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产品描述
西门子模块6ES7253-1AA22-0XA0使用方式
一、引言
随着包装行业的迅猛发展，瓦楞纸板生产线的生产效率逐年提高，主要体现在瓦楞纸板生产线后端的电脑横切机速度的大幅提高。电脑横切机的控制部分需满足的裁切长度的同时还要满足很高的裁切速度。其难点在于纸板处于高速运动状态，切的动态控制需高的运算速度和高的跟踪性能。变频器的控制无法达到高的裁切速度（40M/min—80M/min），裁切误差也随速度的提高而越来越大，PLC对脉冲的反馈速度也无法满足裁切精度的要求。运动控制卡加进口伺服系统的控制方式是可以满足精度和速度的双向要求，速度可达到200M/min—300M/min，还是有价格昂贵，供货时间长等不足之处。本文着重介绍的将运动控制卡集成在伺服驱动器之内的VEC伺服驱动器在横切系统中的应用。
二、系统组成
下图为电脑螺旋横切机控制简图。此系统实现旋转式同步动态裁切，上下两组裁切轮同时被伺服马达带动，各依头所示方向相对旋转。轮之上的刃作精密的调整，当上轮之刃旋转至正下方时，下刃恰好转至正上方，才能执行正确的裁切。每次裁切轮旋转一圈，便自动将材料切断一次；马达只要在相同方向连续运转，轮便能连续裁切。
系统组成及其功能介绍：
1、旋转式同步飞剪控制驱动系统（VEC-VBR）：
接受PLC及HMI输入的运转命令及长度设定
侦测量测轮编码器传回之脉冲，得知进料速度及进料长度。
控制伺服马达之运转速度及同步定位动作
2、人机界面（HMI）：
接受设定资料及显示运转状态
3、PLC：
处理基本之接口、互锁、连动信号
4、永磁同步伺服马达或感应式伺服马达：
将马达动力传送至上下裁切轮
5、轮：
上下镜射、各带刃的一组回转机构
6、送料检测编码器：
直接紧密的接触待切材料，靠材料之横移而带动编码器产生脉冲信号
三、工作原理
电脑横切机切纸板时，切运行的速度曲线因裁切长度的不同而不同，大体分三种情况：裁切长度大于两倍切圆周长、裁切长度大于切圆周长且小于两倍切圆周长、裁切长度小于切圆周长。
种情况：裁切长度大于两倍切圆周长
如果裁切长度大于两倍切圆周长，运行速度曲线如图2所示；整个裁切循环从个裁切点开始到二个裁切点结束，分段说明如下：
1.VEC-VBR控制系统随时监控进料长度与进料速度并控制伺服马达带动裁切轮，掌握正确的裁速度曲线。
2.从个裁切点开始(裁方位角等于180度)，当时仍然在同步区域内，因此裁速度与进料速度维持同步运转。
3.当裁切」离开同步区域后，裁速度曲线经过控制系统的计算、控制，在降低到零速的同时，裁方位角也刚好等于0度。
4.当进料长度累计到适当长度时，裁切轮开始朝进料速度目标加速；而且裁速度曲线经过控制系统的计算、控制，务求在裁速度上升到与进料速度同步的同时，裁切轮也恰好进入同步区域。
6.进入同步区域之后，裁速度随时与进料速度维持同步运转，直到二个裁切点出现，乃完成一次裁切循环。
如果裁切长度大于切圆周长且小于两倍切圆周长，则运行速度曲线如图3所示。基本运行速度曲线类似图2。差异如下：
1.在整个裁切循环中，当裁切轮离开同步区域后，裁速度虽然也会下降，但不会降速至零速停止，不存在零速区域。
2.经过VEC-VBR控制系统的计算、控制，在裁速度降低到一定值之后，立刻开始再加速；务求在裁速度上升到与进料速度同步的同时，裁切轮也恰好进入同步区域；并维持同步直到二个裁切点出现，乃完成一次裁切循环。
3.裁切长度越趋近切圆周长，则速度下降越少；当裁切长度等于切圆周长时，裁速度在整个裁切循环中都维持与进料速度同步
如果裁切长度小于切圆周长，则运行速度曲线如图4所示；基本运行速度曲线类似图3。差异如下：
1.在整个裁切循环中，当裁切轮离开同步区域后，裁速度不降速，反而开始加速。
2.经过VEC-VBR控制系统的计算、控制，在裁速度上升到一定值之后，立刻开始减速；务求在裁速度下降到与进料速度同步的同时，裁切轮也恰好进入同步区域；并维持同步直到二个裁切点出现，乃完成一次裁切循环。
3.裁切长度越小，则裁速度上升越高，将造成马达剧烈的加减速。
四、器件选型的注意事项
VEC-VBR轮切系统基本架构中所需的主要组件是：
1.同步伺服或感应伺服电机
依据系统扭力的需要，包括伺服电机、机械系统自身的惯量、效率、摩擦损耗等因素来选定适当的形式及功率。
一般选择电机时需注意：
1）低惯量惯量愈低愈好，否则会损耗许多扭力去克服自身的惯量。
2）适当的额定转速及减速比
