本文分析了變頻器內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器的閉環(huán)反饋工作原理，應(yīng)用于電線電纜收線張力恒定系統(tǒng)，配合主從傳動(dòng)點(diǎn)的主從應(yīng)用宏，達(dá)到調(diào)節(jié)加工速度和張力恒定的要求。
一、概述
隨著變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展與更新，變頻器以其優(yōu)越的性能價(jià)格比為廣大用戶所青睞，變頻器的功能強(qiáng)大，是一種集電力、電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代技術(shù)為一體的一種典型的高科技產(chǎn)品，其操作簡(jiǎn)單，幾乎不要調(diào)整，和普通異步電機(jī)配合基本可形成了一種免維護(hù)無(wú)故障運(yùn)行的系統(tǒng)，不需要專門的技術(shù)人員對(duì)其進(jìn)行日常保養(yǎng)和維護(hù)，所以變頻傳動(dòng)已經(jīng)日益成為電氣傳動(dòng)控制的主流。
在電線電纜收線機(jī)械的電氣系統(tǒng)中，加工機(jī)馬達(dá)和收線機(jī)馬達(dá)組成主從傳動(dòng)，利用兩臺(tái)通用型變頻器工作在主從控制方式，拖動(dòng)電機(jī)同步運(yùn)行。主機(jī)是加工機(jī)械，由一臺(tái)功率較大的變頻器控制，根據(jù)生產(chǎn)工藝要求調(diào)節(jié)加工速度；從機(jī)是收線機(jī)，由較小功率變頻器控制。系統(tǒng)控制圖如下圖1：
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
加工成型的電線電纜通過(guò)定滑輪1、張力動(dòng)滑輪、定滑輪2到達(dá)收線機(jī)，主機(jī)變頻器控制總車速，從機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)跟隨主機(jī)的加工出線速度，保持張力動(dòng)滑輪的位置不變；張力動(dòng)滑輪通過(guò)連桿和電位器" title="電位器">電位器連接，動(dòng)滑輪上下移動(dòng)改變電位器位置，輸出的電壓信號(hào)送從機(jī)變頻器，由其內(nèi)置的PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行閉環(huán)反饋控制，達(dá)到張力恒定的要求。
二、主從變頻器功能實(shí)現(xiàn)
在一般通用型變頻器中，可以通過(guò)參數(shù)組態(tài)的方式完成所需要的主從控制功能。以ACS600變頻器為例，我們可通過(guò)主機(jī)變頻器操作面盤控制本機(jī)啟動(dòng)、停止、加減速度調(diào)節(jié)和運(yùn)行顯示，或者主機(jī)給定信號(hào)和控制命令通過(guò)變頻器的標(biāo)準(zhǔn)輸入/輸出信號(hào)接口輸入，或通過(guò)NAMC板上的CH0通道連接現(xiàn)場(chǎng)總線適配器，同時(shí)利用外部繼電器控制回路實(shí)現(xiàn)從傳動(dòng)點(diǎn)啟動(dòng)和停止的連鎖控制。外部信號(hào)只與主變頻器相連，主機(jī)經(jīng)由光纖通信控制從機(jī)，一般外部信號(hào)不與從傳動(dòng)相連，也不用控制盤和現(xiàn)場(chǎng)總線控制從機(jī)，從機(jī)不通過(guò)主/從通訊鏈路向主機(jī)發(fā)送任何反饋數(shù)據(jù)，從機(jī)的故障信號(hào)應(yīng)單獨(dú)地連至主機(jī)，形成聯(lián)鎖。一旦發(fā)生故障，聯(lián)鎖將停止主傳動(dòng)和從傳動(dòng)。
主/從應(yīng)用宏參數(shù)的缺省設(shè)置能滿足一個(gè)典型的主傳動(dòng)需要。從傳動(dòng)的參數(shù)設(shè)置必須進(jìn)行調(diào)整，主傳動(dòng)是典型的速度控制，其它變頻器跟隨主傳動(dòng)的轉(zhuǎn)矩或速度給定。主從應(yīng)用宏提供了窗口控制功能。當(dāng)從機(jī)處于轉(zhuǎn)矩控制時(shí)，變頻器在正常運(yùn)行范圍內(nèi)，窗口控制保持轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸入為零，從機(jī)跟隨主機(jī)的轉(zhuǎn)矩給定；發(fā)生負(fù)載丟失時(shí)，從機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速開始升高直到反向轉(zhuǎn)速偏差的絕對(duì)值超過(guò)窗口允許負(fù)向?qū)挾取４翱诳刂瓢汛翱诘妮敵鲋蹬c轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器相連。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出負(fù)值，加上來(lái)自主機(jī)的轉(zhuǎn)矩給定，得到內(nèi)部轉(zhuǎn)矩給定，使內(nèi)部的轉(zhuǎn)矩給定受到限制，以停止轉(zhuǎn)速升高。
