CN102117081B - 内建于变频器的具有张力与速度闭回路的张力控制模块 - Google Patents

Abstract

一种内建于变频器的具有张力与速度闭回路的张力控制模块，其中，所需的张力反馈可由该变频器内部运算或由一张力传感器作反馈信号。该张力控制模块是应用于一卷绕机构的张力控制，借由驱动至少一马达，以带动该卷绕机构转动。该张力控制模块是先进行一张力建立控制，对该卷绕机构进行张力平衡控制；后进行一速度调整控制，对该卷绕机构进行加速或减速控制，以确保该卷绕机构在卷绕过程中，可稳定地维持张力平衡。

Description

内建于变频器的具有张力与速度闭回路的张力控制模块

技术领域

本发明是有关一种张力控制模块，尤指一种内建于变频器的具有张力与速度闭回路的张力控制模块。

背景技术

在造纸、金属制品、纺织、塑料加工、电线电缆等工艺的机械设备中，通过对欲处理的对象提供平衡张力的控制，以确保制成产品的稳定质量，是基本也是重要的要求。

比例-积分-微分(Proportional-Integral-Derivative，PID)控制器在传统工业控制上是相当受到重视与最常使用的。因为，PID控制器不但架构简易，而且实现容易。值得一提，PID控制器不仅可提供稳态误差(steady-state error)的消除，并可同时获得适当的相对稳定度(relative stability)与阻尼(damped)特性。

目前变频器内建的张力控制系统多数以线速度模式为主要的控制方式。但在此控制架构下是以控制线速度为主，而被动调整张力，并非以张力为主要的控制对象。因此，在机台启动瞬间或是停止时，甚至速度变动稍大时，就容易因为线速度的不一致而造成张力失控。

配合参见图1是现有张力控制变频器用以驱动马达以控制卷绕机构的操作示意图。在此卷绕机构的张力控制架构中，主要包含两变频器(即为一第一变频器14a与一第二变频器24a)及两马达(即为一第一马达12a与一第二马达22a)，用以控制一受控机械系统100a。该受控机械系统100a是为该卷绕机构，主要包含一第一旋转轴10a、一第二旋转轴20a、一卷绕对象30a以及一感测单元40a。该第一旋转轴10a与该第二旋转轴20a是用以控制该卷绕对象30a的卷绕动作。该第一变频器14a是电性连接该第一马达12a，并且，该第一马达12a是连接该第一旋转轴10a。借由该第一变频器14a驱动该第一马达12a，以带动该第一旋转轴10a转动。同样地，该第二变频器24a是电性连接该第二马达22a，并且，该第二马达22a是连接该第二旋转轴20a。借由该第二变频器24a驱动该第二马达22a，以带动该第二旋转轴20a转动。此外，可分别通过安装在该第一马达12a与该第二马达22a轴心上的一第一编码器16a与一第二编码器26a，检测该第一马达12a与该第二马达22a的转速，以提供闭回路控制下的速度反馈。

该感测单元40a是装设在该第一旋转轴10a与该第二旋转轴20a之间。该感测单元40a是可为一张力传感器(tension sensor)，用以测量该第一旋转轴10a与该第二旋转轴20a间该卷绕对象30a的张力大小；或一线速度传感器(linespeed sensor)，用以测量该第一旋转轴10a与该第二旋转轴20a间该卷绕对象30a的线速度大小。并且，该感测单元40a测量所得的张力大小或线速度大小是提供反馈控制之用。

不论张力传感器或线速度传感器的使用，不仅增加设备成本，让应用场合受限，也会因为不同的反馈来源，而必须设定不同的控制模式与参数，使得现行变频器张力控制方式不利于使用者调控与使用。

因此，如何设计出一种内建于变频器的具有张力与速度闭回路的张力控制模块，能在无张力传感器或线速度传感器的状况下操作，以提供具有操作容易、使用者接受度高以及应用场合广的稳定张力控制，乃为本案发明所欲行克服并加以解决的一大课题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种内建于变频器的具有张力与速度闭回路的张力控制模块，该张力控制模块是应用于一卷绕机构的张力控制，借由驱动至少一马达，以带动该卷绕机构转动。该张力控制模块是包含一第一算术运算单元、一第二算术运算单元、一张力控制器、一张力反馈计算单元、一第三算术运算单元、一速度控制器以及一第四算术运算单元。