选定电机规格时应配合减速机构一起考虑，的匹配是当电机运行于转速时，即是机台切的合理运转速度（考虑机械的承受力，及实际应用上的要求）。
尤其是当选用的是感应式异步电机加装编码器的方式搭配时，是要考虑适当的减速比及电机的转速配置。因为一般的异步电机的扭力输出效率大的区间是在额定转速区附近，在较低的转速区扭力输出效率相对较差；所以若选择1500rpm的电机，实际上仅运转于约500~600rpm的速度区间，那么就改变减速比，使电机运转于1100~1400rpm，或改用750rpm的电机来使用，如此才能发挥电机应有的扭力输出效率。
3）若能采用标准伺服电机则将比使用一般感应式异步电机有好的效果。
2.VEC-VBR驱动器
依据系统可能的大扭力需要和选定的伺服电机大额定电流来选定。驱动器有回升放电功能，可以外接放电电阻（内含放电回路的机型）或外加煞车制动器再接放电电阻（无放电回路的机型）；详细内容请咨询本公司技术服务咨询人员。
3.主线速度测量编码器
依据精度要求及机械参数来选定。编码器的选定规格需注意：
1）工作电压5V
2）输出部分是线驱动（LineDrive），差动式信号，增量型。
3）有A，/A，B，/B的信号。
4）配合测量轮的外径及减速比，测量精度需能合乎裁切精度的要求。
若采用1024ppr的编码器，配合圆周为400mm的测量轮，如果减速比是1，其测量精度是400/1024*2=0.78mm，可应用于±1mm精度要求的测量，但不适用于±0.8mm以下精度要求的测量。要提高测量精度，则提高编码器精度，或增加减速比，以提高单位长度中的脉波输出量。
4.人机界面
可规划适合的操作画面，以便于资料输入，动作切换，系统监视。
5.切点近接开关
切点近接开关信号的度直接影响裁切的精度。切点信号能有的重复性和稳定性，其在于能确保在高速运转中，的重复标示出切切断时的角度位置；信号输出的延迟时间、感应位置的误差量，都会造成控制上的误差。
选择的考虑点：
1）工作电压24V。
2）输出信号电压24V。
3）切断信号是脉冲式的信号。
4）输出迟延时间愈小愈好。
如果延迟时间小于3usec，表示大可能的误差在进料线速度为100米/分时为：
100,000mm/60,000,000us*3us*2=0.01mm
5）感应位置的重复性愈愈好。
尤其是当选用的是感应式异步电机加装编码器的方式搭配时，是要考虑适当的减速比及电机的转速配置。因为一般的异步电机的扭力输出效率大的区间是在额定转速区附近，在较低的转速区扭力输出效率相对较差；所以若选择1500rpm的电机，实际上仅运转于约500~600rpm的速度区间，那么就改变减速比，使电机运转于1100~1400rpm，或改用750rpm的电机来使用，如此才能发挥电机应有的扭力输出效率。
3）若能采用标准伺服电机则将比使用一般感应式异步电机有好的效果。
2.VEC-VBR驱动器
依据系统可能的大扭力需要和选定的伺服电机大额定电流来选定。驱动器有回升放电功能，可以外接放电电阻（内含放电回路的机型）或外加煞车制动器再接放电电阻（无放电回路的机型）；详细内容请咨询本公司技术服务咨询人员。
3.主线速度测量编码器
依据精度要求及机械参数来选定。编码器的选定规格需注意：
1）工作电压5V
2）输出部分是线驱动（LineDrive），差动式信号，增量型。
3）有A，/A，B，/B的信号。
4）配合测量轮的外径及减速比，测量精度需能合乎裁切精度的要求。
若采用1024ppr的编码器，配合圆周为400mm的测量轮，如果减速比是1，其测量精度是400/1024*2=0.78mm，可应用于±1mm精度要求的测量，但不适用于±0.8mm以下精度要求的测量。要提高测量精度，则提高编码器精度，或增加减速比，以提高单位长度中的脉波输出量。
4.人机界面
可规划适合的操作画面，以便于资料输入，动作切换，系统监视。
5.切点近接开关
切点近接开关信号的度直接影响裁切的精度。切点信号能有的重复性和稳定性，其在于能确保在高速运转中，的重复标示出切切断时的角度位置；信号输出的延迟时间、感应位置的误差量，都会造成控制上的误差。
选择的考虑点：
1）工作电压24V。
2）输出信号电压24V。
3）切断信号是脉冲式的信号。
4）输出迟延时间愈小愈好。
如果延迟时间小于3usec，表示大可能的误差在进料线速度为100米/分时为：
100,000mm/60,000,000us*3us*2=0.01mm
5）感应位置的重复性愈愈好。
现代汽车正由一个单纯交通工具朝着能满足人类需求和、舒适、方便及的方向发展。
