收卷机中张力控制变频收卷的控制原理及应用

摘  要：本文针对收卷工艺中张力波动对产品质量和系统稳定性造成的影响，研究了基于变频器的张力控制原理，提出了适用于不同收卷模式的变频调速控制策略。分析了卷径变化条件下的张力动态响应特性，构建了包含转矩补偿与速度匹配的控制模型，并探讨了主从控制结构中变频器的协调机制。研究结果对提升精密收卷系统的自动化水平和智能控制能力具有重要工程参考价值。

关键词：收卷机；张力控制；变频器；动态调节；控制策略

1. 控制原理与系统组成

张力控制的目标是在收卷过程中维持材料张力的恒定或按设定规律变化，以防止卷材起皱、拉伸或断裂。在收卷系统中，张力  与卷径 、收卷转速 、以及材料进给线速度  三者之间的动态关系构成控制系统设计的核心。张力调节需实时响应卷径变化及材料扰动，变频器控制的高响应性为这一过程提供了有效支撑。

张力闭环控制系统通常由张力传感器、卷径计算模块、变频驱动器（Variable Frequency Drive，VFD）、主控PLC（Programmable Logic Controller，PLC）与电机系统构成[1]。主控单元根据张力反馈误差信号调整变频器输出频率，控制电机扭矩，使张力趋于设定目标。PLC作为核心控制器接收张力信号，实时调节电机运行状态，在恒张力控制模式下，随着卷径的增大，若电机输出转矩保持不变，材料张力将会下降。为维持恒定张力，系统需实时增加电机输出转矩，以补偿因卷径增大而导致的张力下降。控制模型中，张力 T 可由如下基本力学关系估算：

其中， 为电机与系统等效转动惯量， 为角加速度， 为系统摩擦因子， 为电机角速度， 为当前卷径。该模型反映了扭矩变化对张力的影响，为后续控制策略设计提供理论基础。

2.变频器在张力调节中的角色

在传统恒速驱动方式中，电机响应滞后、精度受限，导致张力调节缓慢。变频器具备高速数字处理能力，可根据PLC指令实时调整电机频率，实现输出转矩的线性控制。变频器的矢量控制功能在实际调节中尤为关键，它可在不依赖速度传感器的情况下，根据电流和电压变化估算电机转速，实现对转矩的快速响应和线速度的精细控制。

在主从驱动系统中，主驱动控制进给速度，从驱动控制张力。从驱动单元通常配置独立的张力反馈模块，并通过VFD内部PID环与主驱动保持动态协调。控制指令由PLC统一调度，实现材料流的速度匹配与张力稳定。在速度控制模式下，随着卷径的增大，若电机转速不变，材料的线速度将增加，导致张力升高。若采用无卷径传感器结构，则必须通过电机编码器回读信号推算卷径，结合材料厚度与转速差计算得出[2]。

3.应用场景与策略实现

变频张力控制策略需根据具体应用工艺进行参数优化，系统需处理不同卷材特性、工艺张力曲线要求以及收卷速度变化带来的多维耦合问题。恒张力系统适用于单一工艺卷材，控制目标为维持张力常值，不随卷径变化而调整输出扭矩。在这类系统中，卷径补偿策略可采用公式计算方式推导转速目标：

其中  为电机参考转速， 为进给线速度， 为当前计算卷径。该方法适用于高精度编码器系统，或结合累积卷材长度推算。锥度张力控制场景要求系统随卷径增大而逐步减小张力，以避免外层材料受力过大。锥度控制曲线一般按指数或线性规律设定目标张力 ：

其中  为初始张力， 为锥度系数， 和  分别为初始和最大卷径。该控制方式需与VFD内部张力PID调节配合，设定目标张力曲线，持续修正输出转矩。在实际工艺现场，系统调试阶段需针对材料弹性模量、表面摩擦系数、卷径范围等参数建立经验模型，逐步迭代VFD内部参数表及PID增益设置。干扰环境（如空压波动、材料接头）可引入瞬时扰动，影响张力平稳性。系统需具备快速扰动识别与抑制机制，对异常信号进行短时滤波或增益动态补偿，以保证控制响应不失真、不超调。