该第一算术运算单元是接收一外部张力命令。该第二算术运算单元是接收一外部速度命令。该张力控制器是电性连接该第一算术运算单元，用以接收一张力偏差值，并对该张力偏差值进行比例、积分以及微分运算，以输出运算后的一转矩值。该张力反馈计算单元是电性连接该第一算术运算单元，用以接收该马达的一输出角速度以及该张力控制器输出的该转矩值，用以输出一张力反馈值。其中，该张力偏差值是为该第一算术运算单元计算该外部张力命令与该张力反馈值相减。该第三算术运算单元是电性连接该张力反馈计算单元，用以计算该张力反馈计算单元输出的该张力反馈值与该卷绕机构的一旋转轴的卷径乘积，所得到一抵抗转矩值。该速度控制器是电性连接该第二算术运算单元，用以接收一速度偏差值，并对该速度偏差值进行比例、积分以及微分运算，以输出运算后的一补偿转矩值。其中，该速度偏差值是为该第二算术运算单元计算该外部速度命令与该马达的该输出角速度相减。该第四算术运算单元是电性连接该张力控制器、该张力反馈计算单元、该速度控制器以及该第三算术运算单元，用以计算该张力控制器输出的该转矩值与该卷绕机构所产生的该抵抗转矩值相减，所得到的净转矩值进行控制，以执行一张力建立控制；而后再计算该速度控制器输出的该补偿转矩值相加，所得到的净转矩值进行控制，以执行一速度调整控制。

借此，本发明的功效在于，该张力控制模块是先进行该张力建立控制，对该卷绕机构进行张力平衡控制；后进行该速度调整控制，对该卷绕机构进行加速或减速控制，以确保该卷绕机构在卷绕过程中，可稳定地维持张力平衡。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1现有张力控制变频器用以驱动马达以控制卷绕机构的操作示意图；