要实现这些目标的关键在于汽车的电子化和智能化，先决条件则是各种信息的及时，这势必要求在汽车中大量采用各种传感器。传统的传感器往往体积和重量大、成本高，它们在汽车的应用受到很大的限制。
近几年来，从半导体集成电路（IC）技术发展而来的微机电系统（microelectromechnicalsystem，MEMS）技术日渐成熟。微型传感器是目前为成功并实用性的微型机电器件，主要包括利用微型膜片的机械形变产生电信号输出的微型压力传感器和微型加速度传感器；此外，还有微型温度传感器、磁场传感器、气体传感器等，这些微型传感器的面积大多在1mm2以下。随着微电子加工技术，特别是纳米加工技术的进一步发展，传感器技术还将从微型传感器进化到纳米传感器。这些微型传感器体积小，可实现许多全新的功能，便于大批量和生产，单件，易构成大规模和多功能阵列，这些特点使得它们非常适合于汽车方面的应用。
二、汽车用传感器分类
汽车用传感器是用于汽车显示和电控系统的各种传感器的统称。它涉及到很多的物理量传感器和化学量传感器。这些传感器要么是使司机了解汽车各部分状态的；要么是用于控制汽车各部分状态的。按在汽车上的作用可分为控制发动机、控制底盘以及给驾驶员提供各种信息用传感器，构成这些传感器的材料有精细陶瓷、半导体材料、光导纤维及高分子薄膜等；按输出特性来分有模拟型传感器和数字型传感器；按构成原理来分，有结构型、韧性型和复合型。为方便起见，现按汽车传感器的控制对象来分类。
三、微型传感器在汽车中的应用
汽车上用的传感器的种类很多，应用的方面很广。下面介绍传感器在汽车发动机控制、系统、车辆监控和自诊断等方面的应用。
（一）汽车发动机控制用传感器
发动机的电子控制一直被认为是MEMS技术在汽车中的主要应用领域之一。发动机控制系统用传感器是整个汽车传感器的，种类很多，包括温度传感器、压力传感器、位置和转速传感器、流量传感器、气体浓度传感器和爆震传感器等。这些传感器向发动机的电子控制单元提供发动机的工作状况信息，供电子控制单元对发动机工作状况进行控制，以提高发动机的动力性、降低油耗、减少废放和进行故障检测。
1．温度传感器
汽车用温度传感器主要用于检测发动机温度、吸人气体温度、冷却水温度、燃油温度以及催化温度等。温度传感器有热敏电阻式、线绕电阻式和热偶电阻式三种主要类型。这三种类型传感器各有特点，其应用场合也略有区别。热敏电阻式温度传感器灵敏度高、响应特性较好，但线性差、适应温度较低。其中，通用型的测温范围为-50℃～30℃，精度为1.5%，响应时间为10ms；高温型为600℃～1000℃，精度为5%，响应时间为10ms；线绕电阻式温度传感器的精度高，但响应特性差；热偶电阻式温度传感器的精度高，测量温度范围宽，但需要配合放大器和冷端处理一起使用。
其他已实用化的产品有铁氧体式温度传感器（测温范围为-40℃～120℃，精度为2.0%）、金属或半导体膜空气温度传感器（测温范围为-40℃～150℃，精度为2.0%，5%，响应时间约20ms）等。
2．压力传感器
压力传感器是汽车中用得多的传感器，主要用于检测气囊贮气压力、传动系统流体压力、注入燃料压力、发动机机油压力、进气管道压力、空气过滤系统的流体压力等。目前，致力于汽车用压力传感器开发和生产的主要公司有摩托罗拉，德科电子仪器，LucasNovasensor，HiStat，NipponDenzo，西门子，德州仪器等。
比较常用的汽车压力传感器有电容式、压阻式、差动变压器式、声表面波式。电容式压力传感器主要用于检测负压、液压、气压，测量范围为20kPa～100kPa，其特点是输入能量高，动态响应特性好、环境适应性好；压阻式压力传感器的性能则受温度影响较大，需要另设温度补偿电路，但适应于大批量生产；差动变压器式压力传感器有较大的输出，易于数字输出，但抗干扰性差；声表面波式压力传感器具有体积小、质量轻、功耗低、性高、灵敏度高、分辨力高、数字输出等特点，用于汽车吸气阀压力检测，能在高温下稳定地工作。
德国Infineon公司研制的智能轮胎压力传感器KP500内部集成了压力和温度传感模块，它不需要在传感器模块中增加加速度传感器，可以在汽车启动时自动开机进人自检，能测量压力、温度和电压等。所有的功能都是利用表面微机械加工技术集成在0.8μm的双互补金属氧化物半导体（BiCMOS）上。每个传感器模块中的电可擦可编程只读存储器中存储着惟一的32位芯片识别码。芯片识别码可以由同步串行接口读出，而且，可以用于辨识各个轮胎压力传感器的位置。在接收数据的时候，，要检查芯片识别码，如果发现芯片识别码不符，就放弃收到的数据帧。
