CN103111489B - 一种卷取机的传动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及传动控制技术领域，公开了一种卷取机的传动控制方法，包括：计算得到惯性转矩T_ine；具体方法为：通过固定惯量J_fix和可变惯量J_vari计算得到总惯量J_total；惯性转矩T_ine为总惯量乘以角速度相对于时间的导数；根据卷取机所处的工作状态对卷取机的总转矩T_total,set进行设定；若卷取机处于单动工作状态，则T_total,set=T_speed+T_ine，式中，T_speed为调速转矩；若卷取机处于联动工作状态，则T_total,set=T_tension+T_ine，式中，T_tension为张力转矩。本发明实现了对卷取机的高精度传动控制。

Description

一种卷取机的传动控制方法

技术领域

本发明涉及传动控制技术领域，主要适用于卷取机的传动控制方法。

背景技术

在带钢生产时，为保证产品质量和工艺过程稳定，需要在全线保持高精度和高速度的传动控制，其中卷取机的传动控制精度直接影响成品的板形质量及厚度公差，因此十分重要。

卷取机的工作情况比较复杂，其工作状态分为单动工作状态和联动工作状态。单动工作状态是指卷取机上没有带钢或刚卷上带钢，张力还没有建立起来的情况，此时卷取机传动工作在转速控制模式下；联动工作状态是指卷取机已卷上带钢且张力已经建立起来的情况，卷取机传动工作在张力控制模式下，这种状态下还包括有加减速阶段和稳速阶段，且轧机的末机架辊缝可能还会有调节。在加减速阶段和轧机末机架辊缝不断调节的情况下都需要保持带钢张力恒定，这样才能使成品钢卷的板形优良。而随着在卷筒上的带钢卷卷径的不断变化，卷取机卷筒上的惯量、卷取机的转速和作用在钢卷上的阻力也会变化。要实现高精度的卷取机传动控制，必须同时具有转速控制模式和张力控制模式，而且还要精确补偿卷径、惯量、转速和阻尼等因素的变化而引起的动态转矩。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种卷取机的传动控制方法，它实现了对卷取机的高精度传动控制。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种卷取机的传动控制方法，包括：

计算得到惯性转矩T_ine；具体方法为：

通过固定惯量J_fix和可变惯量J_vari计算得到总惯量J_total；

惯性转矩T_ine为总惯量乘以角速度相对于时间的导数，即

$T_{\mathrm{ine}}=\frac{\∂(J_{\mathrm{total}}\·{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{em}})}{\∂t}={\mathrm{\ω}}_{\mathrm{em}}\·\frac{\∂\left(J_{\mathrm{vari}}\right)}{\∂t}+J_{\mathrm{total}}\·\frac{{\∂\mathrm{\ω}}_{\mathrm{em}}}{\∂t}=\frac{D_{\mathrm{coiler}}\·h\·v_{\mathrm{strip}}^2\·\mathrm{\ρ}\·S_w}{{2i}_{\mathrm{coiler}}}+J_{\mathrm{total}}(\frac{{2i}_{\mathrm{coiler}}\·A}{D_{\mathrm{coiler}}}-\frac{{4i}_{\mathrm{coiler}}\·h\·v_{\mathrm{strip}}^2}{{\mathrm{\πD}}_{\mathrm{coiler}}^3})$

式中，ω_em为卷取电动机的角速度，其值可用线速度v_strip、卷径D_coiler、卷取电动机和卷取机卷筒之间的齿轮比i_coiler来表示，即A为加速度，即h为带钢厚度；ρ为带钢密度；S_w为带钢宽度；

根据卷取机所处的工作状态对卷取机的总转矩T_total,set进行设定；

若所述卷取机处于单动工作状态，则T_total,set=T_speed+T_ine，式中，T_speed为调速转矩；

若卷取机处于联动工作状态，则T_total,set=T_tension+T_ine，式中，T_tension为张力转矩。

进一步地，所述通过固定惯量J_fix和可变惯量J_vari计算得到总惯量J_total，包括：在空载状态下，控制卷取电动机进行加速运动和减速运动，根据公式计算得到所述固定惯量J_fix，式中，T_g为当卷取电动机做加速运动时，变频器的输出转矩，n₁为加速运动的初速度及减速运动的末速度，n₂为加速运动的末速度及减速运动的初速度，t₁为加速时间，t₂为减速时间；根据公式计算得到所述可变惯量J_vari，式中，D₀为卷径初始值，即卷筒涨径；ρ为带钢密度；S_w为带钢宽度；根据公式J_total=J_fix+J_vari得到所述总惯量J_total。