图2本发明张力控制变频器用以驱动马达以控制卷绕机构的操作示意图；

图3本发明具有张力反馈的张力控制回路方框图；

图4本发明具有整合张力闭回路与速度闭回路的张力控制回路方框图；

图5本发明张力控制变频器的张力建立示意图；及

图6本发明张力控制变频器的速度调控示意图。

其中，附图标记

现有技术

100a   受控机械系统    22a    第二马达

10a    第一旋转轴      24a    第二变频器

12a    第一马达        26a    第二编码器

14a    第一变频器      30a    卷绕物件

16a    第一编码器           40a    感测单元

20a    第二旋转轴

本发明

100    受控机械系统          F1    第一张力

10     第一旋转轴            ΔF1  第一张力偏差值

12     第一马达              ΔW1  第一速度偏差值

14     第一变频器            ΔT1  第一补偿转矩值

140    第一张力控制模块      20    第二旋转轴

141    第一算术运算单元      22    第二马达

142    第一张力PID控制器     24    第二变频器

143    第二算术运算单元      240   第二张力控制模块

144    第一张力反馈计算单元  241   第五算术运算单元

145    第三算术运算单元      242   第二张力PID控制器

146    第一速度PID控制器     243   第六算术运算单元

147    第四算术运算单元      244   第二张力反馈计算单元

16     第一编码器            245   第七算术运算单元

R1     第一卷径              246   第二速度PID控制器

J1     第一转动惯量          247   第八算术运算单元

W1     第一角速度            26    第二编码器

T1     第一转矩              R2    第二卷径

α1    第一角加速度          J2    第二转动惯量

W2     第二角速度            ΔW2  第二速度偏差值

T2     第二转矩              ΔT2  第二补偿转矩值

α2    第二角加速度          30    卷绕物件

F2     第二张力              Fc    张力命令

ΔF2   第二张力偏差值        Wc    速度命令

具体实施方式

有关本发明的技术内容及详细说明，配合图式说明如下：

请参见图2是本发明张力控制变频器用以驱动马达以控制卷绕机构的操作示意图。在此卷绕机构的张力控制架构中，无张力传感器或线速度传感器的使用，亦即，无需提供张力反馈信号或线速度信号给该张力控制变频器。该卷绕机构的张力控制架构是主要包含两变频器(即为一第一变频器14与一第二变频器24)及两马达(即为一第一马达12与一第二马达22)，用以控制一受控机械系统100。该受控机械系统100是为该卷绕机构，是主要包含一第一旋转轴10、一第二旋转轴20以及一卷绕对象30。该第一旋转轴10与该第二旋转轴20是用以控制该卷绕对象30的卷绕动作。该第一变频器14是电性连接该第一马达12，并且，该第一马达12是连接该第一旋转轴10。借由该第一变频器14驱动该第一马达12，以带动该第一旋转轴10转动。同样地，该第二变频器24是电性连接该第二马达22，并且，该第二马达22是连接该第二旋转轴20。借由该第二变频器24驱动该第二马达22，以带动该第二旋转轴20转动。此外，可分别通过安装在该第一马达12与该第二马达22轴心上的一第一编码器16与一第二编码器26，检测该第一马达12与该第二马达22的转速，以提供闭回路控制下的速度反馈。

值得一提，该第一变频器14与该第二变频器24是自动计算该卷绕对象30的在线张力值作一PID控制器的反馈，并且，控制时是以张力命令为设定目标值。上述的PID控制，将在后文配合图3与图4详细说明。

本发明是提出一以张力调控为主、速度调控为辅的张力控制策略。亦即，对于该受控机械系统100的控制，是采以先建立该卷绕对象30的张力平衡之后，再进行速度调控，以确保该卷绕对象30在加速或减速的卷绕过程中，可以稳定地维持张力平衡。故此，先仅以张力建立的控制为例说明(配合图3)，直到张力建立完成后，再加入速度调控为例说明(配合图4)。

请参见图3是本发明具有张力反馈的张力控制回路方框图。对于以卷绕机构受控系统为例说明。配合图2所示，该受控机械系统100是具有下述的参数规格：

第一卷径R1是为该第一旋转轴10的半径；

第一转动惯量J1是为该第一旋转轴10的转动惯量大小；

第一角速度W1是为该第一旋转轴10(亦即该第一马达12)的转速大小；

第一转矩T1是为该第一旋转轴10的转矩大小；

第一角加速度α1是为该第一旋转轴10(亦即该第一马达12)的角加速度大小；

第一张力F1是为该卷绕对象30近该第一旋转轴10端的张力大小；

第二卷径R2是为该第二旋转轴20的半径；

第二转动惯量J2是为该第二旋转轴20的转动惯量大小；

第二角速度W2是为该第二旋转轴20(亦即该第二马达22)的转速大小；

第二转矩T2是为该第二旋转轴20的转矩大小；

第二角加速度α2是为该第二旋转轴20(亦即该第二马达22)的角加速度大小；及

第二张力F2是为该卷绕对象30近该第二旋转轴20端的张力大小。

根据该受控机械系统100的动态方程式(如下表示)：

T1-F1×R1＝J1×α1

T2-F2×R2＝J2×α2

可求得该卷绕对象30的在线张力计算式：

F1＝(T1-J1×α1)/R1    (第1式)

F2＝(T2-J2×α2)/R2    (第2式)

并且，利用该第一马达12与该第二马达22的速度反馈，是可分别得到该第一角速度W1、该第一角加速度α1与该第二角速度W2、该第二角加速度α2。因此，可以计算该卷绕机构受控系统的张力反馈值并进行PID控制的调控，以得到转矩命令，最终达到该第一张力F1与该第二张力F2平衡。

该第一变频器14与该第二变频器24是分别内建一第一张力控制模块140与一第二张力控制模块240。其中，该第一张力控制模块140是包含一第一张力PID控制器142、一第一张力反馈计算单元144、一第一算术运算单元141、一第三算术运算单元145以及一第四算术运算单元147；该第二张力控制模块240是包含一第二张力PID控制器242、一第二张力反馈计算单元244、一第五算术运算单元241、一第七算术运算单元245以及一第八算术运算单元247。该第一算术运算单元141与该第五算术运算单元241是分别接收一外部张力命令Fc。