3．流量传感器
流量传感器主要用于发动机空气流量和燃料流量的测量。进气量是燃油喷射量计算的基本参数之一。空气流量传感器的功能：感知空气流量的大小，并转换成电信号传输给发动机的电子控制单元。空气流量的测量用于发动机控制系统确定燃烧条件、控制空燃比、起动、点火等。空气流量传感器有旋转翼片式、卡门涡旋式、热线式、热膜式等4种类型。空气流量传感器的主要技术指标：工作范围为0.11m3/min～103m3/min，工作温度为-40℃～120℃，精度＞1%。燃料流量传感器用于检测燃料流量，主要有水轮式和循环球式，其动态范围为0～60kg/h，工作温度为-40℃～120℃，精度为±1%，响应时间＜10ms。
Honeywell的下属微开关（microswitch）公司用热微细加工技术制作出了微桥式空气流量传感器芯片，它用微细加工技术在硅圆片上加工出空腔，铂电阻悬挂在空腔之上。当空气流过器件时，发生了从空气流动方向下方到上方的热传输，因而，下方电阻被冷却，上方电阻被加热，由电桥电阻变化可测量出空气流量。
4．位置和转速传感器
曲轴位置与转速传感器主要用于发动机曲轴转角、发动机转速、节气门的开度、车速等，为点火时刻和喷油时刻提供参考点信号，同时，提供发动机转速信号。
目前，汽车使用的位置和转速传感器主要有交流发电机式、磁阻式、霍尔效应式、簧片开关式、光学式、半导体磁性晶体管式等，其测量范围为0°～360°，精度±0.5°，测弯曲角达±0.1°。
车速传感器种类繁多，有敏感车轮旋转的、也有敏感动力传动轴转动的，还有敏感差速从动轴转动的。当车速100km/h时，一般测量方法误差较大，需采用非接触式光电速度传感器，测速范围为0.5km/h～250km/h，重复精度为0.1%，距离测量误差为0.3%。
5．气体浓度传感器
气体浓度传感器主要用于检测车体内气体和废放。其中，主要的是氧传感器，它检测汽车尾气中的氧含量，根据排气中的氧浓度测定空燃比，向微机控制装置发出反馈信号，以控制空燃比收敛于理论值。常用的有氧化锗传感器（使用温度为-40℃～900℃，精度为1%）、氧化铬浓差电池型气体传感器（使用温度为300℃～800℃）、固体电解质式氧化铬气体传感器（使用温度为0～400℃，精度为0.5%），另外，还有二氧化钦氧传感器以及二氧化错氧传感器。和氧化锗传感器相比，二氧化钛氧传感器具有结构简单、轻巧、，且抗铅污染能力强的特点。二氧化锆微离子传感器由氧化钙稳定氧化错离子体、多孔铂厚膜工作电、钯/氧化把厚膜参数电、不透水层、电接触和保护层构成。其中，氧化钙稳定氧化错由反应溅射法积淀。工作电和参考电都由厚膜工艺制作。在理想的A/F点附近的输出电压发生骤变，当空燃比变高，废气中的氧浓度增加时，氧传感器的输出电压减小；当空燃比变低，废气中的氧浓度降低时，氧传感器的输出电压增大。电子控制单元识别这一突变信号，对喷油量进行修正，从而相应地调节空燃比，使其在理想空燃比附近变动。
6．爆震传感器
爆震传感器用于检测发动机的振动，通过调整点火提前角控制和避免发动机发生爆震。为了大限度地发挥发动机功率而不产生爆燃，点火提前角应控制在爆燃产生的临界值，当发动机产生爆燃时，传感器将爆燃引起的震动转变成电信号，并传给电子控制单元。检测爆震有检测气缸压力、发动机机体振动和燃烧噪声等三种方法。爆震传感器有磁致伸缩式和压电式。磁致伸缩式爆震传感器的使用温度为-40℃～125℃，频率范围为5kHz～10kHz；压电式爆震传感器在频率5.417kHz处，其灵敏度可达200mV/gn，在振幅为0.1-10gn范围内具有良好线性度。
7．节气门位置传感器
节气门位置传感器安装在节气门上，其功能是将发动机节气门的开度信号转变成电信号，并传递给电子控制单元，用以感知发动机的负荷大小和加减速工况。常用的是可变电阻式节气门位置传感器。该传感器是一种典型的节气门传感器，主要由一个线形变位器和一个怠速触点两部分组成。电阻变位器用陶瓷薄膜电阻制成，滑动触点用复位弹簧控制，与节气门同轴转动。工作时，线形变位器的触点在电阻体上滑动，根据变化的电阻值，可以测得与节气门开度成正比的线性输出电压信号。根据输出电压值，电子控制单元可获知节气门的开度和开度变化率，从而判断发动机的运行工况，提高控制精度和效果。怠速信号滑动触点是常开触点，只有在节气门全闭时才闭合，产生怠速触点信号，主要用于怠速控制、断油控制及点火提前角的修正。
（二）系统方面用传感器
是汽车考虑的要因素，用于方面的传感器也很多，如有用于汽车气囊的微型加速度计，测角速率的表面微机械陀螺等。
