基于伺服控制器的收卷机张力控制系统设计

前言

在实际生产中如果以中心收卷方式来收卷的话，收卷轴的直径是不断变化的。不断变化的收卷直径引起角速度的变化，从而引起材料上张力也随之出现的波动：张力过小，材料收卷时会松弛起皱、横向走偏;张力过大则导致材料拉伸过度，在纵向上会出观张力纹，甚至出现纵向隆起。

在收卷的过程中为保证生产效率和收卷的质量，张力控制系统就显得尤为关键。张力控制模式一般有开环、闭环控制两种模式，其中开环控制模式没有张力检测和反馈环节。设计、结构上相对简单但控制精度和稳定性较差。闭环控制模式一般有卷径检测装置和张力反馈环节，控制的随机性很强，具有较高的控制精度和响应速度，但系统的控制设计比较复杂而且元器件较多，在小型设备上的应用受到一定的限制。

张力控制是生产过程中极其重要的一环，良好的张力控制能够确保产品质量，提高生产效率。本文主要介绍了张力控制变频收卷的控制原理。此技术能够保证收卷的整个过程很稳定,避免小卷时张力过大;大卷启动时张力过小的现象。收卷中张力的控制就现在来说还是个难题，文章中基于建立的数学模型，介绍了变频收卷的原理,按照一定的控制策略进行数据处理，实时调整控制信号。通过PLC进行卷径的计算，改变变频器的输出频率，对电机进行控制。对收卷而言，随着卷径的逐渐增大，转矩的值也随之增大，变频器输出的速度将随之减少，符合收卷的基本原理，同时张力也在控制之中。系统实现了收卷张力的工艺定量化，完成了转矩和速度的自动跟踪转变。

1、控制系统工作原理及组成

本文采用基于伺服系统及plc系统的开环张力控制系统，应用在0.1mm级材料的收卷上，而且收卷质量等同于闭环控制的质量。本设计选用伺服控制系统是基于它的转矩控制模式在收卷方面具有控制简单、精度高的特点。在转矩模式下，不需要对收卷的速度进行控制，只需给出一个速度限制值即可使收卷轴的角速度根据转矩的大小而自动浮动，并实现恒线速度收卷。同时伺服控制器的内部转矩检测功能可以精确的检测输出电流，从而实现转矩的高精度控制。系统的转矩、速度指令及收卷的半径等参数通过plc系统内部计算得出，使系统得到进一步的简化。

该系统以PLC作为控制器，它主要包括：主机、开关量输入/输出模块，模拟量输入/输出模块，步进/伺服电机控制模块和LCD彩色液晶触摸显示屏等部件，如图1所示为控制系统的硬件组成图。

图1控制系统的硬件组成图

开关量(包括高速计数)输入/输出模块：主要实现操作按钮的输入，收缩杆的零位检测，光电编码器的计数及开关量的控制和状态指示等功能。

模拟量输入模块：用于张力的检测，收卷过程中，由传感器将张力的压力信号转变为电信号经张力变送器送入PLC模拟量输入模块，用于张力的控制和显示。

模拟量输出模块：通过张力的检测和给定张力经过PLC的PID运算产生当前控制量，经模拟量输出模块实现对磁粉制动器的励磁电流控制，保证张力的恒定;对变频器的调速控制，实现收卷过程的转速控制，自动降速及定位等控制功能。

步进电机控制模块：用于对步进电机的控制。根据设置的收卷直径通过步进电机调节偏转杆的位置。根据卷材厚度给定由步进电机控制收卷过程中每次收卷直径的微调量。

液晶触摸显示屏：作为人机操作界面，主要实现系统控制参数输入，系统工作过程，工作状态的实时监视，控制参量的显示及系统的操作功能。

2、伺服系统设计

三菱mr-j2s伺服系统有位置控制模式、速度控制模式、转矩控制模式三种控制方式，本设计系统采用转矩控制模式。

其中速度、转矩指令在触摸屏上设定，然后传送到plc中，经过plc的计算后通过a1s68dav形成0～10v的模拟信号，传送给伺服系统。伺服系统接受信号后再经过内部单元转换成电机的速度、转矩控制信号，从而控制电机精确运转。在伺服电机运转过程，伺服电机的旋转编码器(pg)将瞬时转速经a1s64ad模块转换成数字信号输入plc中，然后计算出瞬时卷径，再根据计算卷径的大小变化输出转矩，从而实现张力稳定有规律的控制。±8v对应最大转矩，±8v输入时所对应的输出转矩可用在伺服系统no.26#参数改变，例如：no.26=50%,表示当输入电压为±8v时，对应的输出转矩=最大转矩×50%。

由于受系统精度限制，在输入电压低于0.05v时，系统将会无法准确地设定输出转矩。在使用时，可以通过设定输出电压的极性来控制电机的正反转。

伺服转矩模式下，伺服控制器只控制输出转矩，张力属于间接张力控制。一般张力曲线模型有递减、递增、恒定等三种，但实际上无论那一种模型，要完全符合是很困难的，因此根据不同材料、不同厚度等情况选取不同的收卷曲线，这就要求张力曲线是可调的。

