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汇川技术张力非标伺服张力控制

伺服运控 π³朱子文 6893℃ 0评论

本文由汇川技术工程师编写,由Julius_wen发布

1、概述

1.1、背景

变频器在张力控制领域已有广泛的应用,但对于某些要求精度更高,响应更快,电机速度较低等场合,使用伺服进行张力控制会更有优势。本非标用于卷曲控制,可以自动计算卷径,在卷径变化时仍能够达到获取恒张力的效果。

 

1.2、参考文献

1、.《MD330张力控制专用变频》

2、《IS620P伺服用户综合手册》

2、张力控制原理介绍

2.1、闭环张力控制示意图

(a)闭环张力控制示意图

2.2、张力控制方案介绍

常用的张力控制有两种方式,一是控制电机的输出转矩,二是控制电机的转速。针对这两种方法,市场上存在两种张力控制模式:开环张力控制和闭环张力控制。开环张力控制是指没有张力反馈信号,驱动器仅靠控制电机转速或转矩来达到控制目的,而闭环张力控制需要张力(位置)反馈装置,驱动器靠调节电机运行速度来达到控制目的。本非标只支持张力闭环控制。

 

2.3、闭环张力相关功能模块

(1)PID部分:

主要包括PID指令源,反馈源设定,PID调节参数, PID输出结果处理。

(2)卷径计算部分:

伺服驱动器根据牵引轴的线速度,收/放卷轴当前的角速度实时计算卷径。硬件接线,需要将牵引轴的分频输出,分别收/放卷轴的低速脉冲口。

3、功能码表

功能码

名称

设定范围

最小单位

出厂值

生效方式

H02.00

控制模式选择

  1. 6

1

0

停机设定

H03.68

AI1最小输入

-10.00~10.00

0.01

0.00

运行设定

H03.69

AI1最小输入对应百分比

-100.0%~-0.1%

0.1%

100.0%

运行设定

H03.70

AI1最大输入

-10.00~10.00

0.01

10.00

运行设定

H03.71

AI1最大输入对应百分比

0.1%~100.0%

0.1%

100.0%

运行设定

H03.72

AI2最小输入

-10.00~10.00

0.01

0.00

运行设定

H03.73

AI2最小输入对应百分比

-100.0%~-0.1%

0.1%

100.0%

运行设定

H03.74

AI2最大输入

-10.00~10.00

0.01

10.00

运行设定

H03.75

AI2最大输入对应百分比

0.1%~100.0%

0.1%

100.0%

运行设定

H06.00

主速度指令A来源

0:数字给定

1AI1

2AI2

3:张力模式

1

3

停机设定

H10.00

PID键盘指令值

-100.0%~100.0%

0.1%

0

运行设定

H10.01

PID指令来源选择

0:键盘设定

1AI1

2AI2

1

0

停机设定

H10.02

反馈源选择

1AI1

2AI2

1

1

停机设定

H10.03

PID指令滤波时间常数

0~1000.0

0.1ms

5

运行设定

H03.51

AI1输入滤波时间

0~655.35

0.01ms

2.00

运行设定

H03.56

AI2输入滤波时间

0~655.35

0.01ms

2.00

运行设定

H10.04

PID逻辑

0:正逻辑

1:反逻辑

1

0

停机设定

H10.05

比例分子

1~1073741824

1

6

停机设定

H10.07

比例分母

1~1073741824

1

1000

停机设定

H06.08

速度正向限制

0~9000

1rpm

1000

运行设定

H06.09

速度反向限制

0~9000

1rpm

1000

运行设定

H10.09

PID输出时间常数

0~1000.0

0.1ms

0

运行设定

H10.10

给定和传感器量程值

1.0%~1000.0%

0.1%

100.0%

停机设定

H10.12

卷径计算信号来源

0:内部计算

1AI1

2AI2

1

0

停机设定

H10.10

卷径量程值

0.00%~200.00%

0.01%

100.00%

停机设定

H10.23

PID比例增益1

0~2000.0

0.1HZ

25.0

运行设定

H10.24

PID积分时间1

1.0~2000.0

0.1ms

30.0

运行设定

H10.25

PID微分增益1

0~20000

1/S

0

运行设定

H10.26

PID比例增益2

0~2000.0

0.1HZ

25.0

运行设定

H10.27

PID积分时间2

1.0~2000.0

0.1ms

30.0

运行设定

H10.28

PID微分增益2

0~20000

1/S

0

运行设定

H10.29

增益切换条件

0:固定为第一增益

1:根据DI切换

2:根据偏差切换

3:根据PID输出大小

1

0

运行设定

H10.31

增益切换等级

0~20000

1rpm

50

运行设定

H10.32

增益切换时滞

0~20000

1rpm

30

运行设定

H10.34

卷曲模式

0:收卷

1:放卷

2:牵引

1

0

运行设定

H10.35

牵引轴直径

1.00~655.35

0.01mm

97.02

停机设定

H10.36

牵引轴减速比分子

1~10000

1

1

停机设定

H10.37

牵引轴减速比分母

1~10000

1

1

停机设定

H10.38

/放卷轴初始卷径

1.0~6553.5

0.1mm

10.0

运行设定

H10.39

/放卷轴实时卷径

1.0~6553.5

0.1mm

10.0

显示

H10.40

/放卷轴减速比分子

1~10000

1

1

停机设定

H10.41

/放卷轴减速比分母

1~10000

1

1

停机设定

H10.44

最小卷径

0.1~6553.5

0.1mm

10.0

运行设定

H10.45

最大卷径

0.1~6553.5

0.1mm

1000.0

运行设定

H10.46

牵引轴分频脉冲数

1~1073741824

1

10000

停机设定

H10.48

卷径复位

0:不复位

1H10.38676869可选

2AI1

3AI2

4:立即复位

1

0

运行设定

H10.49

补偿方向

0~1

1

0

停机设定

H10.50

卷径计算滤波时间

0~1000.0

0.1ms

30.0

运行设定

H10.52

速度滤波截止频率

100~4000

1HZ

500

运行设定

H10.53

材料厚度

1~500.0

0.1mm

2.0

运行设定

H10.54

补偿百分比

0%~100.0%

0.1%

0

停机设定

H10.55

卷径平均滤波次数

0~7 

1 

3 

停机设定

H10.57

牵引轴速度平均滤波次数

0~7 

1 

4

停机设定

H10.58

惯量比显示值

0~50000

1

100

运行设定

H10.67

/放卷轴初始卷径1

1.0~6553.5

0.1mm

10.0

运行设定

H10.68

/放卷轴初始卷径2

1.0~6553.5

0.1mm

10.0

运行设定

H10.69

/放卷轴初始卷径3

1.0~6553.5

0.1mm

10.0

运行设定

 

4、功能码说明

4.1、PID输入部分

4.1.0、张力控制模式

功能码

名称

设定范围

最小单位

出厂值

生效方式

H02.00

控制模式选择

  1. 6

1

0

停机设定

H06.00

主速度指令A来源

0:数字给定

1AI1

2AI2

3:张力模式

1

3

停机设定

开启张力控制模式需要将H02.00设置成0,H0600设置成3,程序默认设为开启张力模式。

4.1.1、PID指令源选择

功能码

名称

设定范围

最小单位

出厂值

生效方式

H10.00

PID键盘指令值

-100.0%~100.0%

0.1%

0

运行设定

H10.01

PID指令来源选择

0:键盘设定

1AI1

2AI2

1

0

停机设定

 

  1. H10.01设定为0,则PID指令来源于H10.00所设定的的数字量。
  2. H10.01设定为1,则 PID指令源来源于外部AI1
  3. H10.01设定,2,则PID指令源来源于外部AI2

 