主從變頻器間通信,主機(jī)向從機(jī)廣播控制字" title="控制字">控制字和兩個(gè)給定值，所有從機(jī)接收相同的消息。從機(jī)控制字（實(shí)際信號(hào)3.11 FOLLOWER MCW）是一個(gè)壓縮的16位字，其中僅第3位（RUN）、7位（RESET）、10位（REMOTE-CMD）使用，當(dāng)從機(jī)參數(shù) 10.01（EX1 START/STOP/DIR）或10.02（EX2 START/STOP/DIR）設(shè)置為COMM.MODULE時(shí)，控制字中的命令有效。給定值是包括符號(hào)位和15位整數(shù)的16位字，給定1是速度給定，給定2是轉(zhuǎn)矩給定。在主機(jī)中，參數(shù)60.07（MASTER SIGNAL2）對(duì)送往從傳動(dòng)的速度給定信號(hào)進(jìn)行選擇，參數(shù)60.08（MASTER SIGNAL3）對(duì)送往從傳動(dòng)的轉(zhuǎn)矩給定信號(hào)進(jìn)行選擇；在從機(jī)中，要將給定1定義為外部速度給定的來(lái)源，參數(shù)11.03（EXT REF1 SELECT）應(yīng)設(shè)置為COMM.REF，定義給定2為外部轉(zhuǎn)矩給定，參數(shù) 11.06（EXT REF2 SELECT）應(yīng)設(shè)置為COMM.REF。
三、電纜收線張力恒定控制功能實(shí)現(xiàn)
在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖" title="結(jié)構(gòu)圖">結(jié)構(gòu)圖1中，從變頻器的外部給定由主機(jī)變頻器輸入速度或者轉(zhuǎn)矩信號(hào)，同時(shí)由張力動(dòng)滑輪連桿機(jī)構(gòu)通過(guò)電位器反饋給變頻器電壓信號(hào)，形成過(guò)程控制的閉環(huán)反饋回路。PID控制是一種閉環(huán)控制算法，它對(duì)給定與反饋的誤差進(jìn)行比例P、積分I、微分D運(yùn)算，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果，調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，使反饋值跟隨設(shè)定目標(biāo)值。比例環(huán)節(jié)主要調(diào)節(jié)誤差的比例，快速減小輸入、輸出，純比例P控制時(shí)，誤差不會(huì)為零；積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于Ti，Ti積分時(shí)間常數(shù)" title="時(shí)間常數(shù)">時(shí)間常數(shù)越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)；微分環(huán)節(jié)反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)（變化速率），調(diào)節(jié)誤差的微分輸出，誤差突變時(shí)，能及時(shí)控制，并能在偏差信號(hào)變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。組合三者的優(yōu)勢(shì)，可以得到優(yōu)化的控制性能。
圖2 張力PID閉環(huán)控制框圖
上圖2便是本系統(tǒng)中收線張力PID控制結(jié)構(gòu)原理圖，外部給定信號(hào)與張力測(cè)定的負(fù)反饋信號(hào)形成的誤差經(jīng)過(guò)PID控制器運(yùn)算后送變頻器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，在實(shí)際的工程應(yīng)用中，我們可以通過(guò)設(shè)定比例系數(shù)P、積分時(shí)間常數(shù)Ti和微分時(shí)間常數(shù)Td獲得優(yōu)化性能，達(dá)到生產(chǎn)控制的要求。張力給定外加設(shè)定卷徑給定和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等參數(shù)達(dá)到所需張力的轉(zhuǎn)矩值，能使系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。
四、小結(jié)
在本系統(tǒng)利用變頻器作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制異步電機(jī)同步運(yùn)行，在保持速度一致的情況下，通過(guò)控制電纜收線的張力大小恒定，保證了主從電機(jī)的穩(wěn)步運(yùn)行和收線卷的質(zhì)量，避免速度不穩(wěn)和受到外界干擾產(chǎn)生的較大誤差。這里主要利用了變頻器的強(qiáng)大功能來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)傳動(dòng)的控制，摒棄了模擬量控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的機(jī)電一體化。