CN103979349B - 电机卷绕恒张力控制方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种电机卷绕恒张力控制方法，所述卷绕为收卷或放卷，所述方法包括：根据当前的卷绕线速度与电机频率计算并实时检测卷绕半径，所述卷绕半径为收卷半径或放卷半径；根据卷绕张力和所述卷绕半径计算并控制目标转矩；检测电机的旋转方向；判断所述收卷半径是否呈变小趋势且电机为收卷操作的正向旋转或放卷半径是否呈变大趋势且电机为放卷操作的正向旋转，若是，给出断料报警信号。还公开一种电机卷绕恒张力控制系统。本发明无需安装张力传感器和光电传感器就可以实现恒张力控制和断料判断，成本低。

Description

电机卷绕恒张力控制方法和系统

技术领域

本发明涉及恒张力控制技术，特别是涉及一种电机卷绕恒张力控制方法和系统。

背景技术

在纺织、印刷、造纸、线缆等行业都存在产品收放卷的工况，为保证产品的质量，要求产品在收放卷过程中保持张力的恒定。

目前，市场上大部分恒张力控制系统都需要安装张力传感器检测实际张力来控制张力恒定，另外还需要加装光电传感器在生产过程中对材料进行实时检测，从而在材料损坏断开时及时报警停机，避免浪费材料，造成生产事故。

然而安装张力传感器和光电传感器都增加了成本。

发明内容

基于此，有必要提供一种无需安装张力传感器和光电传感器的低成本电机卷绕恒张力控制方法和系统。

一种电机卷绕恒张力控制方法，所述卷绕为收卷或放卷，所述方法包括：

根据当前的卷绕线速度与电机频率计算并实时检测卷绕半径，所述卷绕半径为收卷半径或放卷半径；

根据卷绕张力和所述卷绕半径计算并控制目标转矩；

检测电机的旋转方向；

判断所述收卷半径是否呈变小趋势且电机为收卷操作的正向旋转或放卷半径是否呈变大趋势且电机为放卷操作的正向旋转，若是，给出断料报警信号。

在其中一个实施例中，所述方法还包括：

检测电机的三相电流；

将所述三相电流通过Clarke变换、Park变换得到MT旋转坐标系下的励磁电流和转矩电流；

根据所述目标转矩及所述转矩电流进行转矩闭环控制，调整输出转矩电流。

在其中一个实施例中，所述根据当前的卷绕线速度与电机频率计算卷绕半径的步骤之前还包括测量当前的卷绕线速度和卷绕张力的步骤。

在其中一个实施例中，根据公式n=60f/p/kt、r=v/(π×n)/2依次得到卷绕的转速和卷绕半径；

其中，r为卷绕半径，v为卷绕线速度，n为卷绕的转速，π为常数，取3.14，f为电机频率，p为电机极对数，kt为电机传动比；根据公式T=F×r得到目标转矩；

其中，T为目标转矩，F为卷绕张力，r为卷绕半径。

在其中一个实施例中，判断所述收卷半径是否呈变小趋势或放卷半径是否呈变大趋势的步骤具体包括：

设定预设时间；

对所述预设时间内实时监测的卷绕半径进行线性分析；

利用低通滤波方法对卷绕半径的错误监测数据进行排除，获得线性分析结果；

根据所述线性分析结果判断所述收卷半径是否呈变小趋势或放卷半径是否呈变大趋势。

一种电机卷绕恒张力控制系统，所述卷绕为收卷或放卷，所述系统包括：

计算控制模块，用于根据当前的卷绕线速度与电机频率计算并实时监测卷绕半径，根据卷绕张力和所述卷绕半径计算并控制目标转矩，所述卷绕半径为收卷半径或放卷半径；

电机转向检测模块，用于实时检测电机的旋转方向；

断料判断模块，用于判断所述收卷半径是否呈变小趋势且电机为收卷操作的正向旋转或放卷半径是否呈变大趋势且电机为放卷操作的正向旋转，若是，给出断料报警信号。

在其中一个实施例中，所述系统还包括：

电流检测模块，用于检测电机的三相电流；

电流坐标变换分解模块，用于将所述三相电流通过Clarke变换、Park变换得到MT旋转坐标系下的励磁电流和转矩电流；

转矩闭环控制模块，用于根据所述目标转矩及所述转矩电流进行转矩闭环控制，调整输出转矩电流。

在其中一个实施例中，所述系统还包括测量模块，用于测量当前的卷绕线速度和卷绕张力。

在其中一个实施例中，所述计算控制模块根据公式n=60f/p/kt、r=v/(π×n)/2依次得到卷绕的转速和卷绕半径；

其中，r为卷绕半径，v为卷绕线速度，n为卷绕的转速，π为常数，取3.14，f为电机频率，p为电机极对数，kt为电机传动比；所述计算控制模块根据公式T=F×r得到目标转矩；

