電機卷繞恒張力控制方法和系統的制作方法

電機卷繞恒張力控制方法和系統的制作方法
【專利摘要】一種電機卷繞恒張力控制方法，所述卷繞為收卷或放卷，所述方法包括：根據當前的卷繞線速度與電機頻率計算并實時檢測卷繞半徑，所述卷繞半徑為收卷半徑或放卷半徑；根據卷繞張力和所述卷繞半徑計算并控制目標轉矩；檢測電機的旋轉方向；判斷所述收卷半徑是否呈變小趨勢且電機為收卷操作的正向旋轉或放卷半徑是否呈變大趨勢且電機為放卷操作的正向旋轉，若是，給出斷料報警信號。還公開一種電機卷繞恒張力控制系統。本發明無需安裝張力傳感器和光電傳感器就可以實現恒張力控制和斷料判斷，成本低。
【專利說明】電機卷繞恒張力控制方法和系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及恒張力控制技術，特別是涉及一種電機卷繞恒張力控制方法和系統。【背景技術】
[0002]在紡織、印刷、造紙、線纜等行業都存在產品收放卷的工況，為保證產品的質量，要求產品在收放卷過程中保持張力的恒定。
[0003]目前，市場上大部分恒張力控制系統都需要安裝張力傳感器檢測實際張力來控制張力恒定，另外還需要加裝光電傳感器在生產過程中對材料進行實時檢測，從而在材料損壞斷開時及時報警停機，避免浪費材料，造成生產事故。
[0004]然而安裝張力傳感器和光電傳感器都增加了成本。

【發明內容】

[0005]基于此，有必要提供一種無需安裝張力傳感器和光電傳感器的低成本電機卷繞恒張力控制方法和系統。
[0006]一種電機卷繞恒張力控制方法，所述卷繞為收卷或放卷，所述方法包括:
[0007]根據當前的卷繞線速度與電機頻率計算并實時檢測卷繞半徑，所述卷繞半徑為收卷半徑或放卷半徑；
[0008]根據卷繞張力和所述卷繞半徑計算并控制目標轉矩；
[0009]檢測電機的旋轉方向；
[0010]判斷所述收卷半徑是否呈變小趨勢且電機為收卷操作的正向旋轉或放卷半徑是否呈變大趨勢且電機為放卷操作的正向旋轉，若是，給出斷料報警信號。
[0011]在其中一個實施例中，所述方法還包括:
[0012]檢測電機的三相電流；
[0013]將所述三相電流通過Clarke變換、Park變換得到MT旋轉坐標系下的勵磁電流和轉矩電流；
[0014]根據所述目標轉矩及所述轉矩電流進行轉矩閉環控制，調整輸出轉矩電流。
[0015]在其中一個實施例中，所述根據當前的卷繞線速度與電機頻率計算卷繞半徑的步驟之前還包括測量當前的卷繞線速度和卷繞張力的步驟。
[0016]在其中一個實施例中，根據公式n=60f/p/kt、r=v/O Xη)/2依次得到卷繞的轉速和卷繞半徑；
[0017]其中為卷繞半徑,V為卷繞線速度,η為卷繞的轉速，π為常數，取3.14, f為電機頻率，P為電機極對數，kt為電機傳動比；根據公式T=FXr得到目標轉矩；
[0018]其中，T為目標轉矩，F為卷繞張力，r為卷繞半徑。
[0019]在其中一個實施例中，判斷所述收卷半徑是否呈變小趨勢或放卷半徑是否呈變大趨勢的步驟具體包括:
[0020]設定預設時間；[0021]對所述預設時間內實時監測的卷繞半徑進行線性分析；
[0022]利用低通濾波方法對卷繞半徑的錯誤監測數據進行排除，獲得線性分析結果；
[0023]根據所述線性分析結果判斷所述收卷半徑是否呈變小趨勢或放卷半徑是否呈變大趨勢。
[0024]一種電機卷繞恒張力控制系統，所述卷繞為收卷或放卷，所述系統包括:
[0025]計算控制模塊，用于根據當前的卷繞線速度與電機頻率計算并實時監測卷繞半徑，根據卷繞張力和所述卷繞半徑計算并控制目標轉矩，所述卷繞半徑為收卷半徑或放卷半徑；
[0026]電機轉向檢測模塊，用于實時檢測電機的旋轉方向；