该第一张力反馈计算单元144是电性连接该第一算术运算单元141，用以接收该第一张力PID控制器142所输出的该第一转矩T1并该第一马达12输出的该第一角加速度α1。由于，该第一旋转轴10的该第一卷径R1与该第一转动惯量J1为该第一旋转轴10设计完成后即为确定的定值参数，因此，根据上述的在线张力计算第1式，可求得该第一张力F1。并且，该第一算术运算单元141是计算该张力命令Fc与该第一张力F1的张力差值(即为该张力命令Fc减去该第一张力F1)，可得一第一张力偏差值ΔF1。该第一张力偏差值ΔF1即为该第一张力控制模块140张力控制量的期望值与实际值的差异。该第一张力PID控制器142是电性连接该第一算术运算单元141，用以接收该第一张力偏差值ΔF1，通过该第一张力PID控制器142对该第一张力偏差值ΔF1进行比例运算、积分运算以及微分运算，并输出调控后的该第一转矩T1。此外，该第三算术运算单元145是电性连接该第一张力反馈计算单元144，用以计算该第一张力反馈计算单元144输出的该第一张力F1与该第一旋转轴10的该第一卷径R1乘积，即可得到该第一旋转轴10的转矩(F1×R1)。由于该转矩(F1×R1)是与该第一转矩T1为方向相反的抵抗转矩值，因此，该第一马达12所受到的实际净转矩值是为该第一转矩T1与该转矩(F1×R1)的差值。并且，通过一第一驱动器(未图标)的转矩模式驱动该第一马达12，以控制该受控机械系统100的该第一旋转轴10转动，以执行一张力建立控制。

同样地，该第二张力反馈计算单元244是电性连接该第五算术运算单元241，用以接收该第二张力PID控制器242所输出的该第二转矩T2并该第二马达22输出的该第二角加速度α2。由于，该第二旋转轴20的该第二卷径R2与该第二转动惯量J2为该第二旋转轴20设计完成后即为确定的定值参数，因此，根据上述的在线张力计算第2式，可求得该第二张力F2。并且，该第五算术运算单元241是计算该张力命令Fc与该第二张力F2的张力差值(即为该张力命令Fc减去该第二张力F2)，可得一第二张力偏差值ΔF2。该第二张力偏差值ΔF2即为该第二张力控制模块240张力控制量的期望值与实际值的差异。该第二张力PID控制器242是电性连接该第五算术运算单元241，用以接收该第二张力偏差值ΔF2，通过该第二张力PID控制器242对该第二张力偏差值ΔF2进行比例运算、积分运算以及微分运算，并输出调控后的该第二转矩T2。此外，该第七算术运算单元245是电性连接该第二张力反馈计算单元244，用以计算该第二张力反馈计算单元244输出的该第二张力F2与该第二旋转轴20的该第二卷径R2乘积，即可得到该第二旋转轴20的转矩(F2×R2)。由于该转矩(F2×R2)是与该第二转矩T2为方向相反的抵抗转矩值，因此，该第二马达22所受到的实际净转矩值是为该第二转矩T2与该转矩(F2×R2)的差值。并且，通过一第二驱动器(未图标)的转矩模式驱动该第二马达22，以控制该受控机械系统100的该第二旋转轴20转动，以执行一张力建立控制。

在本发明中，是可分别通过安装在该第一马达12与该第二马达22轴心上的该第一编码器16与该第二编码器26，检测该第一马达12的该第一角速度W1与该第二马达22的该第二角速度W2。此外，亦可利用速度估测方法估算出该第一角速度W1与该第二角速度W2。因此，可不需使用该第一编码器16与该第二编码器26。

通过上述具有张力反馈的张力控制回路，得以利用转矩控制为主要系统架构，启动该第一马达12与该第二马达22，以建立该卷绕对象30的张力平衡。配合参见图5是本发明张力控制变频器的张力建立示意图。当该卷绕对象30由张力未平衡状态，经过该第一马达12与该第二马达22以不同旋转方向(一为逆时针旋转，另一为顺时针旋转)低速启动，当该第一旋转轴10的该第一张力F1与该第二旋转轴20的该第二张力F2达到平衡(或在容许的张力误差范围内)，即完成张力建立。

