1           張力控制

包裝機(jī)械如分切機(jī)、印刷機(jī)、復(fù)合機(jī)等在收卷和放卷過程中，卷材張力隨卷材卷筒直徑變化而變化。張力的大小在實際應(yīng)用中還受其他因素影響，比如導(dǎo)輥的包角，靜平衡等因素。張力太小，卷材易松弛產(chǎn)生橫向飄移；張力太大則又會導(dǎo)致卷材表面起皺甚至斷裂。因而在收、放卷過程中，保證生產(chǎn)的質(zhì)量及效率，恒定的張力是很重要的[1][2]。

通常放卷軸采用被動方式,由下道工序的牽引輥將卷材從卷筒上拉出。為保持恒張力放卷,放卷筒常用磁粉制動器作為張力控制的執(zhí)行元件[3]。磁粉制動器是利用電磁效應(yīng)下的磁粉來傳遞轉(zhuǎn)矩的,具有激磁電流和傳遞轉(zhuǎn)矩成線性關(guān)系[4]。

卷材張力測量也有多種形式，圖1是兩種常用的張力測量方法。圖1(a) 是利用稱重傳感器進(jìn)行張力測量，為稱重測量法。一般在受力輥的兩端設(shè)有兩個稱重傳感器。圖1(b)中為角位移測量法，通常利用電感式角位移傳感器間接進(jìn)行張力的測量。一般在受力輥的一側(cè)裝有電感角位移傳感器。采用稱重法，傳感器多為應(yīng)變片橋路信號輸出，后續(xù)電路要復(fù)雜一些；采用角位移測量法，傳感器信號常采用標(biāo)準(zhǔn)信號如DC4-20mA恒流或DC0-10V/0-5V輸出，后續(xù)電路較為簡單。

傳感器將檢測到的卷材張力信號送入張力控制器,經(jīng)放大、A/D變換后，將信號送入微處理器進(jìn)行處理,微處理器根據(jù)設(shè)定值和檢測值作比較運算后，輸出恒流控制信號給磁粉制動器,控制磁粉制動器力矩的改變，進(jìn)而控制收放卷軸之間的卷材張力保持恒定, 形成閉環(huán)的張力控制系統(tǒng).

2           控制器硬件設(shè)計

   根據(jù)張力控制原理可知，若采用稱重法則需二路傳感器信號輸入和一路恒流控制信號輸出?？刂葡到y(tǒng)既需要A/D轉(zhuǎn)換器, 也需要D/A轉(zhuǎn)換器。為簡化線路，降低成本，控制器選用了具有A/D和D/A轉(zhuǎn)換器的嵌入式混合信號微處理芯片C8051F350，避免采用片外A/D和D/A轉(zhuǎn)換器。

C8051F350MPU內(nèi)部含有一個全差分24位Sigma-Delta A/D, 具有在片校準(zhǔn)和抽取濾波器及內(nèi)部電壓基準(zhǔn)和8種增益設(shè)置等多項功能。而D/A則可利用C8051F350的可編程計數(shù)陣列(PCA)的脈寬調(diào)制(PWM)功能, 16位轉(zhuǎn)換精度，且便于光電隔離。

圖2 應(yīng)變片橋路傳感器接口電路

Fig.2 strain gauge sensor interface circuit

2.1 傳感器信號接口電路

    若傳感器輸為標(biāo)準(zhǔn)信號形式，即為DC4-20mA, 或電壓信號DC0-10V/0-5V. 接口電路形式較為簡單。在此主要對采用稱重法的應(yīng)變片傳感器電路進(jìn)行說明。

