自动控制系统课程设计线缆设备恒张力变频控制.docx
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自动控制系统课程设计线缆设备恒张力变频控制
扬州大学
水利与能源动力工程学院
课程设计报告
题目：
线缆设备恒张力变频器控制
课程：
电力拖动自动控制系统
专业：
电气工程及其自动化
班级：
姓名：
学号：
第一部分
任
务
书
《电力拖动自动控制系统》课程设计
计划、任务与指导书
一、课程设计的目的
通过电力拖动自动控制系统的设计，了解一般交直流调速系统设计过程及设计要求，并巩固交直流调速系统课程的所学内容，初步具备设计电力拖动自动控制系统的能力。
为今后从事相关技术工作打下必要的基础。
二、课程设计的要求
1、熟悉交直流调速系统设计的一般设计原则，设计内容以及设计程序的要求。
2、掌握控制系统设计制图的基本规范，熟练掌握电气控制部分的新图标。
3、学会收集、分析、运用自动控制系统设计的有关资料和数据。
4、培养独立工作能力、创造能力及综合运用专业知识解决实际工程技术问题的能力。
三、课程设计的内容
完成某一给定课题任务，按给出的工艺要求、运用变频调速对系统进行控制。
四、进度安排：
共1.5周
本课程设计时间共1.5周，进度安排如下：
1、设计准备，熟悉有关设计规范，熟悉课题设计要求及内容。
（1.5天）
2、分析控制要求、控制原理，设计控制方案。
（1.5天）
3、绘制控制原理图、控制流程图、端子接线图。
（2天）
4、编制程序、梯形图设计、程序调试说明。
（1.5天）
5、整理图纸、写课程设计报告。
（1.5天）
五、课程设计报告内容
完成下列课题的课程设计及报告（课题工艺要求由课程设计任务书提供）
线缆设备恒张力变频器控制设计
六、参考书
1．陈伯时主编电力拖动自动控制系统（第二版）,机械工业出版社1992
2．陈伯时,陈敏逊.交流调速系统.机械工业出版社1998
3．张燕宾著SPWM变频调速应用技术 机械工业出版社1997
4．王兆义主编·《可编程控制器教程》主编
5．徐世许主编·《可编程控制器教程原理、应用、网络》主编
6．《工厂常用电气设备手册》（第2版）上、下册中国电力出版社
第二部分
课
程
设
计
报
告
目录
第1章概述1
1.1通用变频器的基本结构原理1
1.2通用变频器的分类2
1.3通用变频器控制电路的基本功能3
1.4关于光电脉冲编码器4
第2章线缆设备恒张力变频器控制的方案比较与选择6
第3章倒轴机的结构和工作原理7
3.1倒轴机的结构7
第4章倒轴机恒张力控制系统方案的选择8
第5章系统方案的实施9
5.1卷绕装置的恒线速度控制9
5.2放卷装置的恒张力控制10
5.3放卷装置和绕卷装置的控制流程图12
5.4原理接线图14
5.5系统的特点16
体会与小结17
参考文献18
第1章概述
1.1通用变频器的基本结构原理
通用变频器是指能与普通的异步电动机配套使用，能适合于各种不同性质的负载，并具有多种可供选择功能的变频器。
变频器的功能就是将频率、电压都固定的交流电源变成频率、电压都连续可调的三相交流电源。
按照变换环节有无直流环节可以分为交－交变频器和交－直－交变频器。
通用变频器是由主电路和控制电路组成。
主电路主要包括整流电路、中间直流电路和逆变电路三部分，其中，中间直流电路又由电源再生单元、限流单元、滤波器、制动电路以及直流电源检测电路等组成。
控制电路主要由中央处理器、数字信号处理器、A/D和D/A转换电路、I/O接口电路、通信接口电路输出信号检测电路、数字操作盘电路以及控制电源等组成。
通用变频器的基本结构原理如图1-1所示。
由图可见，通用变频器由功率主电路和控制电路及操作、显示三部分组成，主电路包括整流器、直流中间电路、逆变器及检测部分的传感器（图中未画出）。
