張力是指受到拉力作用時，物體內部任一截面兩側存在的相互牽引力。長材料的加工過程中，比如：紙、膠片、線、電纜、各種薄膜和繩等都存在張力。張力控制是對在兩個加工設備之間作連續運動或靜止的被加工材料所受的張力進行自動控制的技術。

如下圖所示，張力=扭矩/半徑（T=X/R）。當張力過大時，不適當的張力會導致材料伸長，破壞卷的形狀，如果張力超過材料的剪切強度，甚至會破壞卷筒。另一方面，張力不足會導致收卷卷筒伸縮或下垂，最終導致成品質量低下。

隨著現代工業的快速發展，高精度、高質量和高速度作業的機械設備，如絲綢印花機、紡織機、印刷機等，對張力控制提出了更高的要求。張力控制成為了工業和生產過程中不可或缺的重要因素，成為提高生產效率、保障產品質量、提高設備運行精準度的關鍵。

張力控制的三種方式

實現張力控制需要應用到張力控制器，這是一種實現恒張力或者錐度張力控制的自動控制系統，其作用主要是實現輥間的同步，收卷和放卷的均勻控制。整個系統主要由張力控制器、張力檢測器、制動器和離合器構成。控制方式有手動控制、開環張力控制、閉環張力控制三種。

（1）手動控制

手動張力控制就是在收卷和放卷過程中，通過人工分階段調整張力的幅值，以滿足不同階段的張力控制。當卷徑變化時，操作人員需要通過感覺來調整控制輸出以保證張力不會過大或過小。手動控制方式擁有以下三個特點：

①成本低；

②根據人的手感調整材料拉伸；

③只能進行階段性的控制。

由于采用手動控制，無法保證整個過程中張力的恒定，張力控制的調節精度比較差。該方式一般應用在張力控制精度要求不高，自動化程度低的應用場景。

（2）開環張力控制

開環張力控制就是在變頻器收卷和放卷過程中，自動檢測卷徑的變化，并實時調整收卷和放卷的力矩的方法，又稱為半自動式張力控制或者卷徑檢測方式。開環張力控制有以下三個特點：

①進行相對穩定的控制；

②不需要張力檢測器；

③有機械損耗，不能把握控制張力。

由于受到執行機扭矩變化、線性和機械損耗等影響，張力絕對控制精度有限，多應用在用戶無法安裝張力反饋裝置的場合。

（3）閉環張力控制

閉環張力控制亦稱為全自動張力控制方式，在開環張力控制的基礎上，使用張力傳感器、浮動輥、自由式浮動輥等反饋器件，通過PID調節，實時修正電機速度、轉矩，從而實現較高的張力控制精度。閉環張力控制有以下三個特點：

①控制精度良好；

②直接讀取和控制張力數值；

③成本高，需要對機械運動動作和控制進行協調。

對于該種張力控制方式，由于其進行了閉環控制，可以實現高精度的張力控制，能夠滿足高精度、高質量和高速度作業的機械設備。因為需要安裝張力檢測器，成本會相對其他方式會有所增加。

這里分享一個典型應用案例：威科達貼邊滾焊機張力方案中的過程張力A閉環控制。

傳統的張力控制方法

主動輥和壓焊印A兩根輥通過電氣或機械加工形成速差來使里面的材料繃緊，這種做法需靠材料的拉伸或其中的一根棍自然打滑方可使用，拉伸度不夠的材料不適合使用；還有一種方法是用浮輥，這種方法不適合小張力。

  威科達的張力控制方法  

在此區域安裝一個張力傳感器以檢測其實際張力大小，先根據機械參數算出主動輥和壓焊印A的速度比例關系，然后再慢速將機器開起來讓傳動輥運轉幾圈，系統根據張力傳感器的張力反饋大小和編碼器脈沖反饋雙閉環來修正電子齒輪比系數，精準匹配速度比例關系，使兩者的線速度基本同步，從而保證在運行過程中PID調節范圍小，過程張力更穩定。

實現張力控制優化的三種途徑

實現張力控制優化主要有三種途徑：一是卷徑計算；二是閉環張力控制；三是慣量計算。

（1）卷徑計算

卷徑計算是張力控制的一個關鍵內容。在生產過程中，開卷機的卷徑是在不斷變小，卷取機的卷徑是在不斷變大，因此轉矩必須隨著卷徑的變化而變化，才能獲得穩定的張力。由此可見，卷筒的瞬時卷徑計算是必需的。常見的卷進計算方式有以下三種： 

①通過牽引、收放卷的角速度和線速度來計算卷徑；

②通過材料的厚度計算面積，從而得到卷徑；

③通過傳感器直接測量卷徑。

卷徑計算是實現張力控制優化的方法之一。隨著卷徑的變化，控制電機的轉矩發生相應的增加和減小，從而得到穩定的開卷、卷取張力，順利地進行生產。

（2）閉環張力控制

通過上文的三種張力控制方式介紹可知，閉環張力控制相對于另外兩種方式，在穩定性和精度上均有優勢。想要實現張力控制效果的進一步提升，閉環張力控制無疑是必然選擇。

據吳工介紹，威科達閉環張力控制會在收放卷上增加卷徑計算和慣量計算，這樣就不會完全依賴于PID調節，使得張力控制更加平穩。

（3）慣量計算

在收放卷加、減速的過程中，需要提供額外的轉矩用于克服整個系統的轉動慣量。如果不加補償，將出現收卷過程加速時張力偏小，減速時張力偏大，放卷過程加速時張力偏大，減速時張力偏小的現象。因此，想要實現張力控制優化，慣量計算必不可少。

慣量計算是收放卷在加減速過程中會產生一個慣性，威科達通過改變電機轉矩的大小來抵消掉慣性，從而使張力控制更加穩定。 

VC510張?控制專?型伺服

針對張力控制的諸多難點，威科達提供了全伺服張?控制解決?案，以VC510張?控制專?型伺服為核?，針對不同的機械采?不同的張?控制模式，將張?控制器集成于伺服驅動器內，實現收放卷開環張?控制、收放卷閉環張?控制、過程張?控制等，達到?精度、?穩定性、免維護且節能的效果。

作為運動控制整案定制專家，威科達專注運動控制領域19年，旗下產品涵蓋有通用型伺服，張力控制、鏈刀、輪切、追剪、獨立模切、雙閉環專用、全閉環壓力控制等專用伺服，對電子凸輪、同步控制、張力控制、各種運動疊加，有深入的研究和廣泛的應用，深度解決工業自動化控制痛點，讓設備運行更加穩定、高效！