1 引言
由于直流电机调速性能很好，启动转矩较大，所以长期以来大多数国内造纸企业，都是采用直流调速作为复卷机的主要调速方式。
但是随着复卷机转速的进一步提高，对纸卷质量的要求更加严格，直流电机的缺点也暴露无遗：
(1) 需要定期更换电刷和换向器,维护保养困难,寿命较短；
(2) 由于直流电动机存在换向火花,难以应用于存在易燃易爆气体的恶劣环境；
(3) 结构复杂,难以制造出大容量、高转速和高电压的直流电动机。
这些直流电机与生俱来的缺陷严重阻碍了了造纸行业生产效率的提高，因此很多企业开始采用交流调速技术应用在复卷机上，交流调速技术是七十年代左右开始发展起来的，其中以德国人Blaschke在1971年提出的交流电机的矢量控制理论奠定了交流调速系统的理论基础。矢量控制理论的基本思想是：在两个匝数相等，互相垂直的绕组M和T,分别通以直流电流iM和iT，并使这两个绕组同时以同步转速旋转，这时候产生的磁场等效于在三相固定的对称绕组A、B、C中通以三相正弦交流电流ia、ib、ic时产生的磁场。绕组M相当于励磁绕组，T相当于电枢绕组。这样通过控制等效的的直流电流iM，iT就可以对三相交流电流ia、ib、ic进行控制，使交流电机获得了和直流电机一样优越的调速性能。2 复卷机的传动系统组成
本文设计的3800/2000下引纸复卷机电气传动系统就是采用矢量控制的交流调速策略。下面我就针对该调速系统作一下简单的介绍。
从图1中可以看出该控制系统为三级控制方式，传动系统第一级为逆变器控制级，逆变器采用SIEMENS公司公共直流母线系统，配有组合闭环控制编码器反馈CUVC板，组成闭环控制系统。逆变器上还配有CBP2通讯板，与上位PLC组成PROFIBUS-DP现场总线控制网络进行实时高速通讯。 
图1 系统图
动系统第二级为PLC控制系统，PLC采用西门子公司大型S7-412-2DP和SIEMENS公司的6SE70系列逆变器系统组成PROFIBUS-DP现场总线控制网络，完成整个复卷机操作控制。
传动系统第三级为上位优化控制系统，采IBM公司工业控制计算机,用于整个纸机传动系统状态监控。上位机采用西门子组态软件WINCC。能够通过工程师站对系统的所有组态、编程、参数的进行访问且能进行在线维护及对传动点进行操作、监控。
其中传动系统的第一级和第二级是我们实现矢量控制的关键所在，至于第三级在这里就不再详述了。复卷机的主要传动点是前后底辊和退纸辊。如何保证纸张的连续并满足复卷后纸卷的内紧外松的要求，这就需要我们对这三个传动点采取不同的控制方式。
3 矢量变频器6SE70和各传动点的控制
3.1 6SE70矢量变频器的功能
6SE70矢量控制变频器是全数字式的交-直-交电压源型SPWM变频器，其逆变器的主开关为IGBT具有良好的驱动性能。它采用先进的转子磁场矢量控制控制策略，可以达到同直流传动系统相媲美的静、动态性能，具有电机参数自动辨识，调节器参数自动寻优，故障自诊断等功能。先进的控制软件，确保最佳的动态响应、卓越的控制性能和高度的灵活性。多种自由功能的功能模块及BICO技术可灵活地满足各种控制功能需要的控制系统。两个串行基本接口可用USS协议进行通讯，用SCB2(或SCB1)通讯接口可实现装置与装置之间的通讯控制，而通过CBP通讯板可实现PROFIBUS-DP开放式的串行现场总线的通讯控制，通过CBP通讯板则可用CAN协议实现装置之间或同现场装置之间的通讯控制，也可和上一级自动化系统进行通讯。西门子6SE70矢量控制功能，可以对不同电机实现高精度矢量控制。特别是带PG矢量控制方式具有极高的速度控制精度（±0.01%）和极高的起动转矩（0r/min时150%），其与PLC配合使用，可以实现退纸辊的自动张力控制和前后底辊的转矩差控制。
变频器矢量控制策略是将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流ia、ib、ic通过三相-二相等效成两相静止坐标系下的交流电流ia1、ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流iM，iT（iM相当于直流电动机的励磁电流，iT相当于与转矩成正比的电枢电流）既将转矩电流，励磁电流分量进行解耦。使解耦的磁通与转矩控制器互不影响，而电机的速度、转矩连续可调。从而可实现在低速状态时的平滑运行和高力矩、高精度的速度、转矩控制。
在我们这里是采用的是西门子的公共直流母线系统，即采用的是一台整流回馈单元加三台逆变单元的方案，当电机处于电动状态，整流单元将三相电流整流为直流电源供逆变单元驱动电机;而当电机处于发电状态，逆变单元将电能反馈回直流母排，供其他电机使用或由制动电阻消耗。在本套系统中全采用的是西门子的6SE70系列，具体型号为：整流回馈单元6SE7041-0EH85,退纸辊逆变器6SE7035-1TJ60-Z，前后底辊逆变器均为6SE7033-2TG60-Z。 基本原理框图如图2所示：