直流中间电路包括限流电路、滤波电路和制动电路，以及电源再生电路等。
控制电路主要由主控制电路、信号检测电路、保护电路、控制电源和操作、显示接口电路等组成。
高性能矢量型通用变频器由于采用了矢量控制方式，在进行矢量控制时需要进行大量的运算，其运算电路中往往还有一个以数字信号处理器DSP为主的转矩计算用CPU及相应的磁通检测和调节电路。
通用变频器的控制方式主要有矢量控制方式、直接转矩控制方式、PAM、PWM、SPWM和高频载波控制方式。
图1-1通用变频器的基本结构原理框图
1.2通用变频器的分类
通用变频器按其主电路结构形式有交-交变频器和交-直-交变频器两大类,如果主电路中没有直流中间环节的称为交-交变频器,有直流中间环节的称为交-直-交变频器由。
由直流电变为可调频、调压的交流电的变换器称为逆变器（DC-AC变换器）。
交-直-交变频器是由整流器（AC-DC变换器）,主要由大容量电容器构成的中间直流储能电路和逆变器构成;按其工作方式有电压型变频器和电流型变频器;按其逆变器开关方式有PAM（PulseAmplitudemodulation）控制方式、PWM（PulseWidthmodulation）控制方式和高频载波SPWM控制方式三种;按其逆变器控制方式有U/f控制方式、转差频率控制方式、矢量控制方式、矢量转局矩控制方式、直接转矩控制等;按其功能用途有风机水泵用通用变频器、恒转矩通用变频器、高频通用变频器、中频通用变频器、专用变频器和单相变频器等。
电压型变频器的特点是将直流电压源转换为交流电源,在电压型变频器中,整流电路产生逆变器所需要的直流电压,并通过直流中间电路的电容进行滤波后输出。
整流电路和直流中间电路起直流电压源的作用,而电压源输出的直流电压在逆变器中被转换为具有所需频率的交流电压。
在电压型变频器中，由于能量回馈通路是中间直流电路的电容器，并使直流电压上升，因此需要设置专用直流单元控制电路，以利于能量回馈和防止换流器件因电压过高而被破坏。
有时还需要在电源侧设置交流电抗器抑制输入谐波电流的影响。
从通用变频器主回路基本结构来看，大多数采用图1-1所示的结构，即由二极管整流器、直流中间电路、PWM逆变器三部分组成。
采用这种电路的通用变频器的成本较低，易于普及应用，但存在再生能量回馈和输入电源产生谐波电流的问题。
如果需要将制动时的再生能量回馈给电源，并降低输入谐波电流，则采用图1-2所示的带PWM变换器的主电路。
由于用IGBT代替二极管整流器组成三相桥式电路，因此，可让输入电流变成正弦波，同时，功率因数也可以保持为1。
这种PWM变换控制变频器不仅可降低谐波电流，而且还可以将再生能量高效率地回馈给电源。
图1-2变频器的基本结构
电流型变频器的特点是将直流电流源转换为交流电源。
其中整流电路给出直3流电源，并通过中间直流电路的电抗器进行电流滤波后输出。
整流电路和中间直流电路起电流源的作用，而电流源输出的支流电流在逆变器中被转换为具有所需频率的角落电源，并被分配给个输出相后提供给异步电动机。
在电流型变频器中，异步电动机定子电压的控制是通过检测电压后对电流进行控制的方式实现的。
对于电流型变频器来说，在异步电动机进行制动的过程中，可以通过将中间直流电路的电压反向的方式使整流电路变为逆变电路，并将负载的能量回馈给电源。
由于在采用电流控制方式时可以将能量直接回馈给电源，而且在出现负载短路等情况时也容易处理，因此电流型控制方式多用于大容量变频器。
1.3通用变频器控制电路的基本功能
1通用变频器控制电路
通用变频器控制电路包括主控制电路、运算电路、信号检测电路、控制信号的输入、输出电路、驱动电路和保护电路几个部分，在通用变频器中，全部控制电路装配在一块PCB电路板上，是通用变频器的核心部件之一。