其中，T为目标转矩，F为卷绕张力，r为卷绕半径。

在其中一个实施例中，所述断料判断模块包括：

计时单元，用于设定预设时间；

存储单元，用于存储所述预设时间内实时监测的卷绕半径；

线性分析单元，用于对所述存储单元内的卷绕半径进行线性分析；

低通滤波单元，用于对卷绕半径的错误检测数据进行排除，获得线性分析结果；

判断单元，用于根据所述线性分析结果判断所述收卷半径是否呈变小趋势或放卷半径是否呈变大趋势。

上述电机卷绕恒张力控制方法和系统，无需安装张力传感器和光电传感器，只要根据当前的卷绕线速度与电机频率计算卷绕半径，然后根据卷绕张力和所述卷绕半径计算目标转矩，通过控制所述目标转矩以维持恒定的张力；通过检测所述卷绕半径的变化趋势可以判断出材料断料，成本低。

附图说明

图1为一实施例的电机卷绕恒张力控制方法流程图；

图2为另一实施例的电机卷绕恒张力控制方法流程图。

具体实施方式

请参照图1，为一实施例的电机卷绕恒张力控制方法流程图。

该电机卷绕恒张力控制方法包括：

步骤S110：根据当前的卷绕线速度与电机频率计算并实时监测卷绕半径。

在本实施例中，根据公式n=60f/p/kt、r=v/(π×n)/2依次得到卷绕的转速和卷绕半径。其中，r为卷绕半径，v为当前的卷绕线速度，n为卷绕的转速，π为常数，取3.14，f为电机频率，p为电机极对数，kt为电机传动比。

电机卷绕包括两种情况，即收卷或放卷，所以所述卷绕半径为收卷半径或放卷半径。

步骤S120：根据卷绕张力和所述卷绕半径计算并控制目标转矩。

在本实施例中，根据公式T=F×r得到待维持卷绕张力的目标转矩。其中，T为目标转矩，F为卷绕张力，r为卷绕半径。该目标转矩主要是通过转矩闭环控制的方式进行控制。

步骤S130：检测电机的旋转方向。

检测电机的旋转方向，给出当前电机旋转方向数据。

步骤S140：判断所述收卷半径是否呈变小趋势且电机为收卷操作的正向旋转或放卷半径是否呈变大趋势且电机为放卷操作的正向旋转。

若是，则执行步骤S150，否则返回步骤S110。

由于收卷时，收卷半径会不断变大，因此当变频器检测出卷绕半径变小，而电机又没有反向旋转时，也就是说此时检测到的电机转向为收卷操作的正向旋转，即可判断出材料断料。同理，由于放卷时，放卷半径会不断变小，因此当变频器检测出卷绕半径变大，而电机又没有反向旋转时，也就是说此时检测到的电机转向为放卷操作的正向旋转，即可判断出材料断料。所以在具体实施例中，可以通过检测电机的当前旋转方向，在收卷半径变小且电机仍然为收卷操作的正向旋转时，执行步骤S150给出断料报警信号；或在放卷半径变大且电机仍然为放卷操作的正向旋转时，执行步骤S150给出断料报警信号，反之返回步骤S110。

在本实施例中，判断收卷半径是否呈变小趋势或放卷半径是否呈变大趋势具体为：设定预设时间，对所述预设时间内实时监测的卷绕半径进行线性分析，并利用低通滤波方法对因系统干扰造成的错误监测数据进行排除以获得线性分析结果，最后再根据所述线性分析结果判断所述收卷半径是否呈变小趋势或放卷半径是否呈变大趋势。其中，所述预设时间可根据具体情况进行设置，可为1～10分钟。