應(yīng)變片組成的橋路，有恒壓供電和恒流供電兩種形式。設(shè)計采用恒流供電形式，如圖2所示，恒流電路采用OP07運算放大器完成。運算放大器同相端接2V穩(wěn)壓管，這樣，加在運算放大器H0U0反相端電阻H0R2（69Ω）上的電壓也為2V, 因此，流過電阻H0R2上的電流，不因負(fù)載變化而變化，從而形成恒流供電。在收放卷過程中，因張力變化引起橋路不平衡將有電壓信號輸出。輸出的電壓信號經(jīng)儀表放大器AD623放大后，傳送至MPU的A/D轉(zhuǎn)換器。圖2中H0W1為增益調(diào)整電位器，H0W0為零點電平調(diào)整電位器。

2.2    磁粉制動器恒流控制電路

    磁粉制動器的轉(zhuǎn)矩與激磁電流的大小基本成線性關(guān)系,改變激磁電流可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩大小。因此對磁粉制動器的控制主要是根據(jù)張力大小輸出相應(yīng)的恒定電流。系統(tǒng)利用C8051F350可編程計數(shù)陣列（PCA）的脈寬調(diào)制（PWM）功能作為D/A信號輸出。如圖3所示, MPU將PWM信號送至7U1光藕隔離輸出，信號經(jīng)非門傳遞至由7R3和7C1組成的濾波電路，將PWM信號變?yōu)?-2V的直流信號, 送至運算放大器7U3A的同相端。由放大器性質(zhì)可知，取樣電阻7R4上所加的電壓為控制直流信號電壓0-2V, 從而形成恒流加在磁粉制動器上。若取樣電阻7R4為1Ω，則最大可控電流范圍為0-2A(為避免過熱，取樣電

圖3 磁粉制動器恒流控制電路

Fig. 3 Magnetic powder brake constant current control circuit
 
  磁粉制動器
 

阻的選擇應(yīng)考慮其散熱功率).

2.3    張力控制器電路原理

   張力控制器除了兩路傳感器信號輸入電路和磁粉制動器恒流控制輸出電路外，還采用三線串行接口DM12864M 圖形點陣液晶屏進(jìn)行控制參數(shù)、設(shè)置參數(shù)及出錯報警信息的顯示。顯示內(nèi)容包括：設(shè)定張力值、實測張力值、磁粉制動器控制電流大小及張力控制器運行狀態(tài)（手動、自動及參數(shù)設(shè)置狀態(tài)）等內(nèi)容。設(shè)置參數(shù)包括：控制比例大小、積分大小、控制周期和相位等內(nèi)容。并通過5個按鍵進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和其它運行操作等。其電路原理如圖4所示。

圖4 張力控制器電路原理

3           軟件設(shè)計

    張力控制器的軟件應(yīng)能完成對各功能模塊的控制，實現(xiàn)參數(shù)標(biāo)定、設(shè)置，張力測量，恒流信號輸出等功能。軟件完成初始化設(shè)置后，進(jìn)行張力信號的數(shù)據(jù)采集與處理、恒流控制輸出和張力值顯示等內(nèi)容。

    算法上為防止偏差較大時造成PID運算的積分積累，避免控制量超過磁粉制動器的最大動作范圍，采用積分分離式的PID控制。即當(dāng)控制量與設(shè)定值的偏差較大時，取消積分作用。當(dāng)控制量接近設(shè)定值時，加人積分作用，以便消除靜差，提高控制精度。在實際運行中，根據(jù)實際需要還可以取消微分的調(diào)節(jié)作用。

    程序采用Keil C51進(jìn)行編寫。圖5為其程序流程圖。

 5 張力控制器程序流程圖

Fig. 5 Tension controller program flow diagram
 

4結(jié)束語

    利用C8051F350的全差分24位Sigma-Delta 模/數(shù)轉(zhuǎn)換器及抽取濾波器，有效地抑制各種干擾因素的影響，可以穩(wěn)定地進(jìn)行張力信號采集與磁粉制動器的恒流控制輸出。該張力控制器為某塑料廠復(fù)合機(jī)張力控制系統(tǒng)改造而開發(fā). 經(jīng)試驗和實踐運行證明，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計合理，達(dá)到了所要求的張力控制。