控制电路的主要作用是将检测电路得到的各种信号送至中央处理器的运算电路，使运算电路能够根据要求为功率主电路提供必要的驱动信号，并对变频器本身以及异步电动机提供必要的保护。
此外，控制电路还通过A/D、D/A等外部接口电路接收/发送多种形式的外部信号和系统内部工作状态，以便使变频器能够和外部设备配合进行各种控制。
高性能通用变频器目前已经采用微处理器进行全数字控制，使硬件电路简化，控制功能主要靠软件来完成。
由于功能软件化的特点使数字控制可以完成模拟控制难以做到的功能。
2通用变频器的操作面板
通用变频器的操作面板由键盘与显示屏组合而成，其中键盘是供用户进行菜单选择、设定和查询功能参数、向机内主控制板发出各种指令的，通过显示屏可以观察菜单极其说明、所设定的功能参数、查询运行参数和故障信息，正常运行时，显示屏可显示运行参数如频率、速度、电流等运行参数的现实值。
不同品牌的通用变频器的面板功能、键盘设置、键位排列和符号是不一样的，一般有8个左右的按键，归纳起来，一般新型通用变频器的操作面板有如下的配置：
工作模式转换键：
通用变频器的基本工作模式（MODE）转换键是用于在键盘运行模式下，切换变频器工作模式的。
常见键位符号有运行键（RUN或START）或正转键（FWD）、反转键（REV）、停止键（STOP）、停止/复位键（STOP/RESET）、点动键（JOG）、设定键（FUNC）、设定/数据转换键（FUNC/DATA）、编程模式（PRG）等。
数据增减键：
用于菜单选择、数据变更、光标移动、画面滚动等。
常见键位符号有：
▽（DOWN）、△（UP）、ˇ、↑和↓等键。
读出、写入键：
在编程模式下，用于读出和写入数据。
常见键位符号有置位键、复位键、数据键、确认键、参数修改切换键等。
复位键是当通用变频器因故障而跳闸后，其内部控制电路被“封锁”。
当故障修复以后，必须先按复位键，才能恢复正常状态。
数字键：
有的通用变频器配置了“0-9”和小数点“.”等数字键，编程时可直接输入所需数据。
显示屏：
通用变频器的显示屏主要由LCD显示屏、LED显示屏和发光二极管构成。
LCD显示屏的主要功能是在编程和运行模式下，显示功能码和运行数据等信息，如以滚动方式显示操作信息，以帮助操作者正确操作，显示数据的单位及运行参数如频率、速度、电流、电压、功率、PID值、负载率、温度参数等。
在故障状态下，显示故障代码。
新型的通用变频器一般可显示3行左右的数字、字母或汉字，有的通用变频器的参数以棒图的形式显示。
LED显示屏一般用7段LED显示4位数字，显示运行参数如频率、速度、及各种需要监视的数据等，也可显示故障代码。
有的也可以显示控制端的外部接线状况等。
发光二极管主要用于状态显示，如运行、停止、正转、反转、故障等。
3变频器的外接控制电路
通用变频器的外接控制电路主要由如下连接端子组成，主电路、起停、模拟输入、模拟输出、数字输入、晶体管输出、接点输出、通信接口、频率输出、外部控制电源等端子。
除主电路连接端子和外部控制电源连接端子外，其它均属于功能端子，与通用变频器的相应功能对应。
1.4关于光电脉冲编码器
在数控机床中，光电脉冲编码器作为速度和位置检测的元件，故障发生率较高，外在表现多种多样，我们在维修实践中，将有关光电脉冲编码器的故障给予归纳和分类，使故障更加明确。
1、简介
首先对光电脉冲编码器作一下简介。
光电脉冲编码器可分为增量式和绝对式。
所谓增量式即编码器转过角度就发出脉冲，查不出轴处于什么位置，只能记录得电后的脉冲数。
机床失电后，不能记忆轴的位置。
绝对式则能够记忆轴转过的角度和空间位置。
这依赖于一组或一个备用电池的支持，使机床失电后仍能保持记忆。
当然编码器依据安装位置不同又可分为内装式和外装式，内装式和伺服电动机同轴安装，外装式则安装在传动链末端。
编码器输出信号通常有两组相位差90度的方波信号用于辨向，一个零标志位（又称一转信号），+5V电源和接地端。
