基于單片機(jī)的卷取機(jī)張力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要:張力控制是冶金、造紙、紡織等行業(yè)應(yīng)用最為廣泛的一項(xiàng)技術(shù)，它實(shí)現(xiàn)的好壞直接關(guān)系到產(chǎn)品生產(chǎn)效率的高低和質(zhì)量的優(yōu)劣。介紹了張力控制技術(shù)的基本原理，設(shè)計(jì)了一種以磁粉制動(dòng)器為執(zhí)行元件，基于AVR單片機(jī)的張力控制系統(tǒng)。采用類(lèi)似PWM脈寬調(diào)制控制的方式，保證了系統(tǒng)的良好性能。實(shí)踐證明，該系統(tǒng)具有良好的抗干擾性能，能夠較好地完成控制效果，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

關(guān)鍵詞:單片機(jī); 恒張力控制; 磁粉制動(dòng)器; 接近開(kāi)關(guān); 抗干擾

中圖分類(lèi)號(hào):TP273.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)13-0162-03

Design of SCM-based Tension Control System in Coiler

XU Kai1，2

(1. Bao Steel Group CO. Ltd.， Shanghai 200122， China; 2. Xi’an University of Architecture Technology， Xi’an 710055， China

)

Abstract: Tension control is a widely used technology in the areas of paper making， spinning and metallurgy. It is closely related with the products' production efficiency and quality. The basic principle of the tension control technology is introduced. A tension control system with a magnetic powder brake as the tension actuator is designed based on 8051 microcontroller. The mode similar to PWM pulse width modulation control is employed to guarantee the high performance of the control system.It has been found that this system has perfect performance of anti-jamming and can accomplish a rather better control.

Keywords: microcontroller; constant tension control; magnetic powder brake; proximity switch; anti-jamming

張力控制，通俗地講，就是要控制卷取物體時(shí)保持物體相互拉長(zhǎng)或者繃緊的力。張力應(yīng)用于最廣泛的造紙、纖維、塑料薄膜、電線、印刷品、磁帶等輕工業(yè)中，帶材或線材的收放卷張力對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。在收卷和放卷的過(guò)程中，為保證生產(chǎn)的質(zhì)量及效率，保持恒定的張力是很重要的[1-2] 。

1 張力控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)介及基本原理

在冶金、造紙、紡織等行業(yè)中，在加工過(guò)程中或者是加工完成之后，最后的一道工序一般就是將加工物卷繞成筒狀。在這一過(guò)程中，卷繞的好壞將是決定產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵，卷的太緊，容易使織物變形，拉斷，卷的太松又容易使卷取不緊湊，不利于搬運(yùn)和運(yùn)輸，因而為了達(dá)到使卷繞緊湊，保證產(chǎn)品的質(zhì)量，都要求在卷繞過(guò)程中，在織物上建立一定的張力，并保持張力為一恒定值，能夠?qū)崿F(xiàn)這一功能的系統(tǒng)，就叫做張力控制系統(tǒng)[3-5]。目前應(yīng)用的張力控制系統(tǒng)，根據(jù)其測(cè)量控制的原理結(jié)構(gòu)主要有三種:

間接法張力控制系統(tǒng);直接法張力控制系統(tǒng);兼有間接法和直接法的復(fù)合張力控制系統(tǒng)。

從控制方式上分類(lèi)，張力控制一般可以分為手動(dòng)、半自動(dòng)、全自動(dòng)三類(lèi);卷徑控制方式可自動(dòng)檢測(cè)卷徑從而對(duì)張力的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整、補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)張力的恒定[6]。卷徑控制方式屬于半自動(dòng)控制方式，其突出特點(diǎn)就是省去了價(jià)格相對(duì)昂貴的張力傳感器，安裝簡(jiǎn)單，而且能很方便的獲得錐度張力控制，特別適用于冶金、印刷、包裝、造紙、印染等行業(yè)的分切及收卷機(jī)器設(shè)備。圖1為收放卷的原理圖。

圖1 收卷和放卷的原理圖

圖1中，R0為放卷軸半徑;Rx為放卷材料半徑;R1為收卷驅(qū)動(dòng)軸半徑;V為卷材運(yùn)行的線速度。

當(dāng)卷軸轉(zhuǎn)速恒定時(shí)，張力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩F#8226;Rx與磁粉制動(dòng)器產(chǎn)生的制動(dòng)力矩相等。因此如維持F恒定不變，則只需檢測(cè)放卷軸與驅(qū)動(dòng)主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，計(jì)算出Rx，通過(guò)控制磁粉制動(dòng)器的制動(dòng)電流，便可以實(shí)現(xiàn)放卷軸的恒張力控制。其中，脈沖信號(hào)是通過(guò)安裝于旋轉(zhuǎn)軸上的接近開(kāi)關(guān)或者是旋轉(zhuǎn)編碼器獲得(本設(shè)計(jì)采用接近開(kāi)關(guān))，單片機(jī)通過(guò)計(jì)數(shù)這一脈沖信號(hào)的頻率就可以準(zhǔn)確的計(jì)算出需要檢測(cè)軸的角速度，由于兩滾動(dòng)軸上線速度的相等，因此可以求得:

Rx=(R1#8226;ω3)/ω0(1)

I=(Rx#8226;F)/K(2)