请参见图4是本发明具有整合张力闭回路与速度闭回路的张力控制回路方框图。当该卷绕对象30的张力平衡之后，接着进行速度调控。如图4所示，该第一张力控制模块140与该第二张力控制模块240是分别切入一第一速度PID控制器146与一第二速度PID控制器246。该第一张力控制模块140与该第二张力控制模块240是分别接收一外部速度命令Wc。

该第二算术运算单元143是计算该速度命令Wc与该第一马达12输出的该第一角速度W1的速度差值(即为该速度命令Wc减去该第一角速度W1)，可得一第一速度偏差值ΔW1。该第一速度偏差值ΔW1即为该第一张力控制模块140速度控制量的期望值与实际值的差异。该第一速度PID控制器146是电性连接该第二算术运算单元143，用以接收该第一速度偏差值ΔW1，通过该第一速度PID控制器146对该第一速度偏差值ΔW1进行比例运算、积分运算以及微分运算，并输出运算后的一第一补偿转矩值ΔT1。若该第一马达12的该第一角速度W1不足，则利用该第一速度PID控制器146的调控，并输出正值的该第一补偿转矩值ΔT1；若该第一马达12的该第一角速度W1过大，则利用该第一速度PID控制器146的调控，并输出负值的该第一补偿转矩值ΔT1。此外，该第四算术运算单元147是电性连接该第一张力PID控制器142、该第一张力反馈计算单元144、该第一速度PID控制器146以及该第三算术运算单元145，用以计算该第一张力PID控制器142输出的该第一转矩T1与该第一旋转轴10所产生的该抵抗转矩值(F1×R1)相减，而后再计算该第一速度PID控制器146输出的该第一补偿转矩值ΔT1相加。因此，在具有整合张力闭回路与速度闭回路的张力控制架构下，该第一马达12所受到的实际净转矩值是为该第一转矩T1与该转矩(F1×R1)的差值，再加上该第一补偿转矩值ΔT1。并且，通过该第一驱动器的转矩模式驱动该第一马达12，以控制该受控机械系统100的该第一旋转轴10转动，以执行一速度调整控制。

同样地，该第六算术运算单元243是计算该速度命令Wc与该第二马达22输出的该第二角速度W2的速度差值(即为该速度命令Wc减去该第二角速度W2)，可得一第二速度偏差值ΔW2。该第二速度偏差值ΔW2即为该第二张力控制模块240速度控制量的期望值与实际值的差异。该第二速度PID控制器246是电性连接该第六算术运算单元243，用以接收该第二速度偏差值ΔW2，通过该第二速度PID控制器246对该第二速度偏差值ΔW2进行比例运算、积分运算以及微分运算，并输出运算后的一第二补偿转矩值ΔT2。若该第二马达22的该第二角速度W2不足，则利用该第二速度PID控制器246的调控，并输出正值的该第二补偿转矩值ΔT2；若该第二马达22的该第二角速度W2过大，则利用该第二速度PID控制器246的调控，并输出负值的该第二补偿转矩值ΔT2。此外，该第八算术运算单元247是电性连接该第二张力PID控制器242、该第二张力反馈计算单元244、该第二速度PID控制器246以及该第七算术运算单元245，用以计算该第二张力PID控制器242输出的该第二转矩T2与该第二旋转轴20所产生的该抵抗转矩值(F2×R2)相减，而后再计算该第二速度PID控制器246输出的该第二补偿转矩值ΔT2相加。因此，在具有整合张力闭回路与速度闭回路的张力控制架构下，该第二马达22所受到的实际净转矩值是为该第二转矩T2与该转矩(F2×R2)的差值，再加上该第二补偿转矩值ΔT2。并且，通过该第二驱动器的转矩模式驱动该第二马达22，以控制该受控机械系统100的该第二旋转轴20转动，以执行一速度调整控制。

通过上述具有整合张力闭回路与速度闭回路，得以利用转矩模式控制该第一马达12与该第二马达22在加速或减速的卷绕过程中，可以稳定地维持该卷绕对象30的张力平衡。配合参见图6是本发明张力控制变频器的速度调控示意图。当该卷绕对象30张力建立完成，经过该第一马达12与该第二马达22以相同旋转方向(同为逆时针旋转，或同为顺时针旋转)加速转动，以分别带动该第一旋转轴10与该第二旋转轴20进行收卷或放卷动作。值得一提，该第一张力控制模块140与该第二张力控制模块240的张力控制回路的频宽设定必须高于速度控制回路的频宽，以确保在加速或减速的卷绕过程中，可以借由同步该张力闭回路与该速度闭回路对控制系统的转矩命令做调适，以稳定地维持张力平衡。