功能码

名称

设定范围

最小单位

出厂值

生效方式

H03.68

AI1最小输入

-10.00~10.00

0.01

0.00

运行设定

H03.69

AI1最小输入对应百分比

-100.0%~-0.1%

0.1%

100.0%

运行设定

H03.70

AI1最大输入

-10.00~10.00

0.01

10.00

运行设定

H03.71

AI1最大输入对应百分比

0.1%~100.0%

0.1%

00.0%

运行设定

H03.72

AI2最小输入

-10.00~10.00

0.01

0.00

运行设定

H03.73

AI2最小输入对应百分比

-100.0%~-0.1

0.1%

100.0%

运行设定

H03.74

AI2最大输入

-10.00~10.00

0.01

10.00

运行设定

H03.75

AI2最大输入对应百分比

0.1%~100.0%

0.1%

00.0%

运行设定

AI1和AI2可通过上述设定功能码将采样值对应到百分数,设定最大值必须大于最小值

4.1.2、PID指令标定

功能码

名称

设定范围

最小单位

出厂值

生效方式

H10.10

给定和传感器量程值

1.0%~1000.0%

0.1%

100.0%

停机设定

H10.10将PID指令和反馈值标定成实际物理值的百分比,对应关系如下缩放?

  1. 若H10.01=0,100%的键盘设定值对应H10.10设定的物理值的百分比。
  2. 若H10.01=1或2,模拟量10V对应的电压对应H10.10设定的物理值百分比。

4.2、PID反馈部分

功能码

名称

设定范围

最小单位

出厂值

生效方式

H10.02

反馈源选择

1AI1

2AI2

1

1

停机设定

反馈源选定后,相应模拟量通道值经过H10.10标定后直接进入PID运算部分。

 

4.3、PID控制部分

4.3.0、PID指令滤波

功能码

名称

设定范围

最小单位

出厂值

生效方式

H10.03

PID指令滤波时间常数

0~1000.0

0.1ms

0.5

运行设定

PID指令若存在突变,将导致电机快速加速,未避免电机运动过于剧烈,增加H10.03,对PID指令进行平滑处理,滤波越大造成一定的响应延迟越大。

4.3.1、PID反馈滤波

功能码

名称

设定范围

最小单位

出厂值

生效方式

H03.51

AI1输入滤波时间

0~655.36

0.01ms

2.00

运行设定

H03.56

AI2输入滤波时间

0~655.36

0.01ms

2.00

运行设定

传感器存在测量噪声,防止该噪声耦合到PID控制部分,平台软件中对AI1,AI2通道增加了滤波功能。同理,平台软件中对AI的处理在本非标中一样有效。

4.3.2、PID控制逻辑

功能码

名称

设定范围

最小单位

出厂值

生效方式

H10.04

PID逻辑

0:正逻辑

1:反逻辑

1

0

停机设定

正逻辑:指令值大于PID反馈值时,PID输出正的转速指令,电机正向转动。

负逻辑:由于现场传动机构的原因,可能会当指令大于反馈值时,电机需要反转,指令小于反馈值时,电机需要正转的情况。13775716153.

4.3.3、PID控制参数

功能码

名称

设定范围

最小单位

出厂值

生效方式

H10.05

控制比例分子

1~1073741824

1

6

停机设定

H10.07

控制比例分母

1~1073741824

1

1000

停机设定

H10.23

PID比例增益1

0~2000.0

0.1HZ

25.0

运行设定

H10.24

PID积分时间1

1.0~2000.0

0.1ms

30.0

运行设定

H10.25

PID微分增益1

0~20000

1/S

0

运行设定

考虑到张力控制各场合的传动机构(减速比)各不相同,需要使用控制比例因子(包括分子和分母)将PID输入指令和内部PID运算之间的物理关系相关联。调试过程中先可以不设置控制比例因子,调试过程中发现PID的调节参数过小,或者调节步长小但作用效果差异大,就可以设置比例因子,默认比例因子为6:1000。

4.3.4、PID输出限幅

功能码

名称

设定范围

最小单位

出厂值

生效方式

H06.08

速度正向限制

0~9000

1rpm

1000

停机设定

H06.09

速度反向限制

0~9000

1rpm

1000

停机设定

在很多应用场合需要限制PID的输出,特别是电机反向旋转速度。本非标提供PID正向和反向分别限幅。注意第一次设定PID逻辑时请将PID输出正/反限幅设置到安全值,确保不会损坏机械设备。