式中:ω1為收卷驅(qū)動(dòng)軸的角速度;ω0為放卷軸的角速度;K為磁粉制動(dòng)器的特性系數(shù)。

2 接近開(kāi)關(guān)的應(yīng)用

接近開(kāi)關(guān)屬于一種有開(kāi)關(guān)量輸出的位置傳感器，根據(jù)工作原理的不同分為電容式和電感式[7]。接近開(kāi)關(guān)的基本原理框圖如圖2所示。

圖2 接近開(kāi)關(guān)工作流程圖

在該設(shè)計(jì)中，采用電感式接近開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)放卷軸和主軸旋轉(zhuǎn)角速度的精確測(cè)量。兩個(gè)接近開(kāi)關(guān)對(duì)放卷軸和收卷驅(qū)動(dòng)軸角速度的檢測(cè)，用于產(chǎn)生脈沖方波信號(hào)，經(jīng)過(guò)光電隔離開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)化為單片機(jī)可以讀取的電平脈沖信號(hào)。

3 張力控制的執(zhí)行部件磁粉制動(dòng)器

在張力控制系統(tǒng)中，磁粉制動(dòng)器由于其體積小、重量輕、激磁功率小且具有良好的控制特性，因而得到了廣泛的應(yīng)用。磁粉制動(dòng)器轉(zhuǎn)矩和激勵(lì)電流的關(guān)系一般都稱作為靜特性。它是磁粉制動(dòng)器主動(dòng)端轉(zhuǎn)速n恒定，從動(dòng)端制動(dòng)時(shí)，磁粉制動(dòng)器的激勵(lì)電流和輸出轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。轉(zhuǎn)矩電流特性曲線如圖3所示。

圖3 磁粉制動(dòng)器的電流轉(zhuǎn)矩曲線

由圖3可知，磁粉制動(dòng)器的轉(zhuǎn)矩曲線可以分為三個(gè)部分:非線性段、線性段和飽和段。磁粉制動(dòng)器具有良好的恒轉(zhuǎn)矩特性，并且磁粉制動(dòng)器輸出轉(zhuǎn)矩與磁粉線圈激勵(lì)電流優(yōu)良的線性關(guān)系，只要線性調(diào)節(jié)激勵(lì)電流，便能實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)張力的動(dòng)態(tài)控制，并且磁粉制動(dòng)器在轉(zhuǎn)速很低的情況下性能也十分穩(wěn)定[8]。磁粉制動(dòng)器在卷取張力控制系統(tǒng)的應(yīng)用，如圖4所示用磁粉制動(dòng)器控制張力的方案較以往的控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、執(zhí)行單元成本低、容易控制的特點(diǎn)，特別是實(shí)際張力的大小通過(guò)電流直接調(diào)節(jié)，改變了其他調(diào)節(jié)裝置的手工操作過(guò)程，使得操作簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確。增加動(dòng)態(tài)電流補(bǔ)償環(huán)節(jié)有利于進(jìn)一步提高產(chǎn)品質(zhì)量。

圖4 卷取張力控制系統(tǒng)

4 單片機(jī)張力控制系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)功能概述

(1) 檢測(cè)放卷機(jī)的角速度和卷取機(jī)的角速度、線速度、半徑4個(gè)參數(shù)，用數(shù)碼管顯示各參數(shù)檢測(cè)結(jié)果。

(2) 若參數(shù)檢測(cè)結(jié)果超過(guò)上下限，實(shí)現(xiàn)報(bào)警。

(3) 根據(jù)檢測(cè)到的各參數(shù)，通過(guò)設(shè)計(jì)的控制算法運(yùn)算后，輸出控制值，作為晶閘管的觸發(fā)脈沖回路的輸入電壓，以控制執(zhí)行元件磁粉制動(dòng)器的轉(zhuǎn)矩。

(4) 建立實(shí)時(shí)時(shí)鐘，并用數(shù)碼管顯示時(shí)鐘。

(5) 通過(guò)按不同的功能鍵，進(jìn)行人機(jī)對(duì)話，實(shí)現(xiàn)各種操作的功能。

4.2 系統(tǒng)硬件框圖

系統(tǒng)硬件框圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)硬件框圖

4.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)[9-10]

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包含以下幾個(gè)方面:

(1) 實(shí)現(xiàn)各種初始化，包括AVR芯片的初始化、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0初始化、時(shí)鐘初值輸入以及開(kāi)中斷、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器啟動(dòng)等。

(2) 實(shí)現(xiàn)顯示(按照人機(jī)對(duì)話功能顯示時(shí)鐘或各種不同參數(shù))。

(3) 不斷地進(jìn)行鍵掃描，判斷是否有鍵按下，如無(wú)鍵按下，則返回顯示;如有鍵按下，則根據(jù)所按鍵實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的人機(jī)對(duì)話功能。

主程序系統(tǒng)流程圖如圖6所示。

圖6 主程序系統(tǒng)流程圖

5 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了張力控制系統(tǒng)的基本概念，實(shí)現(xiàn)的基本方式，以及對(duì)作為主要執(zhí)行部件的磁粉制動(dòng)器的基本原理和工作特性進(jìn)行研究，隨后采取基于半徑檢測(cè)的間接張力控制技術(shù)，進(jìn)行了單片機(jī)張力自動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。實(shí)踐證明，該系統(tǒng)具有良好的抗干擾性能，能夠較好地完成控制效果，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

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