步骤S150：给出断料报警信号。

当材料断料时，通过断料报警，可以及时提醒操作人员采取措施进行处理。

请参照图2，为另一实施例的电机卷绕恒张力控制方法流程图。

步骤S210：检测电机的三相电流。

在本实施例中，首先将电机的二相电流检测出来，然后再根据三相电流总和为零的原理求出第三相电流，得到三相电流Iu、Iv、Iw。

步骤S212：Clarke变换。

将步骤S210得到的三相电流通过Clarke变换公式变为二相静止坐标系下的电流。

Clark变换是指将3轴、2维的定子静止坐标系的各物理量变换到2轴的定子静止坐标系中。

步骤S214：Park变换。

将步骤S212得到的二相坐标下的电流奕成MT旋转坐标系下的励磁电流Imfed、转矩电流Itfed。

从数学意义上讲，park变换只是一个坐标变换而已，从xyz坐标变换到dq0坐标，如果有需要可以逆变换回来。从物理意义上讲，park变换就是将α，β轴上电流投影等效到d，q轴上，即将定子上的电流都等效到直轴和交轴上。

步骤S216：检测是否断料。

若没有断料，转到步骤S218，转矩电流为电机电流与张力电流的和。

例如，在收卷时材料断料，那么作用在收卷轴上的张力即卷绕张力会消失，也就没有了张力电流，转矩电流Itfed会变小，转到步骤S220，实际的转矩电流为电机电流。

步骤S218：令转矩电流为电机电流与张力电流的和。

步骤S220：令转矩电流为电机电流。

步骤S222：转矩闭环控制。

根据步骤S236计算的目标转矩及步骤S218或步骤S220输出实际的转矩电流，进行转矩闭环控制，调整输出转矩电流Itout。

在转矩闭环控制中，收卷时，实际的转矩电流作为负反馈输入（如果为放卷，那么实际的转矩电流作为正反馈输入），然后经PI调节器得到输出转矩电流Itout。因此，当断料时，实际的转矩电流Itfed变小会导致输出转矩电流Itout变大。

步骤S224：变频器调整输出频率。

变频器的输出频率W按公式W=Wfed+We得到，其中Wfed为电机旋转频率，We为转差频率，而转差频率We又可表示为K×Itout，K为与电机相关的参数。

收卷断料时，输出转矩电流Itout变大又会导致转差频率We增大，从而输出频率W增大，即电机频率增大。

步骤S226：电流环计算。

电流环指的是电流反馈系统，一般是指将输出电流采用正反馈或负反馈的方式接入处理环节的方法，主要为了通过提高电流的稳定性能来提高系统的性能。

步骤S222输出转矩电流Itout经过电流环计算输出Umout，Utout。

步骤S228：反Park变换。

将步骤S226输出的电压Umout与Utout经过反PARK变换得到两相静止坐标下电压。

步骤S230：空间矢量脉宽调制。

SVPWM(SpaceVectorPulseWidthModulation，空间矢量脉宽调制)的主要思想是以三相对称正弦波电压供电时三相对称电动机定子理想磁链圆为参考标准，以三相逆变器不同开关模式作适当的切换，从而形成PWM波，以所形成的实际磁链矢量来追踪其准确磁链圆。传统的SPWM方法从电源的角度出发，以生成一个可调频调压的正弦波电源，而SVPWM方法将逆变系统和异步电机看作一个整体来考虑，模型比较简单，也便于微处理器的实时控制。

在本实施例中，两相静止坐标下的电压经过空间矢量脉宽调制得到6路驱动信号，然后将该驱动信号经过IPM（IntelligentPowerModule，智能功率模块）作用在电机上。

步骤S232：测量卷绕线速度和卷绕张力。

在本实施例中，收卷卷轴或放卷卷轴在卷绕张力的作用下进行卷绕，在卷绕过程中，测量卷绕线速度和卷绕张力。

步骤S234：计算并实时监测卷绕半径。

在本实施例中，根据公式n=60f/p/kt、r=v/(π×n)/2依次得到卷绕的转速和卷绕半径。其中，r为卷绕半径，v为当前的卷绕线速度，n为卷绕的转速，π为常数，取3.14，f为电机频率，p为电机极对数，kt为电机传动比。

电机卷绕包括两种情况，即收卷和放卷，所以所述卷绕半径为收卷半径或放卷半径。步骤S224中，收卷断料时最终导致的电机频率增大会反馈到本步骤中使得计算出的卷绕半径变小，而收卷半径理应会不断增大，这时电机没有反向旋转即可通过步骤S238判断出是否断料。