4.3.5、PID输出滤波

功能码

名称

设定范围

最小单位

出厂值

生效方式

H10.09

PID输出时间常数

0~1000.0

0.1ms

0

运行设定

为使PID输出更加平滑,增加PID输出时间常数。该功能码越大平滑效果越好,但滞后也越大,过大的输出时间常数可能导致张力控制振荡。

4.3.6、增益切换

功能码

名称

设定范围

最小单位

出厂值

生效方式

H10.26

PID比例增益2

0~2000.0

0.1HZ

25.0

运行设定

H10.27

PID积分时间2

1.0~2000.0

0.1ms

30.0

运行设定

H10.28

PID微分增益2

0~20000

1/S

0

运行设定

H10.29

增益切换条件

0:固定为第一增益

1:根据DI切换

2:根据偏差切换

3:根据PID输出大小

1/S

0

运行设定

H10.31

增益切换等级

0~20000

1rpm

50

运行设定

H10.32

增益切换时滞

0~20000

1rpm

30

运行设定

 

考虑到1组PID无法满足现场应用,本非标支持张力PID增益切换功能:

  1. H10.29=0,不进行增益切换,默认无增益切换。
  2. H10.29=1,根据DI切换。需要设置DI为FunIN.40。该DI无效时选择第1组增益,该DI有效时选择第2组增益。
  3. H10.29=2,根据PID偏差切换。若PID控制偏差大于H10.31+H10.32,切换为第2增益,若PID控制偏差小于H10.31-H10.32切换为第1增益。偏差在H10.31+H10.32于H10.31-H10.32之间属于增益过渡区。
  4. H10.29=3,根据PID输出大小切换,若PID输出大于H10.31+H10.32,切换为第2增益,若PID输出小于H10.31-H10.32切换为第1增益。PID输出在H10.31+H10.32于H10.31-H10.32之间属于增益过渡区。

4.4、卷径计算部分

由于PID有一定适应性,一般张力闭环场合不需要使用卷径计算。如果现场响应要求较快、或者卷径变化大等情况下,需要进行卷径计算。本非标通过获取牵引轴的线速度和当前收/放卷轴的角速度即可计算当前卷径,也可以通过模拟量反馈来获得实时卷径。

H10.12=0时,需要将牵引轴伺服分频/编码器脉冲接入到收卷/放卷轴的低速脉冲口,请注意设置脉冲形式。

通过单位时间走过线长一定可以得出公式,然后就可以自动计算出卷轴的卷径

计算公式:

    电机转速*减速比=减速机端转速

前馈速度*卷径*卷轴减速比=牵引轴速度*直径*减速比

H10.12=1或者2时,卷径等于AI1或者AI2模拟量对应值。

 

4.4.0、机械传动相关设定量

功能码

名称

设定范围

最小单位

出厂值

生效方式

H10.35

牵引轴直径

1.00~655.35

0.01mm

9702

停机设定

H10.36

牵引轴减速比分子

1~10000

1

1

停机设定

H10.37

牵引轴减速比分母

1~10000

1

1

停机设定

H10.40

/放卷轴减速比分子

1~10000

1

1

停机设定

H10.41

/放卷轴减速比分母

1~10000

1

1

停机设定

H10.46

牵引轴分频脉冲数

1~1073741824

1

10000

停机设定

 

4.4.1、卷径计算辅助量

功能码

名称

设定范围

最小单位

出厂值

生效方式

H10.39

/放卷轴实时卷径

1.0~6553.5

0.1mm

10.0

显示

H10.44

最小卷径

1~65535

0.1mm

10.0

运行设定

H10.45

最大卷径

1~65535

0.1mm

1000.0

运行设定

H10.53

材料厚度

1~5000

0.1mm

2.0

运行设定

H10.50

卷径计算滤波时间

0~10000

0.1ms

30.0

运行设定

H10.55

卷径滑动波次数

0~7 

1 

3 

停机设定

收/放卷轴实时卷径计算结果在H10.39中显示,考虑到实际材料存在打滑或者控制不稳定的情况,会导致计算卷径瞬时值不正确,客户设置正确的H10.44、H10.45、H10.53可以有助于剔除错误的卷径值,使卷径计算值趋于真实物理值。为使卷径计算结果平滑,增加了H10.50卷径计算滤波和H10.55卷径滑动滤波。