 图2 逆变器的原理框图
3.2 退纸辊的控制
为了保证复卷过程中成品纸卷的顺利卷曲，要求退纸辊始终工作在发电制动状态，并且其制动力矩要随着退纸卷直径的减小而减小，这样才能保证张力的恒定，避免断纸和松纸。
 
从（5）是得知，直流电动机可通过控制制动发电机的电枢电流来控制张力，这样采用张力闭环控制系统，就能使张力环内的扰动量，如电流速度的波动量得到抑制，保证张力的恒定。
如上所诉，交流电机采用矢量控制后，就是通过控制相当于直流电机的电枢电流iT和励磁电流iM来实现对交流电机的控制。控制iT就是控制力矩，即控制张力，控制iM就是控制励磁电流，即在恒转矩时，保持iM恒定。恒功率时采用弱磁调速。在本系统中我们采用ABB的枕式张力传感器PFEA112进行张力值的实时测量与张力设定值组成张力闭环，如图3所示：
 图3 张力闭环控制框图从图中我们可以清楚地看到张力设定值作为一个前馈通道来对转矩进行提前控制。随着退纸辊直径的不断减小，退纸辊的转动力矩的必然减小，我们就要使退纸辊电机提供的制动力矩减小。而根据矢量控制原理，就是要把电机的电枢电流减小。所以在图中的退纸辊直径环节，我们采用的是西门子公司的带有卷曲软件的T400工艺板，它可以实现退纸辊直径的实时计算，也就是说该环节随着退纸辊实际直径的减小而减小，那么张力调节器输出的值与该环节相乘后得到的转矩限幅值也减小，从而使得电机的电枢电流减小。而且T400工艺板只需要通过特定通道对速度给定值和张力给定值进行设置就可以和6SE70逆变器共同完成对速度环和张力环的控制，不需要再PLC中进行程序控制，大大加快了运算速度，使整个系统的响应更加快速准确。而其他扰动，由于张力闭环的存在也都得到了有效的限制。具体的使用措施如下：
(1)按照控制原理图接线，并将相应的选件板插入对应的插槽中，接线规则和选件板安装参照[2>，检查无误后对整个系统上电。（在这里需要特别说明的是：逆变器和PLC之间采用CBP2板进行PROFIBUS-DP通讯，而T400工艺板和逆变器之间的数据传输和通讯是通过ADB板来进行的。）
( 2) 相关参数的设置。西门子6SE70变频器是工程型的，具有1048个参数（数标注为2992个，分16大类），其中BICO数据组71个，功能参数115个，电动机参数126个）可以选择。复卷机不同的使用条件，需进行相应的参数设定，变频器参数的优化设置是充分发挥该变频器功能的保证。6SE70 变频器的参数选择应根据[1>中的组态图进行。在这里可以通过PMU操作板来设置，也可以使用DRIVE MONITOR软件对参数进行监控和修改。由于需要设置的参数类型和数量比较多，所以我们在这里使用软件来进行参数设置。具体使用参见[1>中的通讯部分说明。简单参数设置如附表所示：
附表 参数设置
P060=3 简单的参数设置模式
P071=400 装置进线电压
P095=10 国际标准异步电机
P100=5 转矩控制带脉冲编码器（P130=11）
P101= 电机额定电压（根据电机铭牌设定）
P102= 电机额定电流（根据电机铭牌设定）
P104= 电机额定功率（根据电机铭牌设定）
P107= 电机额定频率（根据电机铭牌设定）
P108= 电机额定转速（根据电机铭牌设定）
P109= 根据额定转速计算
P368=6 设定方式（PROFIBUS通讯设定）
P918.0.1= 设定PROFIBUS地址（CBP板地址）
P918.0.2= 设定T400工艺板地址
P370=1 启动简单应用的参数设置
P060=0 返回用户菜单
而专家应用设置详见[2> 。
3.3 底辊的控制
底辊控制分为两部分：后底辊（主传动）的速度控制方式和前底辊转矩和速度并存的控制方式，负荷根据成品纸卷直径大小自动调整。
后底辊控制为标准的闭环速度控制方式，同时其速度检测编码器的编码器信号用于成品纸卷长度检测和计算。底辊的速度精度和动态响应直接影响了该复卷机系统的速度精度和稳定，因此调试的关键在于提高后底辊速度的稳定度和精度。
对于前底辊控制方式在速度和转矩方式间切换：采用SIEMENS公司6SE70系列主从控制模式根据设定自动在速度和转矩方式间切换。当整个系统处于加速或减速阶段时，也就是说后底辊电机处于加速或减速时，这时候前底辊为速度控制方式。而一旦加速完毕前底辊就开始工作在转矩模式时，其转矩参考点是后底辊的运行转矩，根据纸卷直径和紧度控制曲线自动调整前后底辊的运行转矩比例以达到纸卷“内紧外松”的工艺要求。
4 结束语
本文所述系统采用了比较先进的交流矢量控制方式进行控制，在张力控制和压纸辊压力控制上分别采用了西门子公司的T400卷曲工艺板和超声波测距仪等先进技术，利用T400工艺板的张力闭环控制使得在直流调速意义上的励磁和转矩（电枢电流）控制，通过矢量变频器在交流传动中实现，提高了系统的控制性能和可靠性（与直流传动相比）。在国内的复卷机电控系统中处于较先进的水平。 |
