用TMT Optidrive Plus 3GV系列变频器开环控制拉丝机

1、引言
　　 对于大部分使用拉丝机的国内金属加工企业来说，国产拉丝机械产品已经能够被接受替代国外的产品，拉丝机械主要配套国外变频器，主要原因有两个，一是国产变频器技术在一段时间内落后于国外变频器厂家，无论从控制算法的*性，可实现性，还是从硬件平台的简易性，稳定性都有一定的差距。二是对于大部分国外拉丝机械设备生产商来说，也倾向于配套国外变频器和PLC。针对拉丝机械配套市场，变频器配置*快速的PID控制算法，针对各种不同的拉丝机械，均能够实现较为简洁方便的拉丝机控制方式。
　　2、拉丝机工作分析
　　 从产品终端来说，拉丝机可以分为大拉机，中拉机，小拉机，微拉机。而从拉丝机内部控制方式和结构来说，可以分为水箱式，滑轮式，直进式等主要的几种。对于不同要求，不同精度规则的产品，不同的金属物料，可选择不同规格的拉丝机械。对电线电缆生产企业，双变频控制的细拉机应用比较广泛，相对而言，其要求的控制性能也较低，而对大部分钢丝生产企业，针对材料特性，其精度要求和拉拔稳定度高，因此使用直进式拉丝机较多，不同的拉丝机械，其工作过程基本相同
　　 放线:金属丝的放线速度，对于整个拉丝机环节来说，其控制没有过高精度要求，对部分双变频控制的拉丝机械，甚至可以通过拉丝环节的丝线张力通过一圆盘拉伸。对大部分拉丝机械，放线的控制是通过变频器驱动放线机实现的。
　　 拉丝:拉丝环节是拉丝机zui为重要的环节。不同金属物料，不同的产品精度和要求，拉丝环节有很大的不同，双变频控制拉丝机拉丝部分与放线部分共用一台电机，金属丝通过内部塔轮的导引，经过模具而逐步拉伸。而直进式拉丝机拉伸效率较高，对每一道拉丝工序，都需要一台电机带动，因此其控制也zui为复杂。
　　 收线:收线环节的工作速度决定了整个拉丝机械的生产效率。
　　3、变频控制拉丝机械工作原理分析
　　 双变频式拉丝机的控制流程如图1:主控操作面板设定输出拉丝环节速度信号，拉丝环节变频器按给定速度工作，由于对产品精度和拉拔要求不高，金属丝在通过不同模具时的速度差异通过机械机构实现，而不必要对每道拉拔都实现速度控制。金属制成品在收线端通过一个位移传感器传感器，反馈卷径的大小。反馈输入到收卷变频器，收卷变频器将设定张力乘以卷径系数，作为收卷张力，内部闭环实现收卷恒张力控制。比起速度控制更直接。　
　　 使用变频器的典型直进式系统控制如2，操作面板负责设定主动变频器的速度和收卷变频器的张力。主动变频器将运行和速度信号给到下面的从动变频器，从动变频器将速度信号乘以设定的速度比例系数再乘以电机动态扭矩分担系数，作为速度输出。变频器内部闭环的PID速度控制，不需要外部反馈。实现真正的拉丝同步控制。收卷控制同上面双变频器控制，以恒定张力的控制模式完成收卷。下面详细介绍变频器开环拉丝同步控制原理
　　 首先，谈一下活套拉丝机采用开环调速的条件。活套拉丝机是一种常见的拉丝机械，拉拔效率高，工艺性好，磨损小等优点得以广泛应用。其传动要求是起停平稳，能无级调速，低速时有足够的力矩，各个滚筒之间速度同步。很长时间，技术人员都专注考虑活套闭环控制系统，活套的位置检测难于取出，而且控制位置多，故障点自然多，可靠性自然降低。所以生产中有开环控制的需求。以上的传动特点TMT变频器*。0转速可以提供*转矩的输出能力大大的保证了低速时的力矩要求。随负载突变，转矩的快速响应，保证了的转速输出（负载突变情况下，速度变化小于1%）。电子齿轮功能的主从控制模式，主机传送给从机的数字速度指令是通过RS485协议通信的，避免了模拟量的误差，从动变频器只需设定与主机的速度比例，运转指令和速度指令*来自于主机保证了传动的同步。下面分析，起停，运行中，同步控制各个滚筒的速度比。
　　 根据各个拉丝孔，金属秒流量恒定的原则，我们可以断定
　　Vo/t=L/t*S (1) 
　　Ve = L/t (2)
　　所以Ve1*S1= Ven*Sn (3)