进一步地，所述根据卷取机所处的工作状态对卷取机的总转矩T_total,set进行设定的具体方法为：通过比较张力实际值和张力设定值的大小来判断所述卷取机所处的工作状态；

若所述张力实际值大于或者等于所述张力设定值的90%，则说明卷取机处于联动工作状态；再对卷取机的总转矩T_total,set进行相应的设定；

若张力实际值小于张力设定值的70%，则说明卷取机处于单动工作状态；再对卷取机的总转矩T_total,set进行相应的设定。

进一步地，所述根据卷取机所处的工作状态对卷取机的总转矩T_total,set进行设定的具体方法为：通过比较张力实际值和张力设定值的大小来判断所述卷取机所处的工作状态；

若所述张力实际值大于或者等于所述张力设定值的80%，则说明卷取机处于联动工作状态；再对卷取机的总转矩T_total,set进行相应的设定；

若张力实际值小于张力设定值的80%，则说明卷取机处于单动工作状态；再对卷取机的总转矩T_total,set进行相应的设定。

进一步地，所述根据卷取机所处的工作状态对卷取机的总转矩T_total,set进行设定的具体方法为：若所述卷取机处于单动工作状态，则T_total,set=T_speed+T_ine+T_noload，式中，T_speed为调速转矩，T_noload为空载转矩；其中，所述空载转矩T_noload的得到方法为：当卷取机在空载情况下，使用转速控制模式控制卷取电动机分别达到不同转速档，记录每档转速下的空载转矩T_noload。

进一步地，所述空载转矩T_noload的得到方法，还包括：当所述卷取机在空载情况下，使用转速控制模式控制卷取电动机分别达到不同转速档，当卷取机的转速实际值在两个转速档之间时，通过线性插值法计算出所述空载转矩T_noload。

进一步地，所述通过线性插值法计算出空载转矩T_noload的具体方法包括：设卷取机的转速实际值为n_a，且处于转速档n₃和转速档n₄之间；与转速档n₃对应的空载转矩值为T₃，与转速档n₄对应的空载转矩为T₄，则当前转速下的空载转矩T_noload(n_a)为：

$T_{\mathrm{noload}}\left(n_a\right)=T_3+(n_a-n_3)\×\frac{(T_4-T_3)}{(n_4-n_3)}.$

进一步地，所述根据卷取机所处的工作状态对卷取机的总转矩T_total,set进行设定的具体方法包括：若所述卷取机处于联动工作状态，则T_total,set=T_tension+T_ine+T_noload，式中，T_tension为张力转矩，T_noload为空载转矩；其中，所述空载转矩T_noload的得到方法为：当卷取机在空载情况下，使用转速控制模式控制卷取电动机分别达到不同转速档，记录每档转速下的空载转矩T_noload；当卷取机的转速实际值在两个转速档之间时，通过线性插值法计算出空载转矩T_noload。

进一步地，所述根据卷取机所处的工作状态对卷取机的总转矩T_total,set进行设定的具体方法包括：若所述卷取机处于联动工作状态，则T_total,set=T_tension+T_ine+T_damping，式中，T_tension为张力转矩，T_damping为阻尼补偿转矩；

其中，所述阻尼补偿转矩T_damping的得到方法为：

根据公式G_damping=a×(D_coiler-D_s)计算得到阻尼因子G_damping，式中，a为阻尼效率因子，表示卷径的变化对阻力的影响，其值的大小由实际阻力决定；D_s为启动阻尼转矩补偿时的卷径值，其值根据关系式D_s=D₀+0.1×(D_max-D₀)得到，式中，D₀为卷径初始值，即卷筒涨径；D_max为卷径最大值；

根据公式计算得到卷取电动机转速差Δn_em，式中，为卷取电动机的转速设定值，n_em为卷取电动机的转速实际值；

根据公式T_damping=DC(Δn_em)×G_damping计算得到阻尼补偿转矩T_damping。

进一步地，所述根据卷取机所处的工作状态对卷取机的总转矩T_total,set进行设定的具体方法包括：若所述卷取机处于联动工作状态，则T_total,set=T_tension+T_ine+T_noload+T_damping，式中，T_tension为张力转矩，T_noload为空载转矩，T_damping为阻尼补偿转矩；

其中，所述空载转矩T_noload的得到方法为：

当卷取机在空载情况下，使用转速控制模式控制卷取电动机分别达到不同转速档，记录每档转速下的空载转矩T_noload；当卷取机的转速实际值在两个转速档之间时，通过线性插值法计算出空载转矩T_noload；

