本文分析了變頻器內置PID調節器的閉環反饋工作原理，應用于電線電纜收線張力恒定系統，配合主從傳動點的主從應用宏，達到調節加工速度和張力恒定的要求。


一、概述

隨著變頻調速技術的發展與更新，變頻器以其優越的性能價格比為廣大用戶所青睞，變頻器的功能強大，是一種集電力、電子、計算機技術和現代技術為一體的一種典型的高科技產品，其操作簡單，幾乎不要調整，和普通異步電機配合基本可形成了一種免維護無故障運行的系統，不需要專門的技術人員對其進行日常保養和維護，所以變頻傳動已經日益成為電氣傳動控制的主流。

在電線電纜收線機械的電氣系統中，加工機馬達和收線機馬達組成主從傳動，利用兩臺通用型變頻器工作在主從控制方式，拖動電機同步運行。主機是加工機械，由一臺功率較大的變頻器控制，根據生產工藝要求調節加工速度；從機是收線機，由較小功率變頻器控制。系統控制圖如下圖1：

圖1 系統結構圖

加工成型的電線電纜通過定滑輪1、張力動滑輪、定滑輪2到達收線機，主機變頻器控制總車速，從機轉速自動跟隨主機的加工出線速度，保持張力動滑輪的位置不變；張力動滑輪通過連桿和電位器連接，動滑輪上下移動改變電位器位置，輸出的電壓信號送從機變頻器，由其內置的PID調節器進行閉環反饋控制，達到張力恒定的要求。

二、主從變頻器功能實現

在一般通用型變頻器中，可以通過參數組態的方式完成所需要的主從控制功能。以ACS600變頻器為例，我們可通過主機變頻器操作面盤控制本機啟動、停止、加減速度調節和運行顯示，或者主機給定信號和控制命令通過變頻器的標準輸入/輸出信號接口輸入，或通過NAMC板上的CH0通道連接現場總線適配器，同時利用外部繼電器控制回路實現從傳動點啟動和停止的連鎖控制。外部信號只與主變頻器相連，主機經由光纖通信控制從機，一般外部信號不與從傳動相連，也不用控制盤和現場總線控制從機，從機不通過主/從通訊鏈路向主機發送任何反饋數據，從機的故障信號應單獨地連至主機，形成聯鎖。一旦發生故障，聯鎖將停止主傳動和從傳動。

主/從應用宏參數的缺省設置能滿足一個典型的主傳動需要。從傳動的參數設置必須進行調整，主傳動是典型的速度控制，其它變頻器跟隨主傳動的轉矩或速度給定。主從應用宏提供了窗口控制功能。當從機處于轉矩控制時，變頻器在正常運行范圍內，窗口控制保持轉速調節器的輸入為零，從機跟隨主機的轉矩給定；發生負載丟失時，從機實際轉速開始升高直到反向轉速偏差的絕對值超過窗口允許負向寬度。窗口控制把窗口的輸出值與轉速調節器相連。轉速調節器輸出負值，加上來自主機的轉矩給定，得到內部轉矩給定，使內部的轉矩給定受到限制，以停止轉速升高。

主從變頻器間通信,主機向從機廣播控制字和兩個給定值，所有從機接收相同的消息。從機控制字（實際信號3.11 FOLLOWER MCW）是一個壓縮的16位字，其中僅第3位（RUN）、7位（RESET）、10位（REMOTE-CMD）使用，當從機參數 10.01（EX1 START/STOP/DIR）或10.02（EX2 START/STOP/DIR）設置為COMM.MODULE時，控制字中的命令有效。給定值是包括符號位和15位整數的16位字，給定1是速度給定，給定2是轉矩給定。在主機中，參數60.07（MASTER SIGNAL2）對送往從傳動的速度給定信號進行選擇，參數60.08（MASTER SIGNAL3）對送往從傳動的轉矩給定信號進行選擇；在從機中，要將給定1定義為外部速度給定的來源，參數11.03（EXT REF1 SELECT）應設置為COMM.REF，定義給定2為外部轉矩給定，參數 11.06（EXT REF2 SELECT）應設置為COMM.REF。

三、電纜收線張力恒定控制功能實現

在系統結構圖1中，從變頻器的外部給定由主機變頻器輸入速度或者轉矩信號，同時由張力動滑輪連桿機構通過電位器反饋給變頻器電壓信號，形成過程控制的閉環反饋回路。PID控制是一種閉環控制算法，它對給定與反饋的誤差進行比例P、積分I、微分D運算，根據運算結果，調節變頻器的輸出頻率，使反饋值跟隨設定目標值。比例環節主要調節誤差的比例，快速減小輸入、輸出，純比例P控制時，誤差不會為零；積分環節主要用于消除靜差，提高系統的無差度。積分作用的強弱取決于Ti，Ti積分時間常數越大，積分作用越弱，反之則越強；微分環節反映偏差信號的變化趨勢（變化速率），調節誤差的微分輸出，誤差突變時，能及時控制，并能在偏差信號變得太大之前，在系統中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統的動作速度，減少調節時間。組合三者的優勢，可以得到優化的控制性能。

圖2 張力PID閉環控制框圖

上圖2便是本系統中收線張力PID控制結構原理圖，外部給定信號與張力測定的負反饋信號形成的誤差經過PID控制器運算后送變頻器控制電機轉速，在實際的工程應用中，我們可以通過設定比例系數P、積分時間常數Ti和微分時間常數Td獲得優化性能，達到生產控制的要求。張力給定外加設定卷徑給定和轉動慣量等參數達到所需張力的轉矩值，能使系統運行穩定。

四、小結

在本系統利用變頻器作為執行機構控制異步電機同步運行，在保持速度一致的情況下，通過控制電纜收線的張力大小恒定，保證了主從電機的穩步運行和收線卷的質量，避免速度不穩和受到外界干擾產生的較大誤差。這里主要利用了變頻器的強大功能來實現電機傳動的控制，摒棄了模擬量控制系統，實現產品的機電一體化。