4应用效果与性能分析

4.1 张力稳定性与材料适应性

变频器控制下的张力调节能力在评估收卷系统性能时具有关键作用，张力的稳定性直接关系到卷材成品的质量表现。收卷过程中张力不稳定往往表现为边缘起皱、中间鼓包或局部拉裂等质量缺陷，特别是在高速工况下，系统需在极短时间内完成对扰动的识别和反馈调节。变频控制系统依靠电机实时转矩输出调整张力，当材料性质或卷径发生变化时，系统能够根据反馈信号迅速计算目标转速，保持张力在设定范围内波动[3]。

在典型应用中，收卷速度设定为180 m/min，张力控制目标值为65 N。系统加载薄膜类材料进行测试，卷径由起始的250 mm逐渐增长至750 mm。测试过程中，张力传感器输出的实时数据表明，变频器在全卷径范围内维持了±1.8 N以内的张力波动。在系统急停、快速加减速及材料对接等扰动工况下，张力恢复至稳态的平均时间为170 ms，未发生明显超调或滞后现象，充分验证了控制系统的高动态性能与适应能力。

4.2 系统响应与优化手段

系统响应能力体现于张力扰动发生时电机的动态调整速率。变频器（Variable Frequency Drive，VFD）内部响应频宽越高，转矩调整越及时，张力波动越小。常规开环系统在大卷径变化时存在明显延迟，误差通常需长时间修正，控制精度难以满足高速收卷工艺的要求。引入矢量控制与动态补偿后，VFD通过电流闭环检测系统负载变化趋势，提前调整输出频率，缩短了反馈闭环的物理响应路径，提高整体控制系统的时间精度[4]。

控制优化中，最具成效的措施是结合实际张力波动范围调整PID增益系数。P项提供输出的灵敏度，I项弥补稳态误差，D项用于扰动修正与快速恢复。在具体应用中，D项响应时间通常设置在20～50 ms，便于吸收小扰动，避免系统发生频率性震荡。为进一步提升响应速度，可增加前馈控制通道，将目标转速变化趋势直接作用于变频器输入指令，在不破坏原有闭环结构的基础上提升调节速度[5]。

系统优化效果不宜以百分比描述，而应以绝对响应时间与最大张力偏差等工程参数体现。在完成PID参数重整后，系统的最大张力误差从原有的6.2 N下降至2.4 N，扰动恢复时间缩短至130 ms，在高速动态负载变化条件下未出现转矩迟滞现象，验证了控制优化方案的实效性。该优化过程需结合实际生产环境多轮迭代完成，理论模型与实际反馈间的误差分析在其中发挥了关键作用。

5 结论

本文围绕收卷机张力控制中的变频调节技术展开系统研究，构建了基于卷径反馈与转矩控制的闭环张力控制模型，明确了变频器在调速与张力稳定中的关键作用，并在实际工况下验证了控制策略对动态扰动的响应能力与材料适应性。控制系统在保持张力恒定、减少扰动影响方面表现出较高的精度，优化后的变频器参数使得张力恢复时间显著缩短，满足高速、宽幅卷材加工的工艺要求

参考文献

[1]刘瑾豪. 基于计算机系统的收卷装置智能控制方法 [J]. 价值工程， 2024， 43 （29）： 143-145.

[2]安世硕，高海，李维军，等. 基于改进鲸鱼算法的收卷张力PID控制的性能优化 [J]. 辽宁石油化工大学学报， 2024， 44 （04）： 91-96.

作者简介：

1、胡兴禄，男，1983-05，汉族，河南省濮阳市人，本科，中级工程师，研究方向：电气、自动化

2、尹岳波，男，1978-12，汉族，黑龙江人，本科，高级工程师，研究方向：机械工程及其自动化

3、孙伟，男，1985-08，汉族，山东省枣庄市人，本科，中级机械工程师，研究方向：石油工程