绝对式还有备用电池连接端。
2、故障分类
故障分类如下：
（1）编码器本身故障:
是指编码器本身元器件出现故障，导致其不能产生和输出正确的波形。
这种情况下需更换编码器或维修其内部器件。
（2）编码器连接电缆故障:
这种故障出现的几率最高，维修中经常遇到，应是优先考虑的因素。
通常为编码器电缆断路、短路或接触不良，这时需更换电缆或接头。
还应特别注意是否是由于电缆固定不紧，造成松动引起开焊或断路，这时需卡紧电缆。
（3）编码器+5V电源下降:
是指+5V电源过低，通常不能低于4.75V，造成过低的原因是供电电源故障或电源传送电缆阻值偏大而引起损耗，这时需检修电源或更换电缆。
（4）绝对式编码器电池电压下降:
这种故障通常有含义明确的报警，这时需更换电池，如果参考点位置记忆丢失，还须执行重回参考点操作。
（5）编码器电缆屏蔽线未接或脱落:
这会引入干扰信号，使波形不稳定，影响通信的准确性，必须保证屏蔽线可靠的焊接及接地。
（6）编码器安装松动:
这种故障会影响位置控制精度，造成停止和移动中位置偏差量超差，甚至刚一开机即产生伺服系统过载报警，请特别注意。
（7）光栅污染这会使信号输出幅度下降，必须用脱脂棉沾无水酒精轻轻擦除油污。
第2章线缆设备恒张力变频器控制的方案比较与选择
在电工机械制造行业，线缆收放卷设备使用得非常多。
为了保障更好的产品质量和效果，线缆的收放卷设备一般都要求能保持线缆张力的稳定。
目前市面上有各式各样的恒张力控制方案，其中最常见的有下列几种，它们各有优缺点。
（1）力矩电机加驱动控制器
（2）磁粉制动器/磁粉离合器张力控制
（3）直接张力闭环控制
（4）间接张力控制
从以上几种张力控制方案的比较来看，后三种方案设备投入成本都比较高，且存在维护或调试复杂等问题。
而力矩电机的控制方案虽然成本较低，但控制性能差，难以满足客户对产品质量日益严格的要求。
行业的激烈竞争使得电工机械生产企业选用恒张力控制系统时所考虑的首要条件是既能保证产品性能，又经济实用。
以上几种方案显然都不能完全满足这些要求。
采用通用变频器是能够实现的低成本高性价比恒张力控制方案，既能很好满足电线电缆生产工艺的要求，有效保障产品的质量，又能把设备投入的成本控制在合理水平的控制方案。
本文就将提出两种只需采用通用变频器就能够实现的低成本高性价比恒张力控制方案。
下面以采用通用型变频器在某电工机械厂的倒轴机上成功实现的同步收放卷恒张力控制系统。
第3章倒轴机的结构和工作原理
3.1倒轴机的结构
该倒轴机的作用是将一种直径的卷倒换成另一种直径的卷。
它的主要构成包括卷绕装置和放线装置，其结构示意图如图3-1所示。
图3-1倒轴机机构示意图
从图3-1中可以看到，卷绕装置主要包括卷绕电机M1、收线卷筒和一对用来测速的辊。
这对测速用的辊中，上辊可以上下移动，用来将线缆压在固定的下辊上，以便在线缆运动时能产生磨擦力将拖动下辊旋转。
而下辊则通过与其同轴安装的脉冲编码器来检测线缆的线速度。
因为此时编码器产生的脉冲信号其数量是与线缆的线速度成正比的。
放线装置通常是放线架，主要包括放卷电机M2、放线卷筒和摆杆。
摆杆的作用相当于位置传感器，当系统的张力变化会引起摆杆位置偏移，这时摆杆就会带动尾部的电位器输出一个模拟信号指示偏移量。
为了适应不同材料，通常摆杆上有一个可移动的重锤来调整系统张力。
也有用低摩擦气缸方式实现的。
不管哪种方式，都需要在调试时事先整定好。
要说明的是，虽然是张力变化导致的摆杆位置变化，但摆杆反映的是位置量而非张力，因为在静态的时候摆杆可以在任何位置平衡。
在工作过程中，放卷电机M2需要随时紧跟卷绕电机M1动作，以保证放线速度和卷绕速度一致，保持线缆张力的稳定。
张力稳定时，摆杆将保持在平衡位置。