1．微加速度传感器
目前，气囊是而且将来也是MEMS技术的一个主要应用。所用的硅加速度计的量程一般为50gn。较早的如像摩托罗拉公司用体微细加工技术制作的硅加速度传感器。
瑞典Henrik等人报道了一种新型的硅微三轴加速度计，其外形结构参数为6mm×4mm×l.4mm，它有4个敏感质量块，4个立的信号读出电和4个参考电。它巧妙地利用了敏感梁在其厚度方向具有非常小的刚度而能够敏感加速度，在其他方向刚度相对很大而不能敏感加速度的结构特征。在加速度计的横截面上，由于各向异性腐蚀的结果，敏感梁的厚度方向与加速度计的法线方向（z轴）成35.26°（tan35.26°＝0.707）。
2．表面微机械陀螺
传统的陀螺仪是由高速旋转的转子、内环、外环和基座组成，这种陀螺仪的内外环通常是用滚珠轴承支撑，这些通常是用机械加工方法制成，需要加工精度高、难度大、而且，做成的陀螺仪体积大、质量重。微机械陀螺是具有复杂的检测与控制电路的MEMS装置。SaidEmreA1per等人报道了一种结构对称，并具有解耦特性的表面微机械陀螺。该敏感结构在其外边的4个角都设置了支承“锚”，与传统的直接支承在“锚”上的实现方式不同，它利用一种对称结构敏感质量块支承在连接梁上，并通过梁将驱动电和敏感电地连接在一起。用微器件软件包（MEM）分析后可知，两个方向上的振动相互不影响，所以，这样的连接方式不用考虑机械耦合。
该微机械陀螺的平面外轮廓的结构参数为1mm2，厚度仅为2μm。其工作原理是：当在敏感质量块上施加一直流偏置电压，在活动叉指和固定叉指间施加适当的交流激励电压时，敏感质量块将在y轴方向上产生固有振动。当陀螺感受到绕z轴的角速度时，由于科氏效应，敏感质量块将产生沿x轴的附加振动。通过测量附加振动的振动幅值就可以得到被测的角速度。在常规的大气情况下，该敏感结构具有0.37°/s的分辨力。
（三）车辆监控和自诊断用传感器
在车辆监控和自诊断方面，MEMS技术的一个主要应用将是轮胎压力监测；其次是应用于冷却、刹车等系统的传感器。此外，还有如像在亮度控制系统中使用光传感器；在电子驾驶系统中使用磁传感器、气流速度传感器；在自动空调系统中使用室内温度传感器、吸气温度传感器、风量传感器、日照传感器、湿度传感器；在导向行驶系统中使用方位传感器、车速传感器等。
（四）高温微电子在汽车中的应用
高温微电子在汽车发动机控制、气缸和排气管、电子悬架和刹车、动力管理及分配等方面的监控中都起着非常重要的作用。例如：用于发动机控制的高温微电子传感器和控制器将有助于燃烧的好监测和控制，它将使燃烧的加，提高燃烧效率。
但是，用传统的硅半导体技术制作的微电子器件由于不能在很高的温度下工作，已不能胜任。为了解决在高温环境下温度测量问题，研制一种新的材料来取代传统的半导体材料。三代宽能带半导体材料Sic具有高击穿电场、高饱和电子移速率、高热导率及抗辐照能力强等一系列优点，特别适合制作高温、高压、高功率、耐辐照等半导体器件。集成的sic传感器可以直接与高温油箱和排气管接触，这样，能进一步获得有关燃料燃烧效率和减少废放的多信息。研究表明：一旦sic半导体技术能解决好材料、封装等技术而得到进一步的发展，SIC功率器件的工作范围将过传统的硅功率器件，而且，其体积比Si功率器件也要小。
四、结束语
由于汽车传感器在汽车电子控制系统中的重要作用和快速增长的市场需求，对其理论研究、新材料应用和新产品开发都非常重视。未来的汽车用传感器技术，总的发展趋势是微型化、多功能化、集成化和智能化。
基于MEMS技术的微型传感器在降低汽车电子系统成本及提高其性能方面的优势，它们已开始逐步取代基于传统机电技术的传感器。随着纳米技术的进步，体积小、造价低、功能强的微型传感器将广泛应用在汽车的各个方面。在未来几年内，包括发动机运行管理、废气与空气质量控制、刹车防抱死系统、车辆动力学控制、自适应导航、车辆行驶系统在内的应用将为MEMS技术提供广阔的市场
引言
我国是世界上大的纺织品服装生产国。2000年我国的纺织纤维加工总量达到了1210万吨，纺纱、织造装的产量均世界位。2003年，纺织品服装出口创汇过800亿美元，约占我国总出口创汇的20%。2003年我国的纺织机械进口和国内生产双双过40亿美元。但是，受我国印染技术水平的制约，目前所生产的面料尚不能满足出装的要求，致使每年面料进口都在50亿美元左右。因此提高印染的技术水平，仍有的发展空间。