步骤S236：计算目标转矩。

在本实施例中，根据公式T=F×r得到待维持卷绕张力的目标转矩。其中，T为目标转矩，F为卷绕张力，r为卷绕半径。本步骤计算得到的目标转矩转到步骤S222进行转矩闭环控制。

步骤S238：检测电机的旋转方向。

检测电机的旋转方向，给出当前电机旋转方向数据。

步骤S240：判断所述收卷半径是否呈变小趋势且电机为收卷操作的正向旋转或放卷半径是否呈变大趋势且电机为放卷操作的正向旋转。

若是，则执行步骤S242，否则返回步骤S234。

由于收卷时，收卷半径会不断变大，因此当变频器检测出卷绕半径变小，而电机又没有反向旋转时，也就是说此时检测到的电机转向为收卷操作的正向旋转，即可判断出材料断料。同理，由于放卷时，放卷半径会不断变小，因此当变频器检测出卷绕半径变大，而电机又没有反向旋转时，也就是说此时检测到的电机转向为放卷操作的正向旋转，即可判断出材料断料。所以在具体实施例中，可以通过检测电机的当前旋转方向，在收卷半径变小且电机仍然为收卷操作的正向旋转时，执行步骤S242给出断料报警信号；或在放卷半径变大、且电机任然为放卷操作的正向旋转时，执行步骤S242给出断料报警信号；反之，返回步骤S234。

在本实施例中，判断收卷半径是否呈变小趋势或放卷半径是否呈变大趋势具体为：设定预设时间，对所述预设时间内实时监测的卷绕半径进行线性分析，并利用低通滤波方法对因系统干扰造成的错误监测数据进行排除以获得线性分析结果，最后再根据所述线性分析结果判断所述收卷半径是否呈变小趋势或放卷半径是否呈变大趋势。其中，所述预设时间可根据具体情况进行设置，可为1～10分钟。

步骤S242：给出断料报警信号。

当材料断料时，通过断料报警，可以及时提醒操作人员采取措施进行处理。

基于上述控制方法，本发明给出了一种电机卷绕恒张力控制系统的具体实现方式，所述卷绕为收卷或放卷，所述系统可以同时实现对收卷或放卷的恒张力控制，并给予控制过程异常情况的报警，该系统包括：

计算控制模块，用于根据当前的卷绕线速度与电机频率计算并实时监测卷绕半径，根据卷绕张力和所述卷绕半径计算并控制目标转矩，所述卷绕半径为收卷半径或放卷半径；

电机转向检测模块，用于实时检测电机转向，给出当前电机旋转方向数据；

断料判断模块，用于判断所述收卷半径是否呈变小趋势且电机为收卷操作的正向旋转或放卷半径是否呈变大趋势且电机为放卷操作的正向旋转，若是，给出断料报警信号。

所述系统还包括：电流检测模块，用于检测电机的三相电流。

电流坐标变换分解模块，用于将所述三相电流通过Clarke变换、Park变换得到MT旋转坐标系下的励磁电流和转矩电流。

转矩闭环控制模块，用于根据所述目标转矩及所述转矩电流进行转矩闭环控制，调整输出转矩电流。

测量模块，用于测量当前的卷绕线速度和卷绕张力。

在本实施例中，所述计算控制模块根据公式n=60f/p/kt、r=v/(π×n)/2依次得到卷绕的转速和卷绕半径；

其中，r为卷绕半径，v为卷绕线速度，n为卷绕的转速，π为常数，取3.14，f为电机频率，p为电机极对数，kt为电机传动比。

所述计算控制模块根据公式T=F×r得到目标转矩；

其中，T为目标转矩，F为卷绕张力，r为卷绕半径。

在本实施例中，电机转向检测模块在判断电机转向时可采用安装编码器或非编码器采集数据的方式。

在本实施例中，断料判断模块在实现时可通过以下几个单元组合实现，其包括：

计时单元，用于设定预设时间；

存储单元，用于存储所述预设时间内的卷绕半径；

线性分析单元，用于对所述存储单元内的卷绕半径数据进行线性分析；

低通滤波单元，用于对卷绕半径的错误监测数据进行排除，获得线性分析结果；

比较单元，用于获取当前卷绕半径，根据当前卷绕半径数据与线性分析结果进行比较确定是位于变大趋势还是变小趋势。

上述电机卷绕恒张力控制方法和系统，无需安装张力传感器和光电传感器，只要根据当前的卷绕线速度与电机频率计算卷绕半径，然后根据卷绕张力和所述卷绕半径计算目标转矩，通过控制所述目标转矩以维持恒定的张力；通过检测所述卷绕半径的变化趋势可以判断出材料断料，成本低。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种电机卷绕恒张力控制方法，所述卷绕为收卷或放卷，其特征在于，所述方法包括：