当卷绕速度比放线速度快时，摆杆就会偏离平衡位置向上运动，这时就需要放卷电机M2加速运行；反之，当卷绕速度比放线速度慢时，摆杆就会偏离平衡位置向下运动，这时就需要放卷电机M2减速运行；如果减速到零速时摆杆依然在往下运动，则就要求放卷电机。
第4章倒轴机恒张力控制系统方案的选择
从倒轴机的结构及其工作原理可以看出：
·卷绕电机M1是主牵引，它的转速n1决定了生产过程中线缆的线速度υ。
υ与n1的关系为：
υ=π*D1*n14-1
式4-1中，D1为收线卷筒的直径。
·对于放卷电机M2，它的转速处于被动跟随状态，只有很好地和电机M1同步，才能保证系统张力F的稳定。
另一方面，系统张力F的大小取决于放卷电机M2的输出转矩T2。
T2与F的关系为：
T2=F*D2/24-2
上式中，D2为放线卷筒的直径。
通过控制M2的输出转矩T2可以改变系统的张力F，这会使摆杆的平衡位置改变。
因此摆杆的位置能够反映系统张力F的大小。
从式4-1和式4-2可以看到，对于倒轴机系统，要保持工作过程中线缆的张力不变，则必须保证驱动电机的转速与卷筒直径成反比，且转矩的变化与卷筒直径成正比。
而在倒轴机工作过程中，卷筒直径都是在一直变化着的。
因此如果要通过直接控制电机的转速或转矩来实现线缆张力的恒定，就必须在线检测或计算收线卷筒的直径，这样就需要增加检测设
备，或进行复杂的计算。
而且进行转矩控制则需要使用矢量型变频器或改用直流电机，则系统的设备成本必然大幅增加，显然并不可取。
考虑到倒轴机的卷绕装置本身利用脉冲编码器检测出了系统线速度υ的信号，如果利用这个信号作为过程量反馈进行闭环控制，就可实现线缆线速度υ的恒定，从而间接达到恒定线缆张力的目的。
可见利用这种方法实现恒张力控制，只需要采用能够接收脉冲反馈信号，可以对线速度参量进行闭环控制的通用变频器即可完成。
而对于放线装置，由于其摆杆的位置偏移量能够反映出系统张力的变化，因此可以直接对摆杆的位置量进行闭环控制，使摆杆始终稳定在平衡位置，这样也可以间接达到保持张力恒定的目的。
这种恒张力控制方法也只需要采用具有过程量闭环功能，带内置PI控制器的通用变频器就可以实现了。
因此，倒轴机的卷绕装置采用了恒线速度闭环控制，而放线装置采用的则是对摆杆位置量的闭环控制。
这两种方案均是通过间接的方式实现了线缆的恒张力控制，而且都可以只用通用变频器就能方便地完成。
至于变频器的选择，一方面需要满足该系统的需求，另一方面作为机械设备生产厂家，还希望变频器本身具有高的可靠性和良好的环境适应能力。
选用通用型变频器EV1000，主要是因为EV1000具有以下优点：
·将客户通用需求与客户个性化需求、行业性需求有机融合，具有十分丰富的实用功能；
·采用独特的控制方式，具有高转矩、高精度、宽调速驱动等良好控制特性，实现了通用变频器的高性能化；
·具有超出同类产品的防跳闸性能和适应恶劣电网、温度、湿度和粉尘能力，极大地提高了产品的可靠性。
第5章系统方案的实施
5.1卷绕装置的恒线速度控制
卷绕装置主要包括卷绕电机M1、收线卷筒和一对用来测速的辊。
这对测速用的辊中，上辊可以上下移动，用来将线缆压在固定的下辊上，以便在线缆运动时能产生磨擦力将拖动下辊旋转。
而下辊则通过与其同轴安装的脉冲编码器来检测线缆的线速度。
因为此时编码器产生的脉冲信号其数量是与线缆的线速度成正比的。
放线装置通常是放线架，主要包括放卷电机M2、放线卷筒和摆杆。
摆杆的作用相当于位置传感器，当系统的张力变化会引起摆杆位置偏移，这时摆杆就会带动尾部的电位器输出一个模拟信号指示偏移量。
为了适应不同材料，通常摆杆上有一个可移动的重锤来调整系统张力。
需要在调试时事先整定好。
要说明的是，虽然是张力变化导致的摆杆位置变化，但摆杆反映的是位置量而非张力，因为在静态的时候摆杆可以在任何位置平衡。
在工作过程中，放卷电机M2需要随时紧跟卷绕电机M1动作，以保证放线速度和卷绕速度一致，保持线缆张力的稳定。