[0027]斷料判斷模塊，用于判斷所述收卷半徑是否呈變小趨勢且電機為收卷操作的正向旋轉或放卷半徑是否呈變大趨勢且電機為放卷操作的正向旋轉，若是，給出斷料報警信號。
[0028]在其中一個實施例中，所述系統還包括:
[0029]電流檢測模塊，用于檢測電機的三相電流；
[0030]電流坐標變換分解模塊，用于將所述三相電流通過Clarke變換、Park變換得到MT旋轉坐標系下的勵磁電流和轉矩電流；
[0031]轉矩閉環控制模塊，用于根據所述目標轉矩及所述轉矩電流進行轉矩閉環控制，調整輸出轉矩電流。
[0032]在其中一個實施例中，所述系統還包括測量模塊，用于測量當前的卷繞線速度和卷繞張力。
[0033]在其中一個實施例中，所述計算控制模塊根據公式n=60f/p/kt、r=v/ O Xn)/2依次得到卷繞的轉速和卷繞半徑；
[0034]其中為卷繞半徑,V為卷繞線速度,η為卷繞的轉速，π為常數，取3.14, f為電機頻率，P為電機極對數，kt為電機傳動比；所述計算控制模塊根據公式T=FXr得到目標轉矩；
[0035]其中，T為目標轉矩，F為卷繞張力，r為卷繞半徑。
[0036]在其中一個實施例中，所述斷料判斷模塊包括:
[0037]計時單元，用于設定預設時間；
[0038]存儲單元，用于存儲所述預設時間內實時監測的卷繞半徑；
[0039]線性分析單元，用于對所述存儲單元內的卷繞半徑進行線性分析；
[0040]低通濾波單元，用于對卷繞半徑的錯誤檢測數據進行排除，獲得線性分析結果；
[0041]判斷單元，用于根據所述線性分析結果判斷所述收卷半徑是否呈變小趨勢或放卷半徑是否呈變大趨勢。
[0042]上述電機卷繞恒張力控制方法和系統，無需安裝張力傳感器和光電傳感器，只要根據當前的卷繞線速度與電機頻率計算卷繞半徑，然后根據卷繞張力和所述卷繞半徑計算目標轉矩，通過控制所述目標轉矩以維持恒定的張力；通過檢測所述卷繞半徑的變化趨勢可以判斷出材料斷料，成本低。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0043]圖1為一實施例的電機卷繞恒張力控制方法流程圖；[0044]圖2為另一實施例的電機卷繞恒張力控制方法流程圖。
【具體實施方式】
[0045]請參照圖1，為一實施例的電機卷繞恒張力控制方法流程圖。
[0046]該電機卷繞恒張力控制方法包括:
[0047]步驟SllO:根據當前的卷繞線速度與電機頻率計算并實時監測卷繞半徑。
[0048]在本實施例中，根據公式n=60f/p/kt、r=v/O Xn)/2依次得到卷繞的轉速和卷繞半徑。其中，r為卷繞半徑，V為當前的卷繞線速度，η為卷繞的轉速，π為常數，取3.14，f為電機頻率，P為電機極對數，kt為電機傳動比。
[0049]電機卷繞包括兩種情況，即收卷或放卷，所以所述卷繞半徑為收卷半徑或放卷半徑。
[0050]步驟S120:根據卷繞張力和所述卷繞半徑計算并控制目標轉矩。
[0051]在本實施例中，根據公式T=FXr得到待維持卷繞張力的目標轉矩。其中，T為目標轉矩，F為卷繞張力，r為卷繞半徑。該目標轉矩主要是通過轉矩閉環控制的方式進行控制。
[0052]步驟S130:檢測電機的旋轉方向。
[0053]檢測電機的旋轉方向，給出當前電機旋轉方向數據。
[0054]步驟S140:判斷所述收卷半徑是否呈變小趨勢且電機為收卷操作的正向旋轉或放卷半徑是否呈變大趨勢且電機為放卷操作的正向旋轉。
[0055]若是，則執行步驟S150，否則返回步驟S110。