此外，在本发明所揭露的实施例中，除了可在无张力反馈传感器使用状况下，利用该变频器内部计算所需的张力反馈；另外，也可以在有张力反馈传感器使用情况下，利用该张力传感器感测该张力反馈。

综上所述，本发明具有以下的优点：

1.整合张力闭回路与速度闭回路的张力控制变频器，能在无张力传感器或线速度传感器的状况下操作，不仅降低设备成本，更提供具有操作容易、使用者接受度高以及应用场合广的稳定张力控制。

2.在经由调整该张力控制回路与该速度控制回路的该些PID控制器，能增加张力控制的稳定性，使得张力和速度可分别保持在张力目标值与速度目标值附近。

3、在加速或减速的卷绕过程中，可通过适当地设计该第一速度PID控制器146与该第二速度PID控制器246的比例增益、积分增益以及微分增益，得以大大地改善速度反馈震荡的情况发生，而提高制成产品的的良率，降低材料成本。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种内建于变频器的具有张力与速度闭回路的张力控制模块，该张力控制模块应用于一卷绕机构的张力控制，借由驱动至少一马达，以带动该卷绕机构转动；其特征在于，该张力控制模块包含：

一第一算术运算单元，接收一外部张力命令；

一第二算术运算单元，接收一外部速度命令；

一张力控制器，电性连接该第一算术运算单元，用以接收一张力偏差值，并对该张力偏差值进行比例、积分以及微分运算，以输出运算后的一转矩值；

一张力反馈计算单元，电性连接该第一算术运算单元，用以接收该马达的一输出角速度以及该张力控制器输出的该转矩值，用以输出一第一张力；其中，该张力偏差值为该第一算术运算单元计算该外部张力命令与该第一张力相减；

一第三算术运算单元，电性连接该张力反馈计算单元，用以计算该张力反馈计算单元输出的该第一张力与该卷绕机构的一旋转轴的卷径乘积，所得到一抵抗转矩值；

一速度控制器，电性连接该第二算术运算单元，用以接收一速度偏差值，并对该速度偏差值进行比例、积分以及微分运算，以输出运算后的一补偿转矩值；其中，该速度偏差值为该第二算术运算单元计算该外部速度命令与该马达的该输出角速度相减；及

一第四算术运算单元，电性连接该张力控制器、该张力反馈计算单元、该速度控制器以及该第三算术运算单元，用以计算该张力控制器输出的该转矩值与该卷绕机构所产生的该抵抗转矩值相减，所得到该转矩值与该抵抗转矩值的差值进行控制，以建立一张力建立控制；而后再计算该速度控制器输出的该补偿转矩值与前述该转矩值和该抵抗转矩值的差值相加，所得到的净转矩值进行控制，以建立一速度调整控制；

借此，该张力控制模块是先进行该张力建立控制，对该卷绕机构进行张力平衡控制；后进行该速度调整控制，对该卷绕机构进行加速或减速控制，以确保该卷绕机构在卷绕过程中，稳定地维持张力平衡。

2.根据权利要求1所述的内建于变频器的具有张力与速度闭回路的张力控制模块，其特征在于，该张力控制模块是整合该张力建立控制与该速度调整控制以进行同步控制。

3.根据权利要求1所述的内建于变频器的具有张力与速度闭回路的张力控制模块，其特征在于，该马达还包含在其轴心上的一编码器，用以计算该马达的该输出角速度。

4.根据权利要求1所述的内建于变频器的具有张力与速度闭回路的张力控制模块，其特征在于，该马达的该输出角速度是利用速度估测方法求得。

5.根据权利要求1所述的内建于变频器的具有张力与速度闭回路的张力控制模块，其特征在于，该张力建立控制回路的频宽是高于该速度调整控制回路的频宽。

6.根据权利要求1所述的内建于变频器的具有张力与速度闭回路的张力控制模块，其特征在于，该卷绕机构的张力控制是以转矩模式驱动该马达。

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