所述阻尼补偿转矩T_damping的得到方法为：

根据公式G_damping=a×(D_coiler-D_s)计算得到阻尼因子G_damping，式中，a为阻尼效率因子，表示卷径的变化对阻力的影响，其值的大小由实际阻力决定；D_s为启动阻尼转矩补偿时的卷径值，其值根据关系式D_s=D₀+0.1×(D_max-D₀)得到，式中，D₀为卷径初始值，即卷筒涨径；D_max为卷径最大值；

根据公式计算得到卷取电动机转速差Δn_em，式中，为卷取电动机的转速设定值，n_em为卷取电动机的转速实际值；

根据公式T_damping=DC(Δn_em)×G_damping计算得到阻尼补偿转矩T_damping。

本发明的有益效果在于：

本发明提供的卷取机的传动控制方法，通过引入惯量变化带来的动态转矩、空载转矩及阻尼补偿转矩，精确计算了卷取机传动系统在各种工况下所需要的各种转矩并加以补偿，有效提高了卷取机的传动控制精度，从而保证了成品的板形质量及厚度公差，进而保证了产品质量。

附图说明

图1为本发明实施例提供的卷取机的传动控制方法的流程图。

图2为基于本发明实施例提供的卷取机的传动控制方法的卷取系统的结构示意图。

其中，1-激光测速仪，2-张力辊，3-PLC控制器，4-脉冲编码器，5-转矩测量装置，6-卷取电动机，7-齿轮箱，8-卷取机，9-变频器。

具体实施方式

为进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的卷取机的传动控制方法的具体实施方式及工作原理进行详细说明。

卷取电动机在转动过程中需要克服各种阻力转矩。在单动工作状态下，需要提供达到设定转速所需的调速转矩、克服摩擦力所需的转矩（空载转矩）、固定惯量加减速所需的转矩；而在联动工作状态下，需要提供维持张力所需的转矩、空载转矩和由惯量变化、转速变化、卷径变化和阻尼变化引起的动态转矩。

由图1可知，本发明实施例提供的卷取机的传动控制方法，包括：

计算得到惯性转矩T_ine；具体方法为：

通过固定惯量J_fix和可变惯量J_vari计算得到总惯量J_total；在空载状态下，控制卷取电动机进行加速运动和减速运动，根据公式计算得到固定惯量J_fix，式中，T_g为当卷取电动机做加速运动时，变频器的输出转矩，n₁为加速运动的初速度及减速运动的末速度，n₂为加速运动的末速度及减速运动的初速度，t₁为加速时间，t₂为减速时间；

具体的，公式 $J_{\mathrm{fix}}=\frac{T_g}{\mathrm{\π}\·(n_2-n_1)}\×\frac{t_1{t}_2}{t_1+t_2}$ 的推导过程包括：

设当卷取电动机做减速运动时，变频器的输出转矩为-T_g；空载转矩为T_noload，由转矩和惯量的关系式T=J×s（其中，T为转矩，J为惯量，s为加速度）可得到以下方程：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_g-T_{\mathrm{noload}}=J_{\mathrm{fix}}\×\frac{2\mathrm{\π}(n_2-n_1)}{t_1}\\ T_g+T_{\mathrm{noload}}=J_{\mathrm{fix}}\×\frac{2\mathrm{\π}(n_2-n_1)}{t_2}\end{array}\right.;$

上下两式消去空载转矩T_noload后，得到固定惯量J_fix：

$J_{\mathrm{fix}}=\frac{T_g}{\mathrm{\π}\·(n_2-n_1)}\×\frac{t_1{t}_2}{t_1+t_2}.$

由于卷取机上的钢卷可以近似地看成一个空心圆柱体，故它绕轴线的转动惯量可用空心圆柱体绕轴线的转动惯量公式来表示，即：

$J_{\mathrm{vari}}=\frac{(D_{\mathrm{coiler}}^4-D_0^4)\·\mathrm{\π}\·\mathrm{\ρ}\·S_w}{3{2i}_{\mathrm{coiler}}^2};$

由上述内容可知，可以根据公式计算得到可变惯量J_vari，式中，D₀为卷径初始值，即卷筒涨径；ρ为带钢密度；S_w为带钢宽度；D_coiler为卷径；i_coiler为卷取电动机和卷取机卷筒之间的齿轮比。