　　Ven=Ve1*S1/Sn (4)
　　Ve=2πR*N (5)
　　Vo金属体积；Ve线速度：L金属长度；S拉丝孔面积；N滚筒单位时间转数
　　R滚筒半径；t时间；n 拉丝孔位数；
　　由（4）（5）式可得出
　　Nn=N1*S1/Sn (6)
　　 从上式可以看出，电机转数只与拉丝孔孔面积有关，而且启动停止过程此公式依然正确，如果金属的材质，拉拔得摩擦系数等等，能够相对稳定，就可以保证速度同步，就不会出现断丝和累积松套现象。
　　再看一下每一个拉丝滚筒的转矩情况
　　Tc=P R (7)
　　Tc 电机转矩 ； P 拉拔力 ； R 滚筒半径
　　P=43.56d2　　σp Kg 
　　 σp 拉拔抗拉强度，一般原料均匀性基本不变，可视为常数
　　 Kg 钢丝截面压缩率系数，一般为0.0054—0.025
　　 d 拉拔后钢丝直径，一般与模孔磨损有关，磨损量在0.02mm/8小时，一般可以看成常数
　　 可以看到电机转矩基本不变，所以对于TMT Optidrive Plus 3GV 来说速度精度是可以满足拉丝工艺要求的。
　　Optidrive Plus 3GV 变频器*的负载分担功能，能更的的实现拉丝机的工艺要求。
　　 在矢量控制速度模式下，参数P6-09提供了一个因负载转矩变化的一个速度变化设定。依据电机负载条件，随着负载的变化将给出速度的变化值，公式如下： 
　　 （1）
　　拉丝辊的转矩=金属变形需要的转矩+上位张力机构的拉力 （2） 　　
　　 因此，拉丝机的本位变频器的速度是一个复合给定，除了上位变频器给定的速度信号以外，速度还受本位变频器的输出转矩影响。假设拉丝孔处金属变形所需要的转矩不变，电机转矩输出的变化来自于上位拉丝电机的速度变化。如果上位速度减小则张力机构张力增大，反之减小。因此可以断定上位给丝的速度影响到本为电机的转矩。本位变频器的输出转矩增大则速度会自动减低，输出转矩减小则速度增大。这种负载分担的*功能，保证了负载突变时的速度同步变化的跟随速度，因此避免了断丝松套发生。
　　 综合上面速度和转矩的控制特点，实现开环拉丝控制是*可能的。　
　　4、 拉丝机使用变频器优势介绍
　　 使用转速和电流闭环的无传感器矢量控制方式，快速的速度和转矩闭环，减免了测速机构，实现较高的控制精度和控制性能。
　　 高性能的低频转矩特性，150%的起动转矩， 0Hz*的转矩输出。
　　 *的内置PID闭环控制算法，确保PID控制器性能达到*，zui大限度方便客户的PID控制器参数设置。
　　 高速的控制CPU内核，保证了控制性能的快速性，高达*的直流制动力矩，对尤其是拉丝机等具有冲击性的负载，保证了其快速的响应特性，确保拉丝机停机不断线。
　　 完善的故障保护功能，zui大限度地对拉丝机械和变频器本身进行保护。
　　5、 结束语
　　 Optidrive Plus 3GV变频器的高性能和完善的功能，使其在各个行业得到了广泛的应用，对于部分V/F变频器满足不了的要求高场合，其优势更为明显。变频器在拉丝机械上使用中，免除了客户端繁杂的外部设备，内置PID的内部闭环速度控制调节方便简单，满足工艺要求，节电效果明显。
　　相关参数设定
　　 主从同步速度控制参数设定
　　 通过变频器内部的RJ11接口和光纤接口都可以实现变频器的网络通信连接，实现主从模式控制。
　　 如果使用光学纤维通信，两个变频器之间光缆zui长1米，zui多一个主机两个从机，从机光缆必须与主机相联。
　　 对于通过RS485数据联接的网络，可以通过分线器顺次相联,一个主机可以挂zui多62台从机. 485 电缆长度以能够避免噪声干扰为基本原则 
　　下面详细介绍参数设定，实现数字齿轮箱的功能
　　• 参数：
　　P2-27 变频器通信地址
　　本参数定义变频器的网络地址，每一个变频器在网络中有*的地址数，具有相同的网络地址变频器在同一网络中运行会造成不可靠的运行状态。
　　地址范围 1 到 63.