传统的纺织印染工业是劳动密集型产业，装备的自动化程度不高。所用传动大多数为不调速，需要调速的场合多数使用直流电机，如整经机、浆纱机和众多的印染设备。交流调速用的不多，主要有力矩电机交流调压调速、滑差电机调速、晶闸管串级调速、晶闸管交-直-交变频调速等。印染设备借助力矩电机的软机械特性，保整个机台线速度一致下有一个适中的布张力; 纺织厂的前纺则利用力矩电机调压调速实现棉卷的自调匀整; 晶闸管控制的电磁调速电动机（又称滑差电机和电磁转差离合器）用于梳棉机调速;晶闸管串级调速主要用在纺织厂的通风机上，达到节能的目的;晶闸管交-直-交变频调速，用在化纤工业的长丝纺丝机上。
2 变频器在纺织工业的应用概况
纺织工业是交流电机变频调速技术较早推广应用的一个领域。早在70年代化纤长丝纺丝机已经广泛采用晶闸管静止变频装置驱动众多的同步电机，以解决高速和多电机同步问题。进入80年代以后，由于交流调速技术的成熟和新型变频器的问世，纺织工业采用交流电机变频调速技术展开。这是因为纺织、印染、化纤设备多为单方向、不可逆运行的恒转矩负载，单台功率在几十kW以下，特别适合当时技术水平下的通用型交流变频调速装置的推广应用。我国的纺织工业装备经过十多年的引进技术、消化吸收、合资办厂和自主开发，了长足进展，设备的机电一体化水平、自动化水平有了较大提高。不仅设备制造企业，而且多的纺织企业认识到机电一体化纺织机械的优越性。八五期间主要在印染设备上推广应用变频调速技术和PLC技术，九五期间推广应用到整个纺织工业。现在可以说变频调速技术已经在纺织工业得到了普及。
各类纺织机械其主传动几乎毫无例外的应用了交流电机变频调速技术，包括单机变频调速系统和多单元机同步变频调速系统。从变频器的种类讲，包括从通用型变频器到交流伺服控制器等应有尽有。
（1） 通用V/F控制变频器异步电机调速。90年代初开始在我国的印染工业推广应用，典型的例子是印染前处理设备如退煮漂联合机、布夹丝光机、直辊丝光机、皂洗机等;后整理设备如热风拉幅机、热定型机等; 平网印花机的刮印单元等，由直流传动改造为交流传动，用交流变频技术实现多电机同步调速。其特点是使用大功率双性晶体管逆变技术、速度开环、控制简单、性高、使用简便;静态调速精度要求较低, 一般为2%～5%; 调速范围不大, 一般为（10～20）:1; 功率不高，在几十kW以下; 启动转矩不大，取代直流电机时一般功率要放大一级。
（2） 风机、泵类变频器异步电机变频调速。与通用V/F控制变频器同步在我国的纺织工业中推广应用，典型的应用例子是纺织厂的空调通风与印染厂的热风机。其特点为价格低、节能显著、调速范围小。
（3） 无速度传感器异步电机矢量控制变频调速。90年代后期开始取代普通的V/F控制变频器，成为变频器的主流在纺织工业中推广应用。其特点是使用IGBT作为逆变主开关元件、控制简单、性高、使用较简便;可达到的调速精度较高，静态调速精度可达（0.5～1）%;调速范围可达（20～50）:1;动态性能较好，启动转矩较大;如果使用变频电机，取代直流电机时，功率不必放大一级。
（4） 带速度反馈的异步电机矢量控制变频调速。其特点是控制电路较复杂、价格也较高，然而其调速性能好，主要特点有:
可以从零转速起进行速度控制, 调速范围可达100:1以上;
可对转矩进行控制;
动态响应速度快
主要用于对调速性能要求高的各种纺织机械，如POY和FDY直接纺丝设备，粘胶短纤纺丝生产设备以及定型机、予缩机、磨毛机、圆网印花机、平网印花机、大卷装卷轧染机等。
（5） 交流伺服控制用变频器。带有光电编码器（Encode）或者旋转变压器（Resolvor），驱动异步电机或者交流永磁同步电机用作的速度或者位置控制。其特点是动态性能好，但价格高。借助交流伺服，在平网印花机和圆网印花机的传动中提高对花精度;在浆纱机的分部传动中提高张力的均匀性。
3 印染设备交流变频多电机同步调速
在印染设备中, 为了对织物进行连续加工, 通常把众多的加工单元组合成联合机，各加工单元分别由一台电动机驱动。工艺要求加工中保持各单元之间张力恒定或者线速度成适当关系。这就要求各单元电动机之间有一种调节机制，使得各单元之间速度发生不协调时, 能及时调节自身的速度，自动保持与相邻单元一致，这种调速方式称为多电机同步调速。印染设备采用多电机同步调速方式者非常之多。
印染设备多为恒转矩负载，生产工艺要求调速，但对速度的精度要求不高。传统的印染设备采用直流电机驱动，单元之间采用摆式或者辊式松紧架检测张力，通过差动变压器、旋转变压器、自整角机、电位器或者可变电阻将松紧架的位置信号转变为调节用的电信号，借助电子装置调节电机速度。图1示出一个三单元（电机）同步调速简图，采用的是三辊式松紧架。