4.4.2、卷径复位

功能码

名称

设定范围

最小单位

出厂值

生效方式

H10.48

卷径复位

0:不复位

1H10.38676869可选

2AI1

3AI2

4:卷径立即复位

1

0

运行设定

H10.38

/放卷轴初始卷径

1.0~6553.5

0.1mm

10.0

运行设定

收卷满卷或放卷空卷时需要换卷,换卷后外部需要进行卷径复位,本非标支持两种卷径复位方式:

(1)将DI端口配置成FunIN.30,伺服检测到该端口出现上升沿复位卷径。

1:H10.38676869决定。

2AI1 3AI2初始卷径通过模拟量来确定。

4:卷径立即复位

(2)功能码H10.48设4,当前卷径复位成初始卷径(H10.38),复位后即可正常工作,H10.48还原为0。

    H10.48等于1时,卷径复位初始值可以通过两个多功能端子来确定,将DI端子分别配置为FunIN.41和FunIN.42,关系如下:

FunIN.41 

FunIN.42 

初始卷径源

H10.38 

H10.67 

H10.68 

H10.69 

若不设置卷径复位,请先低速运行一段时间,确保程序已经识别当前真实卷径。

H10.67

/放卷轴初始卷径1

1.0~6553.5

0.1mm

10.0

运行设定

H10.68

/放卷轴初始卷径2

1.0~6553.5

0.1mm

10.0

运行设定

H10.69

/放卷轴初始卷径3

1.0~6553.5

0.1mm

10.0

运行设定

 

4.4.3、前馈速度指令

功能码

名称

设定范围

最小单位

出厂值

生效方式

H10.49

补偿方向

0~1

1

0

停机设定

H10.54

补偿百分比

0~100.0%

0.1%

0

停机设定

H10.52

牵引轴速度滤波截止频率

100~4000

1 

500 

运行设定

H10.57

牵引轴速度平均滤波次数

0~7

1

4

停机设定

 

从张力控制示意(a)可知,若收/放卷要保持恒定张力,收/放卷轴的线速度必须等于牵引轴的线速度。若使用卷径计算,电机当前运行速度指令就等于牵引轴的前馈速度和PID反馈调节输出之和,牵引轴的线速度作为张力控制速度前馈。牵引轴电机运行方向和收/放轴安装方式取决于用于机械,若安装方向相反请使用H10.49修改前馈速度的方向。前馈补偿比例为H10.54,恰当的前馈有利于张力快速稳定,但考虑速度反馈有噪声,增加H10.52,H10.57对反馈速度进行滤波.

补偿方向确定步骤:

若主轴电机逆时针运行,张力轴也需要逆时针运行,则H10.49设0,若张力轴需要顺时针运行,则H10.49设1。反之则相反。此外H10.54等于0的情况下,若速度指令与后台软件中FUNC测试3方向相同,则H10.49设置成0,若速度指令与FUNC测试3方向相反,则H10.49设置成1.

 

5、后台说明

5.1、后台数据库

将数据库IS620P&600P_张力非标1.0.mdb加入到后台安装文件中data文件夹中,并在后台中选取该文件。

5.2、后台示波器

图中,给出1V指令,反馈为0,电机处于加速状态以期减小张力偏差。

(1)FUNC测试1是张力指令(滤波后的值)未使能时该值为0,使能后该值为设定值,单位0.01V。

(2)FUNC测试2是张力反馈值,单位0.01V。

(3)FUNC测试3是牵引轴速度,单位0.1rpm(此示意图中未示出)。

 

FUNC测试1:PID给定值            0.01V

FUNC测试2:模拟量反馈值        0.01V

FUNC测试3:PID输出对应速度值    0.1RPM

FUNC测试4:前馈对应速度值        0.1RPM

速度指令=反馈速度对应值+前馈速度对应值*补偿比6、附录

日期

变更后版本

变更内容

2014-12-25

V1.0

新建

2015-5-7

V3.0

增加卷径计算

2015-09-08 

V3.1 

文档修改,卷径复位,AI取值

 

转载请注明:燕骏博客 » 汇川技术张力非标伺服张力控制

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