　　任何网络中，必须有地址1的变频器。地址1的变频器在网络中所有节点的中的变频器的同步运行具有特殊的功能。包括在PDAs或 Optiport+ options.通信中
　　网络中的主变频器网络地址必须设定为1，其他从变频器设定为大于1的地址。
　　P2-28 主/从模式选择
　　本参数的设定要求变频器地址1必须设定在网络中，然后才可以选择不同模式 
　　一般的网络中只有一个主变频器，其他的都是从变频器。
　　注意: 主变频器地址必须是 1
　　P2-29从变频器速度比率系数设定
　　本参数定义了从变频器的比例系数，本系数乘以主机的速度就是本机的速度设定。 
　　次参数只有在从机模式且P2-35 > 0时可以设定
　　本参数可以用于“数字齿轮箱功能”的应用。例如, 一般的操作中，主机发送运行命令与主速度参考信息。如果用户意图主从变频器之间速度按比例运行，此时本参数可以设为比例系数。
　　例如：如果主机速度为50Hz，用户设定本参数为 50.0%, 那么从机运行速度将是25Hz, 而且从机将按固定比例随主机速度变化。
　　注意：为了达到满意地速度同步变化，从变频器的加速时间(P1-03) 和减速时间(P1-04) 应该与主变频器一致。
　　P2-35 数字速度设定系数控制
　　此参数适用于主从模式控制的从机在面板控制模式时的参考速度比率控制。
　　当 P2-35 = 1, 变频器的速度设定将以P2-29中的预置速度为基准。
　　当 P2-35 = 2, 双极性模拟量输入与速度设定相加修正速度设定。
　　 zui大模拟量输入代表 P1-01的值.
　　 速度设定= ( 数字速度设定× P2-29 ) + 双极性模拟量输入
　　当 P2-35 = 3, 模拟量输入将 从0%到200% 分度速度设定
　　 速度设定 = ( 数字速度设定 × P2-29 ) × 双级模拟量输入
　　• 特别注意:
　　主变频器可以为任何运行模式 (P1-12=0, 1, 2, 3 或 4). 然而从变频器之可以设定为面板控制模式 (P1-12=1 or 2). 如果参数 P1-12在从变频器中设定为 1, 那么任何主变频器发送的负值速度被当作零处理。
　　使用速度减低方式实现消除累计转矩误差
　　速度减低控制功能应用于两个或多个变频器驱动同一个由机械相联接的负载时的速度控制功能。此类应用的关键在于两个不同电机负担同一个负载的速度同步控制。Plus 变频器提供了单独的降速参数，实现当两个同步运行的两个电机中后一个电机中的转矩增大时自动降速的控制。下面详细介绍本减速功能的应用。
　　• 参数：
　　本参数划归特殊参数组6，意图进入特殊参数组6 需要将702输入参数P1-14中.
　　P6- 09 降速控制
　　注意：只有矢量速度控制模式(P4-01=0)本参数才可用。 
　　参数置零，降速功能禁止. 
　　假如 P6-09 > 0, 那么本参数将定义一个电机额定转矩下的滑差速度。降低速度备表示位参数P1-09的百分率.依据电机的负载条件， 电机速度将按如下等式减低电机速度: 　　 
　　这里, 降低速度= P6-09 * P1-09
　　• 当电机负载增加，实际电机速度将自动按输出转矩与额定转矩能力的比例减低速度输出。反过来，负载减轻，速度会提高。这样可以保持同步运行的电机消除累计的负载物差。
　　• 举例
　　P1-09 =50 Hz, P6-09 = 10.0%. 
　　当变频器运行在 40Hz并且转矩输出时额定转矩的 80%时
　　电机速度 = 40Hz – ( (10% * 50Hz) * 80%) = 36Hz.