[0056]由于收卷時，收卷半徑會不斷變大，因此當變頻器檢測出卷繞半徑變小，而電機又沒有反向旋轉時，也就是說此時檢測到的電機轉向為收卷操作的正向旋轉，即可判斷出材料斷料。同理，由于放卷時，放卷半徑會不斷變小，因此當變頻器檢測出卷繞半徑變大，而電機又沒有反向旋轉時，也就是說此時檢測到的電機轉向為放卷操作的正向旋轉，即可判斷出材料斷料。所以在具體實施例中，可以通過檢測電機的當前旋轉方向，在收卷半徑變小且電機仍然為收卷操作的正向旋轉時，執行步驟S150給出斷料報警信號；或在放卷半徑變大且電機仍然為放卷操作的正向旋轉時，執行步驟S150給出斷料報警信號，反之返回步驟
SllOo
[0057]在本實施例中，判斷收卷半徑是否呈變小趨勢或放卷半徑是否呈變大趨勢具體為:設定預設時間，對所述預設時間內實時監測的卷繞半徑進行線性分析，并利用低通濾波方法對因系統干擾造成的錯誤監測數據進行排除以獲得線性分析結果，最后再根據所述線性分析結果判斷所述收卷半徑是否呈變小趨勢或放卷半徑是否呈變大趨勢。其中，所述預設時間可根據具體情況進行設置，可為I?10分鐘。
[0058]步驟S150:給出斷料報警信號。
[0059]當材料斷料時，通過斷料報警，可以及時提醒操作人員采取措施進行處理。
[0060]請參照圖2，為另一實施例的電機卷繞恒張力控制方法流程圖。
[0061]步驟S210:檢測電機的三相電流。
[0062]在本實施例中，首先將電機的二相電流檢測出來，然后再根據三相電流總和為零的原理求出第三相電流，得到三相電流Iu、Iv、Iw。[0063]步驟S212 =Clarke 變換。
[0064]將步驟S210得到的三相電流通過Clarke變換公式變為二相靜止坐標系下的電流。
[0065]Clark變換是指將3軸、2維的定子靜止坐標系的各物理量變換到2軸的定子靜止坐標系中。
[0066]步驟S214 =Park 變換。
[0067]將步驟S212得到的二相坐標下的電流奕成MT旋轉坐標系下的勵磁電流ImfecUR矩電流Itfed。
[0068]從數學意義上講，park變換只是一個坐標變換而已，從xyz坐標變換到dqO坐標，如果有需要可以逆變換回來。從物理意義上講，park變換就是將α，β軸上電流投影等效到d，q軸上，即將定子上的電流都等效到直軸和交軸上。
[0069]步驟S216:檢測是否斷料。
[0070]若沒有斷料，轉到步驟S218，轉矩電流為電機電流與張力電流的和。
[0071]例如，在收卷時材料斷料，那么作用在收卷軸上的張力即卷繞張力會消失，也就沒有了張力電流，轉矩電流Itfed會變小，轉到步驟S220，實際的轉矩電流為電機電流。
[0072]步驟S218:令轉矩電流為電機電流與張力電流的和。
[0073]步驟S220:令轉矩電流為電機電流。
[0074]步驟S222:轉矩閉環控制。
[0075]根據步驟S236計算的目標轉矩及步驟S218或步驟S220輸出實際的轉矩電流，進行轉矩閉環控制，調整輸出轉矩電流Itout。
[0076]在轉矩閉環控制中，收卷時，實際的轉矩電流作為負反饋輸入(如果為放卷，那么實際的轉矩電流作為正反饋輸入)，然后經PI調節器得到輸出轉矩電流Itout。因此，當斷料時，實際的轉矩電流Itfed變小會導致輸出轉矩電流Itout變大。
[0077]步驟S224:變頻器調整輸出頻率。
[0078]變頻器的輸出頻率W按公式W=Wfed+We得到，其中Wfed為電機旋轉頻率，We為轉差頻率，而轉差頻率We又可表示為KX Itout，K為與電機相關的參數。
[0079]收卷斷料時，輸出轉矩電流Itout變大又會導致轉差頻率We增大，從而輸出頻率W增大，即電機頻率增大。
[0080]步驟S226:電流環計算。