张力稳定时，摆杆将保持在平衡位置。
当卷绕速度比放线速度快时，摆杆就会偏离平衡位置向上运动，这时就需要放卷电机M2加速运行；反之，当卷绕速度比放线速度慢时，摆杆就会偏离平衡位置向下运动，这时就需要放卷电机M2减速运行；如果减速
到零速时摆杆依然在往下运动，则就要求放卷电机M2自动反转。
根据前面的分析可知，本系统卷绕装置线缆的张力恒定是通过对线速度υ的控制来实现的。
所以该卷绕装置变频控制系统以线速度υ作为直接的控制对象，通过闭环PI控制使其保持恒定，从而达到线缆张力稳定的最终目的。
该控制系统的原理图如图3-2所示。
图5-1卷绕装置恒线速度控制系统原理图
从图5-1可以看到，由于EV1000没有专门的线速度控制功能，电位器送入的线速度给定信号（0~10V）在变频器内部被换算成转速信号，脉冲编码器反馈的脉冲信号也同样需要被换算为相对应的转速信号。
然后两个量进行比较，再经过内置的PI调节，最后输出相应的控制量改变卷绕电机M1的转速n1，使线缆的线速度υ迅速稳定在给定值。
在使用时，电位器直接使用EV1000变频器的10VDC电源，作为线缆线速度υ的给定信号。
用户可以根据需要通过电位器灵活调整所需要的线速度υ的值。
0~10V对应0~最大线速度。
该装置只需要单相编码器即可。
如果安装的是双相编码器，实际使用中只需要接入其中一相的信号。
另外，因为EV1000本身提供了24VDC的电源，所以编码器尽量选择可使用该电源的型号，以进一步降低系统的设备成本。
该装置中控制卷绕电机M1的EV1000变频器控制回路接线示意图如图5-2所示。
图5-2卷绕电机M1变频器控制回路的接线示意图
5.2放卷装置的恒张力控制
1放卷装置和绕卷装置的控制原理图
因为放卷装置中摆杆的位置偏移量能够反映出系统张力的变化，所以对放卷装置的张力控制就以摆杆的位置量作为直接的控制对象。
放卷装置控制系统的原理图如图5-3所示。
图5-3放卷装置张力控制系统原理图
放卷装置的张力控制是通过对摆杆位置量的控制来间接实现的，为了使系统张力恒定，只要让摆杆一直保持在某一固定的平衡位置即可。
通常以摆杆动作范围的中间位置作为调节目标。
对于本系统，摆杆是以一端为支点，另一端在水平位置的-90~+90°之间摆动，其中间位置为水平位置。
因此以摆杆的水平位置作为控制系统的调节目标，即系统的平衡位置。
在使用时，为了满足不同型号线缆不同生产工艺的要求，在摆杆上有一个可移动的重锤，通过调节该重锤的位置可以对系统张力进行调整。
同时为了更好地保证产品的质量和可靠性，针对这类应用场合，该EV1000变频器开发了两种非标功能：
PI控制器的输出信号为双极性。
即变频器在闭环控制时输出频率可以在正值和负值之间变化，电机能够自动反转。
如本装置，当张力减小，摆杆低于平衡位置时，放卷电
机的速度将降低，如果转速降到了零，摆杆未能升高到平衡位置，此时变频器会输出负极性频率信号，使放卷电机自动反转直到摆杆升到平衡位置为止。
这样就能使放卷装置收放
自如，更好地满足生产工艺和用户的需要。
（2）有断线的自动检测和保护功能。
即在系统工作过程中由于张力过大或其他原因导致线缆断开，或系统异常失去张力时，变频器能够自动检测和判断，给出故障信号，并且
自动停机。
本放卷装置中摆杆位置是通过摆杆支点处安装的电位器输出信号来指示的。
该电位器的输出值与摆杆位置量的对应关系可以调整。
本系统从EV1000变频器取得10VDC电源
加在电位器两端，因此摆杆位置量的反馈信号为0~10V的模拟量。
为了方便起见，将摆杆在水平位置时电位器的输出值调整到中间值5V，放卷装置控制系统的给定值则通过变频器
面板直接设定
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