的长度L、托纸辊周长S、编码器旋转一周产生的脉冲个数N与编码器产生的脉冲总数D满足下面的关系对于一个卷纸系统，N和S值一般都是固定的，而传送纸张的长度L可以改变，为了程序编写方便，可将上式变形为例如，托纸辊周长S为0.05 m，编码器旋转一周产生的脉冲个数N为1 000个脉冲，那么传送纸张的长度L为100 m时，编码器产生的脉冲总数D=100×PLC采用高速计数器C235对输入脉冲进行计数，该计数器对应的输入端子为M0[15]。

图3 卷纸机的收卷恒张力控制梯形图

5 结束语

利用伺服系统的转矩给定信号，可准确的取得正比于卷径的张力控制信号。这种方法具有结构简单、运行可靠、线性度较好、经济性高等特点，采用转矩模式为卷纸恒张力控制提供了一个切实可行的控制方案。此方案同样适用于其他类似张力的控制系统。

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Based on the torque control mode to receive a roll of paper rolconstant tension control system design

ZHAO Rui-lin1，WANG Zong-zhe2
（1.College of Electrical Engineering，Shannxi Poletechnic Institute，Xianyang 712000，China；2.Northwest Power Construction Third Engineering Co.Ltd，Xianyang 712000，China）

For tension reel automatic control system in order to achieve the purpose of controlling and regulating the tension roll signal， servo system， the torque reference signal， consisting of high-precision automatic smooth conversion of constant tension control system，by detecting the volume paper radius R，with R adjusted automatically adapt to changes in the test torque M，can be accurately made proportional to the roll diameter tension control signals to achieve constant tension control winding of the reel.

rolls of paper machine； torque control mode； servo drive； constant tension control

TN709

A

1674－6236（2017）12-0081-04

2016-05-31稿件编号：201605304

赵瑞林（1976—），男，陕西宝鸡人，硕士研究生，副教授。研究方向：控制工程与控制理论。