[0081]電流環指的是電流反饋系統，一般是指將輸出電流采用正反饋或負反饋的方式接入處理環節的方法，主要為了通過提高電流的穩定性能來提高系統的性能。
[0082]步驟S222輸出轉矩電流Itout經過電流環計算輸出Umout, Utout0
[0083]步驟S228:反 Park 變換。
[0084]將步驟S226輸出的電壓Umout與Utout經過反PARK變換得到兩相靜止坐標下電壓。
[0085]步驟S230:空間矢量脈寬調制。
[0086]SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation,空間矢量脈寬調制)的主要思想是以三相對稱正弦波電壓供電時三相對稱電動機定子理想磁鏈圓為參考標準，以三相逆變器不同開關模式作適當的切換，從而形成PWM波，以所形成的實際磁鏈矢量來追蹤其準確磁鏈圓。傳統的SPWM方法從電源的角度出發，以生成一個可調頻調壓的正弦波電源，而SVPWM方法將逆變系統和異步電機看作一個整體來考慮，模型比較簡單，也便于微處理器的實時控制。
[0087]在本實施例中，兩相靜止坐標下的電壓經過空間矢量脈寬調制得到6路驅動信號，然后將該驅動信號經過IPM (Intelligent Power Module，智能功率模塊)作用在電機上。
[0088]步驟S232:測量卷繞線速度和卷繞張力。
[0089]在本實施例中，收卷卷軸或放卷卷軸在卷繞張力的作用下進行卷繞，在卷繞過程中，測量卷繞線速度和卷繞張力。
[0090]步驟S234:計算并實時監測卷繞半徑。
[0091]在本實施例中，根據公式n=60f/p/kt、r=v/O Xn)/2依次得到卷繞的轉速和卷繞半徑。其中，r為卷繞半徑，V為當前的卷繞線速度，η為卷繞的轉速，π為常數，取3.14，f為電機頻率，P為電機極對數，kt為電機傳動比。
[0092]電機卷繞包括兩種情況，即收卷和放卷，所以所述卷繞半徑為收卷半徑或放卷半徑。步驟S224中，收卷斷料時最終導致的電機頻率增大會反饋到本步驟中使得計算出的卷繞半徑變小，而收卷半徑理應會不斷增大，這時電機沒有反向旋轉即可通過步驟S238判斷出是否斷料。
[0093]步驟S236:計算目標轉矩。
[0094]在本實施例中，根據公式T=FXr得到待維持卷繞張力的目標轉矩。其中，T為目標轉矩，F為卷繞張力，r為卷繞半徑。本步驟計算得到的目標轉矩轉到步驟S222進行轉矩閉環控制。
[0095]步驟S238:檢測電機的旋轉方向。
[0096]檢測電機的旋轉方向，給出當前電機旋轉方向數據。
[0097]步驟S240:判斷所述收卷半徑是否呈變小趨勢且電機為收卷操作的正向旋轉或放卷半徑是否呈變大趨勢且電機為放卷操作的正向旋轉。
[0098]若是，則執行步驟S242，否則返回步驟S234。
[0099]由于收卷時，收卷半徑會不斷變大，因此當變頻器檢測出卷繞半徑變小，而電機又沒有反向旋轉時，也就是說此時檢測到的電機轉向為收卷操作的正向旋轉，即可判斷出材料斷料。同理，由于放卷時，放卷半徑會不斷變小，因此當變頻器檢測出卷繞半徑變大，而電機又沒有反向旋轉時，也就是說此時檢測到的電機轉向為放卷操作的正向旋轉，即可判斷出材料斷料。所以在具體實施例中，可以通過檢測電機的當前旋轉方向，在收卷半徑變小且電機仍然為收卷操作的正向旋轉時，執行步驟S242給出斷料報警信號；或在放卷半徑變大、且電機任然為放卷操作的正向旋轉時，執行步驟S242給出斷料報警信號；反之，返回步驟 S234。