由于本系统中张力是由转矩间接控制的，因此实际控制对象就变为控制转矩了。一般认为收卷电机输出实时转矩由下公式表示：

m=mo mj mz

式中：m—实时转矩;mo为空载时的负载转矩mj为系统阻尼转矩;mz为增加的负载惯量转矩。

一般mj，mo均为常数，因此实际上变化的是收卷过程中逐渐增加的负载惯量转矩。因此在转矩算法中必须要使收卷输出转矩随着卷径的增加而自动变化。

(1)卷径的自动计算

设v为线速度(米/分钟)，d为收卷轴直径(mm)，n为收卷轴转速(转/分钟)，nd为伺服电机转速(转/分钟)，i为传动比，有

v=π×d×n=π×d×nd×i

d=v/(π×nd×i)=kv/nd=k×(∫vdt/∫nddt)=k×(线速度/角速度)

由于线速度是恒定的，因此只需求出收卷轴的角速度，就可计算出收卷轴的实时卷径。

(2)转矩的计算

根据m=(mo mj) mz=mo mj，需要补偿的是mz值，因此设定一个递增(递减)系数k，选择设定的曲线函数使m能够随半径的变化而变化。

3、张力控制系统设计

本系统加工对象为布匹，在卷绕过程中必须保证卷绕的松紧程度及材料的拉伸情况。因此我们需要对收卷过程中张力的大小进行控制。张力测量原理如图2所示。

图2张力测量原理

把布匹穿过如图所示的三个平行滚轴，在卷绕时，滚轴受到重力、布匹拉力的作用，其承受的布匹拉力大小为2倍的张力的大小，方向竖直向上，在滚轴的一侧装上角度传感器，就可以把布匹的张力信号转变为电信号。

所得电信号再经过张力变送器作用，把这一信号规一化，最终送入模拟量输入模块，由模拟量输入模块进行A/D转换及数字滤波等处理后就可送PLC运算处理了。

模拟量输入单元操作过程框图如图3所示：

图3模拟量输入单元操作过程框图

由于需要进行数字滤波等处理，故每次程序运行中要进行多次数据采集，以便进行处理。

张力信号经前述的一系列整理后，成为二进制形式的数字量送达PLC的PID运算后，得到控制输出值，以模拟量输出模块实现D/A转换，所得模拟电信号用于驱动磁粉制动器驱动系统，即可实现张力控制了。

磁粉制动器装于放卷机轴上，它在放卷机转动轴上产生的阻力矩大小，取决于加于其驱动系统上的制动电流的大小，制动电流越大，其产生的阻力矩就越大，放卷机就越不易转动，相应布匹上的张力也就增大了，反之亦然。这样，实现了放卷机放卷过程的张力自动控制。

4、收卷直径控制系统设计

收卷过程中，由于收卷材料有一定的厚度，故随着收卷圈数的增加，实际收卷长度会越来越大，致使外圈布匹周长大于内圈布匹，剪切铺平时就出现了明显的浪费，因此，为了避免这一现象，在收卷过程中，每收卷一定的圈数N(其大小随收卷材料的厚度而定)以后，要对收卷直径进行微调。

本控制系统中卷材厚度由LCD触摸屏输入，由公式：

[卷绕微调增量]=卷材厚度*微调频率*10

计算出微调增量，进而根据计算结果每隔一定的时间间隔进行一次微调。

本系统中收卷筒由二十四根平行的圆筒构成，其间由收缩杆控制圆筒的间距，进而控制了收卷时布匹的周长，收缩杆的角度不同，圆筒间距就不同，使用伺服电机控制收缩杆的角度，就可以实现对收卷周长的控制了。

步进电机的功用是将输入的电脉冲信号变换为阶跃性的角位移，亦即给一个脉冲信号，电动机就转动一个角度，它输出的角位移与输入的脉冲数成正比。

本系统中，PLC根据LCD触摸屏的输入的卷材厚度计算出微调频度，同时也计算出微调量，由PLC的伺服电机控制模块驱动伺服电机驱动系统，带动伺服电机按照预定的频度和大小运动，这样就可以精确地实现收卷过程中对收卷直径的微调。

5、结论

在实际应用生产过程中，基于伺服及plc的开环控制系统由于在应用上不需要很准确的精度数学模型，只需按负荷分配、按实际效果设定递增系统的特性，能够应用在多种不同厚度、不同品种的材料收卷上，而且效果很好。触摸屏可通过菜单系统来控制与监控过程，这样，便能通过值的输入或通过触摸已组态的按扭来输入给定值或控制定位元素，能在画面上显示过程、设备及系统。触摸屏除了能将过程变量(例如输出域、棒图、趋势或状态)显示外，还可使事件信息与报警信息可视化。方便操作和提高了界面质量。