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(shí)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(huì)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(dòng)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(dòng)器作為張力控制的執(zhí)行元件[3]。磁粉制動(dòng)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(gè)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(hào)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(hào)常采用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)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(hào)送入張力控制器,經(jīng)放大、A/D變換后，將信號(hào)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(yùn)算后，輸出恒流控制信號(hào)給磁粉制動(dòng)器,控制磁粉制動(dòng)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(jì)

   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(hào)輸入和一路恒流控制信號(hào)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(hào)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(gè)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(xiàng)功能。而D/A則可利用C8051F350的可編程計(jì)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(hào)接口電路

    若傳感器輸為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)形式，即為DC4-20mA, 或電壓信號(hào)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(jì)采用恒流供電形式，如圖2所示，恒流電路采用OP07運(yùn)算放大器完成。運(yùn)算放大器同相端接2V穩(wěn)壓管，這樣，加在運(yùn)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(hào)輸出。輸出的電壓信號(hào)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(diǎn)電平調(diào)整電位器。

2.2    磁粉制動(dòng)器恒流控制電路

    磁粉制動(dòng)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(dòng)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(jì)數(shù)陣列（PCA）的脈寬調(diào)制（PWM）功能作為D/A信號(hào)輸出。如圖3所示, MPU將PWM信號(hào)送至7U1光藕隔離輸出，信號(hào)經(jīng)非門傳遞至由7R3和7C1組成的濾波電路，將PWM信號(hào)變?yōu)?-2V的直流信號(hào), 送至運(yùn)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(hào)電壓0-2V, 從而形成恒流加在磁粉制動(dòng)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(dòng)器恒流控制電路

Fig. 3 Magnetic powder brake constant current control circuit
 
  磁粉制動(dòng)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(hào)輸入電路和磁粉制動(dòng)器恒流控制輸出電路外，還采用三線串行接口DM12864M 圖形點(diǎn)陣液晶屏進(jìn)行控制參數(shù)、設(shè)置參數(shù)及出錯(cuò)報(bào)警信息的顯示。顯示內(nèi)容包括：設(shè)定張力值、實(shí)測張力值、磁粉制動(dòng)器控制電流大小及張力控制器運(yùn)行狀態(tài)（手動(dòng)、自動(dòng)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(gè)按鍵進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和其它運(yùn)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(jì)

    張力控制器的軟件應(yīng)能完成對各功能模塊的控制，實(shí)現(xiàn)參數(shù)標(biāo)定、設(shè)置，張力測量，恒流信號(hào)輸出等功能。軟件完成初始化設(shè)置后，進(jìn)行張力信號(hào)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(shí)造成PID運(yùn)算的積分積累，避免控制量超過磁粉制動(dòng)器的最大動(dòng)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(shí)，取消積分作用。當(dāng)控制量接近設(shè)定值時(shí)，加人積分作用，以便消除靜差，提高控制精度。在實(shí)際運(yùn)行中，根據(jù)實(shí)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(hào)采集與磁粉制動(dòng)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(yàn)和實(shí)踐運(yùn)行證明，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)合理，達(dá)到了所要求的張力控制。