根据公式J_total=J_fix+J_vari得到总惯量J_total；

惯性转矩T_ine为总惯量乘以角速度相对于时间的导数，即

$T_{\mathrm{ine}}=\frac{\∂(J_{\mathrm{total}}\·{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{em}})}{\∂t}={\mathrm{\ω}}_{\mathrm{em}}\·\frac{\∂\left(J_{\mathrm{vari}}\right)}{\∂t}+J_{\mathrm{total}}\·\frac{{\∂\mathrm{\ω}}_{\mathrm{em}}}{\∂t}=\frac{D_{\mathrm{coiler}}\·h\·v_{\mathrm{strip}}^2\·\mathrm{\ρ}\·S_w}{{2i}_{\mathrm{coiler}}}+J_{\mathrm{total}}(\frac{{2i}_{\mathrm{coiler}}\·A}{D_{\mathrm{coiler}}}-\frac{{4i}_{\mathrm{coiler}}\·h\·v_{\mathrm{strip}}^2}{{\mathrm{\πD}}_{\mathrm{coiler}}^3})$

式中，ω_em为卷取电动机的角速度，其值可用线速度v_strip、卷径D_coiler、卷取电动机和卷取机卷筒之间的齿轮比i_coiler来表示，即A为加速度，即h为带钢厚度；ρ为带钢密度；S_w为带钢宽度。

具体的，公式

$T_{\mathrm{ine}}=\frac{\∂(J_{\mathrm{total}}\·{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{em}})}{\∂t}={\mathrm{\ω}}_{\mathrm{em}}\·\frac{\∂\left(J_{\mathrm{vari}}\right)}{\∂t}+J_{\mathrm{total}}\·\frac{{\∂\mathrm{\ω}}_{\mathrm{em}}}{\∂t}=\frac{D_{\mathrm{coiler}}\·h\·v_{\mathrm{strip}}^2\·\mathrm{\ρ}\·S_w}{{2i}_{\mathrm{coiler}}}+J_{\mathrm{total}}(\frac{{2i}_{\mathrm{coiler}}\·A}{D_{\mathrm{coiler}}}-\frac{{4i}_{\mathrm{coiler}}\·h\·v_{\mathrm{strip}}^2}{{\mathrm{\πD}}_{\mathrm{coiler}}^3})$ 的右边共分为三个部分：第一部分为表示由惯量变化引起的动态转矩，详细推导过程为：

$\frac{\∂\left(J_{\mathrm{vari}}\right)}{\∂t}=\frac{{4D}_{\mathrm{coiler}}^3\·\frac{{\∂D}_{\mathrm{coiler}}}{\∂t}\·\mathrm{\π}\·\mathrm{\ρ}\·S_W}{{32i}^2}=\frac{D_{\mathrm{coiler}}^3\·\frac{{\∂D}_{\mathrm{coiler}}}{\∂t}\·\mathrm{\π}\·\mathrm{\ρ}\·S_W}{{8i}^2}$

而卷取机每转一圈，卷径增加2倍的带钢厚度，即2h，那么：

$\frac{{\∂D}_{\mathrm{coiler}}}{\∂t}=\frac{{2\mathrm{hv}}_{\mathrm{strip}}}{{\mathrm{\πD}}_{\mathrm{coiler}}}$

最终求得：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{em}}\·\frac{\∂\left(J_{\mathrm{vari}}\right)}{\∂t}=\frac{{2v}_{\mathrm{strip}}{i}_{\mathrm{coiler}}}{D_{\mathrm{coiler}}}\·\frac{D_{\mathrm{coiler}}^2\·{2\mathrm{hv}}_{\mathrm{strip}}\·\mathrm{\ρ}\·S_w}{{8i}_{\mathrm{coiler}}^2}=\frac{D_{\mathrm{coiler}}\·h\·v_{\mathrm{strip}}^2\·\mathrm{\ρ}\·S_w}{{2i}_{\mathrm{coiler}}}$

第二、三部分的详细推导过程为：

$\frac{{\∂\mathrm{\ω}}_{\mathrm{em}}}{\∂t}=\frac{{2i}_{\mathrm{coiler}}}{D_{\mathrm{coiler}}^2}(D_{\mathrm{coiler}}\·\frac{{\∂v}_{\mathrm{strip}}}{\∂t}-v_{\mathrm{strip}}\·\frac{{\∂D}_{\mathrm{coiler}}}{\∂t})=\frac{{2i}_{\mathrm{coiler}}}{D_{\mathrm{coiler}}}\·A-\frac{{4i}_{\mathrm{coiler}}\·h\·v_{\mathrm{strip}}^2}{{\mathrm{\πD}}_{\mathrm{coiler}}^3}$

其中，第二部分为表示总惯量在加减速的时候所需的惯性转矩；第三部分为表示由于卷径变化引起的动态转矩。由于卷取机在单动工作状态下的惯量和卷径都不变化，故单动工作状态下仅有第二部分，第一部分和第三部分为零。而联动工作状态下，则需要对三部分动态转矩都加以补偿。