根据当前的卷绕线速度与电机频率计算并实时监测卷绕半径，所述卷绕半径为收卷半径或放卷半径；

根据卷绕张力和所述卷绕半径计算并控制目标转矩；

检测电机的旋转方向；

判断所述收卷半径是否呈变小趋势且电机为收卷操作的正向旋转或放卷半径是否呈变大趋势且电机为放卷操作的正向旋转，若是，给出断料报警信号；其中，判断所述收卷半径是否呈变小趋势或放卷半径是否呈变大趋势的步骤具体包括：

设定预设时间；

对所述预设时间内实时监测的卷绕半径进行线性分析；

利用低通滤波方法对卷绕半径的错误监测数据进行排除，获得线性分析结果；

根据所述线性分析结果判断所述收卷半径是否呈变小趋势或放卷半径是否呈变大趋势。

2.根据权利要求1所述的电机卷绕恒张力控制方法，其特征在于，还包括：

检测电机的三相电流；

将所述三相电流通过Clarke变换、Park变换得到MT旋转坐标系下的励磁电流和转矩电流；

根据所述目标转矩及所述转矩电流进行转矩闭环控制，调整输出转矩电流。

3.根据权利要求1所述的电机卷绕恒张力控制方法，其特征在于，所述根据当前的卷绕线速度与电机频率计算卷绕半径的步骤之前还包括测量当前的卷绕线速度和卷绕张力的步骤。

4.根据权利要求1所述的电机卷绕恒张力控制方法，其特征在于，根据公式n＝60f/p/kt、r＝v/(π×n)/2依次得到卷绕的转速和卷绕半径；

其中，r为卷绕半径，v为卷绕线速度，n为卷绕的转速，π为常数，取3.14，f为电机频率，p为电机极对数，kt为电机传动比；

根据公式T＝F×r得到目标转矩；

其中，T为目标转矩，F为卷绕张力，r为卷绕半径。

5.一种电机卷绕恒张力控制系统，所述卷绕为收卷或放卷，其特征在于，所述系统包括：

计算控制模块，用于根据当前的卷绕线速度与电机频率计算并实时监测卷绕半径，根据卷绕张力和所述卷绕半径计算并控制目标转矩，所述卷绕半径为收卷半径或放卷半径；

电机转向检测模块，用于检测电机旋转方向；

断料判断模块，用于判断所述收卷半径是否呈变小趋势且电机为收卷操作的正向旋转或放卷半径是否呈变大趋势且电机为放卷操作的正向旋转，若是，给出断料报警信号；所述断料判断模块包括：

计时单元，用于设定预设时间；

存储单元，用于存储所述预设时间内实时监测的卷绕半径；

线性分析单元，用于对所述存储单元内的卷绕半径进行线性分析；

低通滤波单元，用于对卷绕半径的错误检测数据进行排除，获得线性分析结果；

判断单元，用于根据所述线性分析结果判断所述收卷半径是否呈变小趋势或放卷半径是否呈变大趋势。

6.根据权利要求5所述的电机卷绕恒张力控制系统，其特征在于，还包括：

电流检测模块，用于检测电机的三相电流；

电流坐标变换分解模块，用于将所述三相电流通过Clarke变换、Park变换得到MT旋转坐标系下的励磁电流和转矩电流；

转矩闭环控制模块，用于根据所述目标转矩及所述转矩电流进行转矩闭环控制，调整输出转矩电流。

7.根据权利要求5所述的电机卷绕恒张力控制系统，其特征在于，还包括测量模块，用于测量当前的卷绕线速度和卷绕张力。

8.根据权利要求5所述的电机卷绕恒张力控制系统，其特征在于，所述计算控制模块根据公式n＝60f/p/kt、r＝v/(π×n)/2依次得到卷绕的转速和卷绕半径；

其中，r为卷绕半径，v为卷绕线速度，n为卷绕的转速，π为常数，取3.14，f为电机频率，p为电机极对数，kt为电机传动比；

所述计算控制模块根据公式T＝F×r得到目标转矩；

其中，T为目标转矩，F为卷绕张力，r为卷绕半径。