　　这种速度控制同样适合反转运行 (如 -40Hz设定速度 导致 -36Hz 的实际输出)
　　收卷张力控制
　　Optidrive Plus 3GV系列及其可以运行在转矩控制模式 (P4-01=1) ，设定输入将直接控制电机的转矩输出而不是控制电机的速度。
　　下面阐述如何配置变频器参数。
　　V/F 模式下不可能实现转矩控制.。而且必须在对电机进行自动参数检定以后 。
　　• 转矩控制关键参数: 
　　P4-06 转矩设定选择
　　此参数用于转矩设定的选择
　　0: 固定预置 转矩设定预置在参数 P4-07中. 如果选用此设定, 电机的转矩输出设定值将以而定转矩的百分率固定的设定在参数P4-07中. 电机的而定转矩在电机参数侦测中自动决定。
　　1: 双极模拟量输入 假如需要变化的转矩设定, 模拟量输入可以用于转矩设定。这种模式下, 设定值可以实时的按模拟量输入的比率改变。参数 P2-30定义模拟量输入类型. 模拟量输入格式必须是单极的。–10V…+10V”的选择是不知耻转矩模式的 。
　　2: 2nd 模拟量输入 第二模拟量输入将作为电机转矩输出的设定. 参数 P2-33定义模拟量输入格式
　　3: Modbus 转矩设定 这种选择只适合3GV-M 变频器。 选择这种模式后，电机的转矩限制是由Modbus master给定的。给定值的范围是 0% 到 200%. 更多信息参阅AN-ODP-38.
　　P4-08 zui小转矩设定
　　本参数限定zui小转矩设定值。此参数用于避免电机启动时过低的转矩造成电机锁定。参数默认值时零。用户一般需要调整次参数，以便获得低速（低转矩）区域更好的控制效果 。
　　如果模拟量用于改变转矩设定，转矩输出将按照模拟量输入线性比例分度，从P4-08 到 P4-07（zui大转矩输出）.
　　所有的转矩控制，zui大速度不会超过P1-01的设定值. 
　　• 可变速度限制转矩控制模式：
　　转矩控制模式选择参数P4-01 = 1 (矢量转矩控制). 转矩设定选择由参数 P4-06设定. 设定 P4-06 = 2 和 P2-01 = 4 使用 2nd 模拟量输入作为转矩控制设定
　　这种配置, 双极性模拟量输入将设定为速度限制数字输入 2 将控制电机转向
　　还可以选择, 设定P2-01=19 并且数字输入 2打开始 2nd 模拟量输入用作可变的转矩设定，双极性模拟量输入作为速度限制输入。 
　　转矩控制模式 (P4-01=1)下，如果数字两输入2闭合，那么变频器的速度限制将是, P1-01 (zui大速度限制)起作用
　　转矩控制模式下 (P4-01=1),用户需要避免使用同一个模拟量输入作为速度限制和转矩给定。这种条件下zui大速度限制将由P1-01 限定。
　　增加P1-03 有助于在某些应用中在启动时减小速度突变。
　　例子 1 : 可调转矩设定，固定速度限制, 
　　P1-12 = 0 (端子模式)
　　P2-01 = 0 (数字量输入功能选择)
　　P4-01 = 1 (转矩模式)
　　P4-06 = 1 (双极性模拟量输入用作转矩设定)
　　变频器是端子控制模式，双极性模拟量输入为转矩设定，如果数字量输入 2 打开, 速度限制 P1-01 (zui大速度限制)起作用. 如果数字量输入 2闭合, 速度限制为预制速度1的值起作用. 
　　不同的 P2-01设定将给出不同的选择，包括外部报警输入，通过预置速度的设定选择不同zui大速度限制等 。
　　转矩控制模式, zui大速度输出被速度设定值限制的。 面板控制模式下，速度设定由数字键控制端子模式下，取决于P2-01的设定功能. 
　　例子 2 :变转矩设定, 变速度限制
　　P1-12 = 0 (端子模式)
　　P2-01 = 19 (模拟量1 / 模拟量输入 2 选择)
　　P4-01 = 1 (转矩模式)
　　P4-06 = 1 (双极性模拟量输入作为转矩设定)
　　这种状态下，zui大速度限制是随模拟量输入动态变化的。第二数字量输入必须闭合，所以第二模拟量输入作为速度限制输入。此时双极性模拟量输入作为转矩设定输入，第二模拟量输入作为可变的上限速度输入。 
　　注意 如果速度限制和转矩设定用同一个模拟量输入，即数字量输入二打开。那么速度限制由(P1-01)的值决定.
　　根据 P2-01的设定，同样可以实现zui大速度由预置速度决定。
　　在转矩模式下运行，显示估计的运行速度而不是设定速度。