根据卷取机所处的工作状态对卷取机的总转矩T_total,set进行设定；具体的，通过比较张力实际值和张力设定值的大小来判断卷取机所处的工作状态；

若张力实际值大于或者等于张力设定值的90%，则说明带钢已经卷在卷取机上并且已经绷紧，卷取机同轧机末机架间已经通过带钢联在一起，故卷取机处于联动工作状态，则T_total,set=T_tension+T_ine，式中，T_tension为张力转矩；

若张力实际值小于张力设定值的70%，则说明带钢没有卷在卷取机上或者卷上了但还没有绷紧，卷取机同轧机末机架间没有联上，故卷取机处于单动工作状态，则T_total,set=T_speed+T_ine，式中，T_speed为调速转矩。

优选地，若张力实际值大于或者等于张力设定值的80%，则说明带钢已经卷在卷取机上并且已经绷紧，卷取机同轧机末机架间已经通过带钢联在一起，故卷取机处于联动工作状态；再对卷取机的总转矩T_total,set进行相应的设定；

若张力实际值小于张力设定值的80%，则说明带钢没有卷在卷取机上或者卷上了但还没有绷紧，卷取机同轧机末机架间没有联上，故卷取机处于单动工作状态；再对卷取机的总转矩T_total,set进行相应的设定。

在本实施例中，张力转矩T_tension的计算方法为：

根据公式计算出卷径实际值D_coiler，式中，v_strip为带钢线速度，由激光测速仪测量得到；n_em为卷取电动机转速，由安装在卷取电动机轴上的脉冲编码器测量得到；i_coiler为卷取电动机和卷取机卷筒之间的齿轮比。

根据公式计算出间接张力转矩T_ind,tension，式中，Z_set为卷取张力设定值；张力设定值乘以卷取机卷径再除以2得到卷取机上的间接张力转矩，再除以齿轮比换算得到卷取电动机轴上的间接张力转矩。

根据公式计算出直接张力转矩ΔT_d,tension，式中，Z_act为张力实际值，由张力测量设备测量得到；直接张力转矩用于弥补间接张力控制方式产生的张力误差，积分张力误差后乘以卷取机卷径再除以2得到卷取机上的直接张力转矩，再除以齿轮比换算成卷取电动机轴上的直接张力转矩。

根据卷取机的控制方式选择卷取机的张力转矩；

如果没有安装张力测量设备或张力测量设备发生故障，卷取机只能使用间接张力控制方式，则张力转矩T_tension等于间接张力转矩T_ind,tension；

如果安装有张力测量设备且测量正常，此时卷取机使用直接张力控制方式，则张力转矩T_tension等于间接张力转矩T_ind,tension加上直接张力转矩ΔT_d,tension。

在本实施例中，张力测量设备为张力辊。

调速转矩T_speed的计算方法为：

根据公式T_speed=PI(Δn_em)计算出调速转矩T_speed，式中，Δn_em为卷取电动机转速差，可以用卷取电动机的转速设定值减去卷取电动机的转速实际值n_em得到，即 ${\mathrm{\Δn}}_{\mathrm{em}}=n_{\mathrm{em}}^{*}-n_{\mathrm{em}}$ 。

第一种优选的技术方案为：若卷取机处于单动工作状态，则T_total,set=T_speed+T_ine+T_noload，式中，T_speed为调速转矩，T_noload为空载转矩；其中，空载转矩T_noload的得到方法为：当卷取机在空载情况下，设定多个转速档，使用转速控制模式控制卷取电动机分别达到不同转速档，等转速达到设定值并稳定下来后，记录下每档转速下变频器的输出转矩值，该值就是当前转速下的空载转矩T_noload；将记录下来的各转速档的空载转矩T_noload整理成表，实际使用时根据当前卷取电动机转速实际值查表就可得到相应的空载转矩值。需要说明的是，当卷取机的转速实际值在两个转速档之间时，通过线性插值法计算出空载转矩T_noload。具体方法为：设卷取机的转速实际值为n_a，且处于转速档n₃和转速档n₄之间；与转速档n₃对应的空载转矩值为T₃，与转速档n₄对应的空载转矩为T₄，则当前转速下的空载转矩T_noload(n_a)为：

$T_{\mathrm{noload}}\left(n_a\right)=T_3+(n_a-n_3)\×\frac{(T_4-T_3)}{(n_4-n_3)}.$

