收卷传动控制系统的硬件设计

    1．控制原理    速度和转矩控制是张力收卷传动电动机的核心控制，其控制原理如图6. 37所示。M1为主传动，采用双闭环速度/转矩矢量控制方式，速度环为V速度给定和PG编码器返回的实际速度的控制回路，其输出值再乘以一定的比值就是M2的转矩控制输入值。转矩环为内部闭环。M2为收卷传动，速度闭环的输出值并不直接控制转矩，而只限定M2转矩的幅度，以最终保证收卷电动机在线速度上的紧密性和同步性，M2转矩的输入值来自张力控制器输出的转矩值，以决定M2的转矩输出值。    2．硬件选型与设计    本次轧机电动机选用国产YVP系列变频电动机，选用强制风冷和OMRON差动式编码器E682-CWZIX。由于三菱变频器所选配电动机基本都是国产电动机，并非选用三菱电动机，因此，这里有必要将编码器的具体接线与原理解释清楚。    (1)编码器的具体指标。    ①分辨率：轴旋转1次时输出的增量信号脉冲数或绝对值的绝对位置数。    ②输出相：增量形式的输出信号数，包括1相型（A相）、2相型（A相、B相）、3相型（A相、B相、Z相）。Z相输出1次即输出1次原点用的信号。    ③输出相位差：轴旋转时，A相、B相各信号相互间上升或下降中的时间偏移量与信号1周期时间的比，或者用电气角表示信号1周期为360°。A相、B相用电气角表示为90°的相位差（如图6. 38所示）。
    图6. 37    收卷张力控制原理
    图6. 38    输出相位差    ④CW：顺时针旋转(Clock Wise)的方向。从轴侧面观察为向右旋转，在这个旋转方向中，通常增量型为A相比B相先进行相位输出，绝对型为代码增加方向。CW方向反旋转时为CCW( Counter Clock Wise)。    ⑤输出功效比：使轴以固定速旋转时输出的平均脉冲周期时间与1周期的H位时间的比。    ⑥最高响应频率：响应信号所得到的最大信号频率。    ⑦上升时间、下降时间：输出脉冲幅度的10%～90%的时间，如图6.39所示。
    图6.39    上升时间、下降时间    ⑧输出电路。    ·开路集电极输出：以输出电路的晶体管发射极为共通型，以集电极为开放式的输出电路。    ·电压输出：以输出电路的晶体管的发射极为共通型，在集电极与电源间插入电阻，并输出因电压而变化的集电极的输出电路。    ·线路驱动器输出（又称差动输出）：本输出方式采用高速、长距离输送用的专用IC方式，是依据RS422 -A规格的数据传送方式。信号以差动的2信号输出，因此抗干扰能力强。    ·补码输出：输出上具备NPN和PNP两种输出晶体管的输出电路。根据输出信号的[H]、[L]，两个输出晶体管交互进行[ON]、[OFF]动作。使用时，请在正极电源、OV上进行上拉、下降后再使用。补码输出包括输出电流的流出、流人两个动作，其特征为信号的上、下降速度快，可延长代码的长距离。可与开路集电极输入机器(NPN、PNP)连接。    ⑨启动转矩：旋转式编码器的轴旋转启动时必须的旋转力矩。通常旋转时，一般取比本值低的值。轴为防水用密封设计时，启动转矩的值较高。    ⑩惯性力矩：表示旋转式编码器的旋转启动、停止时的惯性力的大小。    ⑪轴容许力：加在轴上的负载负重的容许量。径向以直角方向对轴增加负重，而轴向以轴方向增加负重。两者都为轴旋转时容许负重，该负重的大小会对轴承的寿命产生影响。    ⑫绝对代码。    ·二进制代码：本代码为纯二进制代码，用2n表示。    ·格雷码：转换位置时，只有1位发生变化的代码。旋转式编码器的代码为格雷码。    ·余格雷码：用格雷码表示36、360、720等2n以外的分辨率时的代码。格雷码的性质为：将格雷码的最上位从“0”切换至“1”时起，当数值小的一方和数值大的一方分别只取相同区域时，在该范围内从代码的结束与开始进行转换时，只改变1位信号。根据这种性质，可按格雷码进行任意的偶数分辨率设定。但此时，代码的起始不是从0位置开始，而是从中途的代码开始，所以实际使用时，需要进行代码转换处理，转换至由0位置起的代码后再使用。    ⑬中空轴型（空心轴型）：旋转轴为中空轴形状，通过将驱动侧的轴直接与中空孔连接，可节省轴方向的空间。以板簧为缓冲，吸收驱动轴的振动等。    ⑭金属盘：编码器的旋转板（盘）是用金属制成的，与玻璃旋转板（盘）相比，更强化了耐冲击性。但受到狭缝加工的制约，不能应用于高分辨率。    (2)编码器E682-CWZlX接线与输出示意。图6.40所示为编码器E682-CWZlX接线原理图。
    图6.40    编码器E682-CWZIX接线原理图    表6.6所示为编码器E682-CWZlX接线端子功能定义，它采用DC 5V电源，输出3对A、B、Z相差动信号。    表6.6    编码器E682-CWZ1X接线端子功能定义
    (3)收卷变频器硬件接线图。图6.41所示为收卷变频器硬件接线图。VF1主传动变频器的速度设定采用电位器，并连接了PLG差动输入信号作为闭环矢量控制的反馈信号，跳线设置如图6.41所示。VF2收卷变频器采用转矩控制，其转矩命令来自于张力控制器的输出，速度限幅来自于VF1的速度。
    图6.41    收卷变频器硬件接线图