由于直流电机多故障、短寿命、价格高、低速同步性能差，从90年代初开始了用交流变频传动取代直流传动的技术改造。鉴于对动态性能、稳态速度精度要求不高，使用通用V/F控制变频器就能胜任，改造的技术难度不高。变频器需要有两个输入端:一个主频率给定用于调速;一个辅助频率给定用于调同步。主频率给定来自于系统速度给定;辅助频率给定来自本单元松紧架信号（主令例外），两个频率给定在变频器内部相加。早期的变频器只有一个频率给定，改造时需要制作一块同步板，以完成同步的加法功能。经过十几年的发展，印染设备交流变频多电机同步调速技术有了长足进步，主要表现在:
（1） 新的变频器装备有RS-485接口或者现场总线接口，因而主频率给定可以通过串行通讯，用广播的方式传送到所有的变频器，减少了现场的接线。另外数字频率给定取代模拟量频率给定, 避免了模拟量易受干扰的缺点。
（2） 无速度传感器矢量控制变频器成了通用变频器的主流。其特点是:动态性能好、低速转矩大，转矩可以控制与观测。从而有了两种工作模式:速度工作模式和转矩工作模式，速度模式的给定是速度，转矩模式的给定是转矩。在卷绕驱动中使用转矩模式有很大的优越性，只需修改转矩给定，可以不检测半径保持恒张力或者变张力卷绕。
（3） 现场总线的使用使得对变频器的监控变得方便、。通过现场总线可以把变频器运行的状况，如电流、电压、速度、转矩、报警、故障等信息汇报给控制器（PLC/IPC），并显示在人机界面上。现场总线的使用使变频器成了控制系统计算机网络中的一个节点，这是变频器信息化的基础。
（4） 借助于矢量控制变频器的速度工作模式与转矩工作模式，有可能不用松紧架、不用张力传感器、也不用速度传感器，实现两台异步电机的三无同步调速。在电机台数比较多时, 它的直接好处是减少系统的松紧架的数量。
（5） 松紧架位置传感器的进步。利用重力、高频电磁感应、磁敏电阻等原理研制成功无接触松紧架位置传感器，提高了松紧架位置检测的性。结合控制方法的改进（对松紧架进行位置控制），作到了松紧架的姿态控制，使稳态时松紧架总是处于中间位置。
（6） 变频器的参数由初的几十个发展到今天的上千个，变频器的功能越来越完善，几乎无所不能。原来变频器使用中需要增加的硬件都已经包括在变频器内部了，的工作只是简单的对变频器进行设定。
（7） 有速度传感器或者位置传感器的矢量控制技术（交流伺服控制）在多电机同步调速中得到使用，如圆网印花机、平网印花机、浆纱机、湿法毡生产线等，其目的或者是为了改善对花精度，或者是为了改善张力的动态均匀性，或者是为了恒张力或变张力卷绕等。
4 印染设备无松紧架无张力传感器无速度传感器多电机同步调速
近十几年来，国内外采用交流变频异步电机驱动取代直流电机驱动，技术水平有了很大提高。但是，同步检测调节环节仍然沿用了原有的松紧架结构（或者张力传感器或者速度传感器）。这个环节成了新设备的薄弱部分，故障多、维护工作量大，影响了新设备潜能的发挥。有人作过改进，但改进工作主要集中在如何把松紧架的位置信号转变为控制用的电信号上，没有涉及到松紧架本身。
4.1 松紧架的利与弊
印染设备上的传动辊特别多，其中少数辊子通过电机拖动，称其为主动辊;大多数辊子通过绕在其上的织物拉动，称其为被动辊。如果一个主动辊拖动的被动辊多，则织物张力的均匀性差。主动辊处的张力大，后一个被动辊处的张力小。反之，如果一个主动辊拖动的被动辊少，则织物张力的均匀性好，主动辊与后一个被动辊之间的张力差小。一般说来，主动辊与主动辊之间需要松紧架、张力传感器、速度传感器加以同步。工艺要求提高张力的均匀性，这就要求主动辊多、拖动电机多，从而松紧架多。这样作的弊端是增加了设备的复杂性和故障率，给操作和维护工作带来困难。
现在的趋势是对织物加工过程中的张力均匀性提出了越来越高的要求。为了满足这个要求，新设备设计中增加了主动辊的数量，从而也增加了拖动电机的数量。但需要想办法不增加甚至减少松紧架的数量。
4.2 减少和取消松紧架的方法
变频器在印染设备上的使用已经是一项成熟的技术。变频器的功能越来越完善，能做的事情越来越多。一些原来很难完成的工作，借助于变频器可以很容易实现。比如无速度传感器矢量控制变频器可以工作在速度模式也可以工作在转矩模式，可以和输出电机的速度、线速度、转矩、电压和电流等运行参数。借助于这些功能，有可能构建出一些减少和取消松紧架的同步调速方法。
（1） 大小电机法
一个单元用二台电机拖动，一台电机的功率大，另一台电机的功率小。小电机可以提供一定的辅助驱动转矩，以改善张力的均匀性，但不足以单将设备驱动;大电机的功率足以将该单元驱动，决定了该单元的速度。小电机的变频器工作在转矩模式，大电机的变频器工作在速度模式。二台电机间不设松紧架。