[0100]在本實施例中，判斷收卷半徑是否呈變小趨勢或放卷半徑是否呈變大趨勢具體為:設定預設時間，對所述預設時間內實時監測的卷繞半徑進行線性分析，并利用低通濾波方法對因系統干擾造成的錯誤監測數據進行排除以獲得線性分析結果，最后再根據所述線性分析結果判斷所述收卷半徑是否呈變小趨勢或放卷半徑是否呈變大趨勢。其中，所述預設時間可根據具體情況進行設置，可為I?10分鐘。[0101]步驟S242:給出斷料報警信號。
[0102]當材料斷料時，通過斷料報警，可以及時提醒操作人員采取措施進行處理。
[0103]基于上述控制方法，本發明給出了一種電機卷繞恒張力控制系統的具體實現方式，所述卷繞為收卷或放卷，所述系統可以同時實現對收卷或放卷的恒張力控制，并給予控制過程異常情況的報警，該系統包括:
[0104]計算控制模塊，用于根據當前的卷繞線速度與電機頻率計算并實時監測卷繞半徑，根據卷繞張力和所述卷繞半徑計算并控制目標轉矩，所述卷繞半徑為收卷半徑或放卷半徑；
[0105]電機轉向檢測模塊，用于實時檢測電機轉向，給出當前電機旋轉方向數據；
[0106]斷料判斷模塊，用于判斷所述收卷半徑是否呈變小趨勢且電機為收卷操作的正向旋轉或放卷半徑是否呈變大趨勢且電機為放卷操作的正向旋轉，若是，給出斷料報警信號。
[0107]所述系統還包括:電流檢測模塊，用于檢測電機的三相電流。
[0108]電流坐標變換分解模塊，用于將所述三相電流通過Clarke變換、Park變換得到MT旋轉坐標系下的勵磁電流和轉矩電流。
[0109]轉矩閉環控制模塊，用于根據所述目標轉矩及所述轉矩電流進行轉矩閉環控制，調整輸出轉矩電流。
[0110]測量模塊，用于測量當前的卷繞線速度和卷繞張力。
[0111]在本實施例中，所述計算控制模塊根據公式n=60f/p/kt、r=v/0 Xn)/2依次得到卷繞的轉速和卷繞半徑；
[0112]其中為卷繞半徑,V為卷繞線速度,η為卷繞的轉速，π為常數，取3.14, f為電機頻率，P為電機極對數，kt為電機傳動比。
[0113]所述計算控制模塊根據公式T=FXr得到目標轉矩；
[0114]其中，T為目標轉矩，F為卷繞張力，r為卷繞半徑。
[0115]在本實施例中，電機轉向檢測模塊在判斷電機轉向時可采用安裝編碼器或非編碼器采集數據的方式。
[0116]在本實施例中，斷料判斷模塊在實現時可通過以下幾個單元組合實現，其包括:
[0117]計時單元,用于設定預設時間；
[0118]存儲單元，用于存儲所述預設時間內的卷繞半徑；
[0119]線性分析單元，用于對所述存儲單元內的卷繞半徑數據進行線性分析；
[0120]低通濾波單元，用于對卷繞半徑的錯誤監測數據進行排除，獲得線性分析結果；
[0121]比較單元，用于獲取當前卷繞半徑，根據當前卷繞半徑數據與線性分析結果進行比較確定是位于變大趨勢還是變小趨勢。
[0122]上述電機卷繞恒張力控制方法和系統，無需安裝張力傳感器和光電傳感器，只要根據當前的卷繞線速度與電機頻率計算卷繞半徑，然后根據卷繞張力和所述卷繞半徑計算目標轉矩，通過控制所述目標轉矩以維持恒定的張力；通過檢測所述卷繞半徑的變化趨勢可以判斷出材料斷料，成本低。
[0123]以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本發明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發明的保護范圍。因此，本發明專利的保護范圍應以所附權利要求為準。
【權利要求】
1.一種電機卷繞恒張力控制方法，所述卷繞為收卷或放卷，其特征在于，所述方法包括:根據當前的卷繞線速度與電機頻率計算并實時監測卷繞半徑，所述卷繞半徑為收卷半徑或放卷半徑；根據卷繞張力和所述卷繞半徑計算并控制目標轉矩；檢測電機的旋轉方向；判斷所述收卷半徑是否呈變小趨 勢且電機為收卷操作的正向旋轉或放卷半徑是否呈變大趨勢且電機為放卷操作的正向旋轉，若是，給出斷料報警信號。