第二种优选的技术方案为，若卷取机处于联动工作状态，则T_total,set=T_tension+T_ine+T_noload，式中，T_tension为张力转矩，T_noload为空载转矩；其中，空载转矩T_noload的得到方法为：当卷取机在空载情况下，设定多个转速档，使用转速控制模式控制卷取电动机分别达到不同转速档，等转速达到设定值并稳定下来后，记录下每档转速下变频器的输出转矩值，该值就是当前转速下的空载转矩T_noload；将记录下来的各转速档的空载转矩T_noload整理成表，实际使用时根据当前卷取电动机转速实际值查表就可得到相应的空载转矩值。当卷取机的转速实际值在两个转速档之间时，通过线性插值法计算出空载转矩T_noload即可。

第三种优选的技术方案为：若卷取机处于联动工作状态，则T_total,set=T_tension+T_ine+T_damping，式中，T_tension为张力转矩，T_damping为阻尼补偿转矩；

卷取机受到的阻力会随卷径和转速的变化而变化，卷径越大则受到的阻力越大；转速越快则受到的阻力也变大。当卷径增大到一定值后，启动阻尼转矩补偿。这里引入阻尼效率因子，该因子表示卷径的变化对阻力的影响。而由于阻力的变化会对卷取电动机的转速产生误差，对转速差进行微分运算可得到转速差补偿转矩，再乘以阻尼效率因子就可以得到最终的阻尼补偿转矩。故阻尼补偿转矩T_damping的计算方法为：

根据公式G_damping=a×(D_coiler-D_s)计算得到阻尼因子G_damping，式中，a为阻尼效率因子，表示卷径的变化对阻力的影响，其值的大小由实际阻力决定，可预设为100。D_s为启动阻尼转矩补偿时的卷径值，其值可根据关系式D_s=D₀+0.1×(D_max-D₀)算出，式中，D₀为卷径初始值，即卷筒涨径；D_max为卷径最大值。这里需要说明的是，在调速过程完成，转速实际值稳定后，若转速实际值持续小于转速设定值至少3秒，则认为转速实际值总是小于转速设定值，说明阻尼补偿转矩不够大，需要在程序中加大公式G_damping=a×(D_coiler-D_s)中的阻尼效率因子a；在调速过程完成，转速实际值稳定后，若转速实际值持续大于转速设定值至少3秒，则认为转速实际值总是大于转速设定值，说明阻尼补偿转矩过大，需要在程序中减小公式G_damping=a×(D_coiler-D_s)中的阻尼效率因子a。

根据公式计算得到卷取电动机转速差Δn_em，式中，为卷取电动机的转速设定值，n_em为卷取电动机的转速实际值；

根据公式T_damping=DC(Δn_em)×G_damping计算得到阻尼补偿转矩T_damping。

第四种优选的技术方案为：若卷取机处于联动工作状态，则T_total,set=T_tension+T_ine+T_noload+T_damping，式中，T_tension为张力转矩，T_noload为空载转矩，T_damping为阻尼补偿转矩；

其中，空载转矩T_noload的得到方法为：

当卷取机在空载情况下，设定多个转速档，使用转速控制模式控制卷取电动机分别达到不同转速档，等转速达到设定值并稳定下来后，记录下每档转速下变频器的输出转矩值，该值就是当前转速下的空载转矩T_noload。将记录下来的各转速档的空载转矩T_noload整理成表，实际使用时根据当前卷取电动机转速实际值查表就可得到相应的空载转矩值。当卷取机的转速实际值在两个转速档之间时，通过线性插值法计算出空载转矩T_noload即可。

阻尼补偿转矩T_damping的计算方法为：

根据公式G_damping=a×(D_coiler-D_s)计算得到阻尼因子G_damping，式中，a为阻尼效率因子，表示卷径的变化对阻力的影响，其值的大小由实际阻力决定，可预设为100。D_s为启动阻尼转矩补偿时的卷径值，其值可根据关系式D_s=D₀+0.1×(D_max-D₀)算出，式中，D₀为卷径初始值，即卷筒涨径；D_max为卷径最大值。这里需要说明的是，在调速过程完成，转速实际值稳定后，若转速实际值持续小于转速设定值至少3秒，则认为转速实际值总是小于转速设定值，说明阻尼补偿转矩不够大，需要在程序中加大公式G_damping=a×(D_coiler-D_s)中的阻尼效率因子a；在调速过程完成，转速实际值稳定后，若转速实际值持续大于转速设定值至少3秒，则认为转速实际值总是大于转速设定值，说明阻尼补偿转矩过大，需要在程序中减小公式G_damping=a×(D_coiler-D_s)中的阻尼效率因子a。