举例:印染前处理的水洗单元，传统的做法使用一台电机驱动，现在改为二台电机驱动，以改善张力的均匀性。台电机功率7.5kW，工作在矢量控制速度模式;二台电机0.75kW，工作在矢量控制转矩模式。二台电机间不需要松紧架，同步不成问题。
（2） 直接速度同步系统
一般各单元都设计成转速负反馈，使各单元机的线速度尽量不受负载波动等因素的影响。这样，只要在联合机运行前，事先将各单元机的线速度调整相等（考虑到织物的伸长，实际应为一定的比例关系），即可实现同步运行。
举例:直辊丝光机的直辊部分使用带速度反馈的交流变频异步电机直接速度同步系统, 四台电机的线速度依次递增一个小的百分数（可调）, 实现一定的张力, 不需松紧架同步运行。
（3） 软机械特性法
如果几个单元的功能和结构相似，每个单元有一台电机和一台变频器驱动，可以考虑利用矢量控制变频器的转矩输出构造异步电机的软机械特性，从而电机间不需要松紧架而能保持良好的同步（详见图2）。有跑快倾向的因负载加重而快不起来，有跑慢倾向的因负载变轻而慢不下来，终维持速度一致。因为软机械特性不是用串电阻的方法获得，而是用转矩负反馈构造，使得效率比较高。
举例:直辊丝光机的直辊部分有四台电机驱动，它们的功能和结构相同。可以采用软机械特性法实现电机间的同步，设松紧架。四部分的线速度可以设定的不一样，以实现加工所要求的织物张力的调节。
5 交流电机伺服控制在卷绕中的应用
在纺织印染设备中卷绕是较为常用的传动系统, 主要传动方式分为液压传动、直流传动、交流变频传动和交流伺服系统等。其中交流伺服系统的卷绕性能, 但价位也。
恒张力卷绕有两种方式:压布辊磨檫传动和卷布辊传动。种方式由于传动不受卷布辊直径影响, 情况较为简单, 与一般的传动没有多大的差别。二种方式因受卷布辊直径的影响, 传动角速度是变量, 并随直径的增大转速变慢。
如果采用普通的交流变频传动，需要检测卷布辊的直径D，然后根据式（1）计算卷布辊转速n，再根据计算的转速控制变频器的频率，与普通的变频调速没有什么两样。
n=V/（πD） （1）
式（1）中: V为线速度; D为需要卷布辊的直径; n为卷布辊转速。
的有速度传感器矢量控制变频器的性能已经可以算做是交流伺服控制，它有速度运行模式和转矩运行模式两种工作方式。当工作在转矩运行模式时，能根据转矩给定运行，而转速浮动。多数情况下，要求加工过程中保持张力恒定。但是，有的应用要求卷绕过程中内紧外松，既要求实现变张力控制，随着卷径的增大，张力逐渐变小。恒张力常常和恒线速度相关，恒线速度则要求电机的转速与卷径成反比。对张力的控制可以采用开环的方法，也可以采用闭环的方法。有些电动机（如力矩电机等）本身具有软机械特性，用它们来驱动卷绕机构，可以获得近似恒张力运行;卷径的变化可以看着是一种扰动，用扰动补偿调节，可以实现间接法张力控制，也是一种近似的恒张力控制。直接有效的方法是利用张力传感器实现张力的闭环调节，也称直接法张力控制。印染联合机中常用的松紧架也可以看作是一种张力检测环节。只是这种装置体积大、精度差，没有张力显示，使用不便。
卷径在卷绕系统中是一个的参数，一般需要用某种检测装置来。卷绕张力是卷径的函数，需要通过计算来获得。
5.1 速度控制与转矩控制
速度控制与转矩控制是伺服控制器的两种控制模式。速度控制模式已为大家所熟知，给定的是速度，反馈的也是速度，对速度形成闭环控制，保速度为设定值，转矩则随负载而定。转矩控制模式，给定的是转矩，伺服控制变频器计算出实际的转矩，如果实际转矩设定转矩，则升速，反之，则减速，速度是浮动的。转矩控制模式非常适合于卷绕驱动。在卷绕驱动中，给定的是张力, 线速度恒定, 转速随卷径的增大而降低，转矩模式正好能满足这个要求。张力与半径的乘积就是转矩，作为转矩模式的给定，其转速正好浮动到所要求的线速度，无须线速度控制。如果不用专门的检测装置，变频器能够自己计算出卷径，问题可以进一步简化。显然，将伺服控制变频器的转矩控制模式用于卷绕驱动可以大大简化控制系统。
5.2 具有内部卷径计算的伺服控制变频器卷绕驱动
如上所述，如果伺服控制变频器具有卷径计算功能，那么由外部张力给定就能算出转矩给定，使用转矩控制模式将变得很方便。
功能块的使用可以通过对一系列的代码进行设定完成。图4示出了一个由功能块组成的卷径计算框图。
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