2.根據權利要求1所述的電機卷繞恒張力控制方法，其特征在于，還包括:檢測電機的三相電流；將所述三相電流通過Clarke變換、Park變換得到MT旋轉坐標系下的勵磁電流和轉矩電流；根據所述目標轉矩及所述轉矩電流進行轉矩閉環控制，調整輸出轉矩電流。
3.根據權利要求1所述的電機卷繞恒張力控制方法，其特征在于，所述根據當前的卷繞線速度與電機頻率計算卷繞半徑的步驟之前還包括測量當前的卷繞線速度和卷繞張力的步驟。
4.根據權利要求1所述的電機卷繞恒張力控制方法，其特征在于，根據公式n=60f/p/kt、r=v/ ( η Xn)/2依次得到卷繞的轉速和卷繞半徑；其中，r為卷繞半徑,V為卷繞線速度,η為卷繞的轉速，31為常數,取3.14, f為電機頻率，P為電機極對數，kt為電機傳動比；根據公式T=FXr得到目標轉矩；其中，T為目標轉矩，F為卷繞張力，r為卷繞半徑。
5.根據權利要求1所述的電機卷繞恒張力控制方法，其特征在于，判斷所述收卷半徑是否呈變小趨勢或放卷半徑是否呈變大趨勢的步驟具體包括:設定預設時間；對所述預設時間內實時監測的卷繞半徑進行線性分析；利用低通濾波方法對卷繞半徑的錯誤監測數據進行排除，獲得線性分析結果；根據所述線性分析結果判斷所述收卷半徑是否呈變小趨勢或放卷半徑是否呈變大趨勢。
6.一種電機卷繞恒張力控制系統，所述卷繞為收卷或放卷，其特征在于，所述系統包括:計算控制模塊，用于根據當前的卷繞線速度與電機頻率計算并實時監測卷繞半徑，根據卷繞張力和所述卷繞半徑計算并控制目標轉矩，所述卷繞半徑為收卷半徑或放卷半徑；電機轉向檢測模塊，用于檢測電機旋轉方向；斷料判斷模塊，用于判斷所述收卷半徑是否呈變小趨勢且電機為收卷操作的正向旋轉或放卷半徑是否呈變大趨勢且電機為放卷操作的正向旋轉，若是，給出斷料報警信號。
7.根據權利要求6所述的電機卷繞恒張力控制系統，其特征在于，還包括:電流檢測模塊，用于檢測電機的三相電流；電流坐標變換分解模塊，用于將所述三相電流通過Clarke變換、Park變換得到MT旋轉坐標系下的勵磁電流和轉矩電流；轉矩閉環控制模塊，用于根據所述目標轉矩及所述轉矩電流進行轉矩閉環控制，調整輸出轉矩電流。
8.根據權利要求6所述的電機卷繞恒張力控制系統，其特征在于，還包括測量模塊，用于測量當前的卷繞線速度和卷繞張力。
9.根據權利要求6所述的電機卷繞恒張力控制及斷料判斷系統，其特征在于，所述計算控制模塊根據公式n=60f/p/kt、r=v/( π Xn)/2依次得到卷繞的轉速和卷繞半徑；其中，r為卷繞半徑,V為卷繞線速度,η為卷繞的轉速，π為常數,取3.14, f為電機頻率，P為電機極對數，kt為電機傳動比；所述計算控制模塊根據公式T=FXr得到目標轉矩；其中，T為目標轉 矩，F為卷繞張力，r為卷繞半徑。
10.根據權利要求6所述的電機卷繞恒張力控制及斷料判斷系統，其特征在于，所述斷料判斷模塊包括:計時單元，用于設定預設時間；存儲單元，用于存儲所述預設時間內實時監測的卷繞半徑；線性分析單元，用于對所述存儲單元內的卷繞半徑進行線性分析；低通濾波單元，用于對卷繞半徑的錯誤檢測數據進行排除，獲得線性分析結果；判斷單元，用于根據所述線性分析結果判斷所述收卷半徑是否呈變小趨勢或放卷半徑是否呈變大趨勢。
【文檔編號】B65H26/00GK103979349SQ201410161503
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年4月21日 優先權日:2014年4月21日
【發明者】張寧 申請人:深圳市海浦蒙特科技有限公司