根据公式计算得到卷取电动机转速差Δn_em，式中，为卷取电动机的转速设定值，n_em为卷取电动机的转速实际值；

根据公式T_damping=DC(Δn_em)×G_damping计算得到阻尼补偿转矩T_damping。

卷取机是由卷取电动机驱动的，卷取电动机又由变频器控制，卷取电动机调速控制系统一般采用转速控制和转矩控制双闭环调速系统，其中转速控制为外环，其功能是计算转矩设定值给转矩内环，该转矩设定值中包含有张力转矩、惯性转矩、空载转矩和阻尼补偿转矩等，一般采用带限幅的比例积分控制器，这部分工作通过在PLC（可编程逻辑控制器）中编程实现；转矩控制为内环，这部分工作由变频器来完成，实现快速精确的转矩控制。

由图2可知，利用本发明实施例提供的卷取机的传动控制方法对卷取机进行高精度的传动控制，带钢通过张力辊2后，由卷取机8进行卷取。张力辊2前安装有激光测速仪1用来检测带钢的线速度v_strip，张力辊2可测量张力实际值Z_act。在卷取电动机6上安装有脉冲编码器4和转矩测量装置5，脉冲编码器4可测得卷取电动机6的实际转速n_em；而转矩测量装置5可测得卷取电动机6的实际转矩，并将测得的转矩数据发往变频器9。激光测速仪1、张力辊2和脉冲编码器4分别将各自测量到的数据传输到PLC控制器3。PLC控制器3根据接收到的数据计算出惯性转矩T_ine、间接张力转矩T_ind,tension、直接张力转矩ΔT_d,tension、调速转矩T_speed及阻尼补偿转矩T_damping，再根据卷取机8的控制方式计算出卷取机8的张力转矩T_tension，最后通过比较张力实际值和张力设定值的大小来判断卷取机8所处的工作状态。若卷取机8处于联动工作状态，则通过公式T_total,set=T_tension+T_ine+T_noload+T_damping计算出卷取机8的总转矩T_total,set，并将计算出的卷取机8的总转矩T_total,set发往变频器9。再由变频器9控制卷取电动机6完成转矩内环控制，卷取电动机6通过齿轮箱7同卷取机8的卷筒相连，驱动卷取机8转动，从而实现了对卷取机8的传动控制。由于此时得到的总转矩T_total,set是在考虑惯量变化带来的动态转矩、空载转矩T_noload及阻尼补偿转矩T_damping的影响的情况下计算出来的，因此本发明对卷取机8处于联动工作状态下的传动控制是高精度的。若卷取机8处于单动工作状态，则通过公式T_total,set=T_speed+T_ine+T_noload计算出卷取机8的总转矩T_total,set，并将计算出的卷取机8的总转矩T_total,set发往变频器9。再由变频器9控制卷取电动机6完成转矩内环控制，卷取电动机6通过齿轮箱7同卷取机8的卷筒相连，驱动卷取机8转动，从而实现了对卷取机8的传动控制。由于此时得到的总转矩T_total,set是在考虑惯量变化带来的动态转矩、空载转矩T_noload及阻尼补偿转矩T_damping的影响的情况下计算出来的，因此本发明对卷取机8处于单动工作状态下的传动控制是高精度的。

传统的卷取机传动控制系统忽略了一些补偿转矩，例如空载转矩、阻尼转矩、惯量变化带来的动态转矩等。虽然这些转矩的值不大，但想要实现对卷取机的高精度传动控制，这些因素都是应该考虑的。本发明实施例提供的卷取机的传动控制方法，通过引入惯量变化带来的动态转矩、空载转矩及阻尼补偿转矩，精确计算了卷取机传动系统在各种工况下所需要的各种转矩并加以补偿，有效提高了卷取机的传动控制精度，从而保证了成品的板形质量及厚度公差，进而保证了产品质量。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种卷取机的传动控制方法，其特征在于，包括：

计算得到惯性转矩T_ine；具体方法为：

通过固定惯量J_fix和可变惯量J_vari计算得到总惯量J_total；

惯性转矩T_ine为总惯量乘以角速度相对于时间的导数，即

$T_{\mathrm{ine}}=\frac{\∂(J_{\mathrm{total}}\·{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{em}})}{\∂t}{=\mathrm{\ω}}_{\mathrm{em}}\·\frac{\∂\left(J_{\mathrm{vari}}\right)}{\∂t}+J_{\mathrm{total}}\·\frac{{\∂\mathrm{\ω}}_{\mathrm{em}}}{\∂t}=\frac{D_{\mathrm{coiler}}\·h\·v_{\mathrm{strip}}^2\·\mathrm{\ρ}\·S_w}{{2i}_{\mathrm{coiler}}}+J_{\mathrm{total}}(\frac{{2i}_{\mathrm{coiler}}\·A}{D_{\mathrm{coiler}}}-\frac{4i_{\mathrm{coiler}}\·h\·v_{\mathrm{strip}}^2}{\mathrm{\π}{D}_{\mathrm{coiler}}^3})$

式中，ω_em为卷取电动机的角速度，其值可用线速度v_strip、卷径D_coiler、卷取电动机和卷取机卷筒之间的齿轮比i_coiler来表示，即A为加速度，即h为带钢厚度；ρ为带钢密度；S_w为带钢宽度；

根据卷取机所处的工作状态对卷取机的总转矩T_total,set进行设定；

若所述卷取机处于单动工作状态，则T_total,set＝T_speed+T_ine+T_noload，式中，T_speed为调速转矩，T_noload为空载转矩；

若所述卷取机处于联动工作状态，则T_total,set＝T_tension+T_ine+T_noload+T_damping，式中，T_tension为张力转矩，T_noload为空载转矩，T_damping为阻尼补偿转矩；

其中，所述阻尼补偿转矩T_damping的得到方法为：

根据公式G_damping＝a×(D_coiler-D_s)计算得到阻尼因子G_damping，式中，a为阻尼效率因子，表示卷径的变化对阻力的影响，其值的大小由实际阻力决定；D_s为启动阻尼转矩补偿时的卷径值，其值根据关系式D_s＝D₀+0.1×(D_max-D₀)得到，式中，D₀为卷径初始值，即卷筒涨径；D_max为卷径最大值；

根据公式计算得到卷取电动机转速差Δn_em，式中，为卷取电动机的转速设定值，n_em为卷取电动机的转速实际值；

根据公式T_damping＝DC(Δn_em)×G_damping计算得到阻尼补偿转矩T_damping；

其中，在调速过程完成后，若转速实际值持续小于转速设定值至少3秒，则认为转速实际值总是小于转速设定值，说明阻尼补偿转矩不够大，需要在程序中加大公式G_damping＝a×(D_coiler-D_s)中的阻尼效率因子a；在调速过程完成后，若转速实际值持续大于转速设定值至少3秒，则认为转速实际值总是大于转速设定值，说明阻尼补偿转矩过大，需要在程序中减小公式G_damping＝a×(D_coiler-D_s)中的阻尼效率因子a；

具体地，通过比较张力实际值和张力设定值的大小来判断所述卷取机所处的工作状态；

若所述张力实际值大于或者等于所述张力设定值的90％，则说明卷取机处于联动工作状态；再对卷取机的总转矩T_total,set进行相应的设定；

若张力实际值小于张力设定值的70％，则说明卷取机处于单动工作状态；再对卷取机的总转矩T_total,set进行相应的设定。

2.如权利要求1所述的卷取机的传动控制方法，其特征在于，所述通过固定惯量J_fix和可变惯量J_vari计算得到总惯量J_total，包括：在空载状态下，控制卷取电动机进行加速运动和减速运动，根据公式计算得到所述固定惯量J_fix，式中，T_g为当卷取电动机做加速运动时，变频器的输出转矩，n₁为加速运动的初速度，即减速运动的末速度，n₂为加速运动的末速度，即减速运动的初速度，t₁为加速时间，t₂为减速时间；根据公式计算得到所述可变惯量J_vari，式中，D₀为卷径初始值，即卷筒涨径；ρ为带钢密度；S_w为带钢宽度；根据公式J_total＝J_fix+J_vari得到所述总惯量J_total。

3.如权利要求1所述的卷取机的传动控制方法，其特征在于，所述空载转矩T_noload的得到方法为：当卷取机在空载情况下，使用转速控制模式控制卷取电动机分别达到不同转速档，记录每档转速下的空载转矩T_noload。

4.如权利要求3所述的卷取机的传动控制方法，其特征在于，所述空载转矩T_noload的得到方法，还包括：当所述卷取机在空载情况下，使用转速控制模式控制卷取电动机分别达到不同转速档，当卷取机的转速实际值在两个转速档之间时，通过线性插值法计算出所述空载转矩T_noload。

5.如权利要求4所述的卷取机的传动控制方法，其特征在于，所述通过线性插值法计算出空载转矩T_noload的具体方法包括：设卷取机的转速实际值为n_a，且处于转速档n₃和转速档n₄之间；与转速档n₃对应的空载转矩值为T₃，与转速档n₄对应的空载转矩为T₄，则当前转速下的空载转矩T_noload(n_a)为：

$T_{\mathrm{noload}}\left(n_a\right)=T_3+(n_a-n_3)\×\frac{(T_4-T_3)}{(n_4-n_3)}.$