基于單片機的卷取機張力控制系統設計

摘 要:張力控制是冶金、造紙、紡織等行業應用最為廣泛的一項技術，它實現的好壞直接關系到產品生產效率的高低和質量的優劣。介紹了張力控制技術的基本原理，設計了一種以磁粉制動器為執行元件，基于AVR單片機的張力控制系統。采用類似PWM脈寬調制控制的方式，保證了系統的良好性能。實踐證明，該系統具有良好的抗干擾性能，能夠較好地完成控制效果，運行穩定可靠。

關鍵詞:單片機; 恒張力控制; 磁粉制動器; 接近開關; 抗干擾

中圖分類號:TP273.5 文獻標識碼:A

文章編號: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保持物體相互拉長或者繃緊的力。張力應用于最廣泛的造紙、纖維、塑料薄膜、電線、印刷品、磁帶等輕工業中，帶材或線材的收放卷張力對產品的質量起著至關重要的作用。在收卷和放卷的過程中，為保證生產的質量及效率，保持恒定的張力是很重要的[1-2] 。

1 張力控制系統的簡介及基本原理

在冶金、造紙、紡織等行業中，在加工過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。在這一過程中，卷繞的好壞將是決定產品質量的關鍵，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，不利于搬運和運輸，因而為了達到使卷繞緊湊，保證產品的質量，都要求在卷繞過程中，在織物上建立一定的張力，并保持張力為一恒定值，能夠實現這一功能的系統，就叫做張力控制系統[3-5]。目前應用的張力控制系統，根據其測量控制的原理結構主要有三種:

間接法張力控制系統;直接法張力控制系統;兼有間接法和直接法的復合張力控制系統。

從控制方式上分類，張力控制一般可以分為手動、半自動、全自動三類;卷徑控制方式可自動檢測卷徑從而對張力的執行機構進行調整、補償，實現張力的恒定[6]。卷徑控制方式屬于半自動控制方式，其突出特點就是省去了價格相對昂貴的張力傳感器，安裝簡單，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、印染等行業的分切及收卷機器設備。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為收卷驅動軸半徑;V為卷材運行的線速度。

當卷軸轉速恒定時，張力產生的轉矩F#8226;Rx與磁粉制動器產生的制動力矩相等。因此如維持F恒定不變，則只需檢測放卷軸與驅動主軸的轉動角速度，計算出Rx，通過控制磁粉制動器的制動電流，便可以實現放卷軸的恒張力控制。其中，脈沖信號是通過安裝于旋轉軸上的接近開關或者是旋轉編碼器獲得(本設計采用接近開關)，單片機通過計數這一脈沖信號的頻率就可以準確的計算出需要檢測軸的角速度，由于兩滾動軸上線速度的相等，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為收卷驅動軸的角速度;ω0為放卷軸的角速度;K為磁粉制動器的特性系數。

2 接近開關的應用

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

圖2 接近開關工作流程圖

在該設計中，采用電感式接近開關來實現對系統放卷軸和主軸旋轉角速度的精確測量。兩個接近開關對放卷軸和收卷驅動軸角速度的檢測，用于產生脈沖方波信號，經過光電隔離開關轉化為單片機可以讀取的電平脈沖信號。

3 張力控制的執行部件磁粉制動器

在張力控制系統中，磁粉制動器由于其體積小、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用。磁粉制動器轉矩和激勵電流的關系一般都稱作為靜特性。它是磁粉制動器主動端轉速n恒定，從動端制動時，磁粉制動器的激勵電流和輸出轉矩之間的關系。轉矩電流特性曲線如圖3所示。

圖3 磁粉制動器的電流轉矩曲線

由圖3可知，磁粉制動器的轉矩曲線可以分為三個部分:非線性段、線性段和飽和段。磁粉制動器具有良好的恒轉矩特性，并且磁粉制動器輸出轉矩與磁粉線圈激勵電流優良的線性關系，只要線性調節激勵電流，便能實現對現場張力的動態控制，并且磁粉制動器在轉速很低的情況下性能也十分穩定[8]。磁粉制動器在卷取張力控制系統的應用，如圖4所示用磁粉制動器控制張力的方案較以往的控制系統具有結構簡單、執行單元成本低、容易控制的特點，特別是實際張力的大小通過電流直接調節，改變了其他調節裝置的手工操作過程，使得操作簡單、準確。增加動態電流補償環節有利于進一步提高產品質量。

圖4 卷取張力控制系統

4 單片機張力控制系統

4.1 系統功能概述

(1) 檢測放卷機的角速度和卷取機的角速度、線速度、半徑4個參數，用數碼管顯示各參數檢測結果。

(2) 若參數檢測結果超過上下限，實現報警。

(3) 根據檢測到的各參數，通過設計的控制算法運算后，輸出控制值，作為晶閘管的觸發脈沖回路的輸入電壓，以控制執行元件磁粉制動器的轉矩。

(4) 建立實時時鐘，并用數碼管顯示時鐘。

(5) 通過按不同的功能鍵，進行人機對話，實現各種操作的功能。

4.2 系統硬件框圖

系統硬件框圖如圖5所示。

圖5 系統硬件框圖

4.3 系統軟件設計[9-10]

系統軟件設計主要包含以下幾個方面:

(1) 實現各種初始化，包括AVR芯片的初始化、定時器/計數器0初始化、時鐘初值輸入以及開中斷、定時器/計數器啟動等。

(2) 實現顯示(按照人機對話功能顯示時鐘或各種不同參數)。

(3) 不斷地進行鍵掃描，判斷是否有鍵按下，如無鍵按下，則返回顯示;如有鍵按下，則根據所按鍵實現相應的人機對話功能。

主程序系統流程圖如圖6所示。

圖6 主程序系統流程圖

5 結 語

本文介紹了張力控制系統的基本概念，實現的基本方式，以及對作為主要執行部件的磁粉制動器的基本原理和工作特性進行研究，隨后采取基于半徑檢測的間接張力控制技術，進行了單片機張力自動控制系統的硬件設計和軟件設計。實踐證明，該系統具有良好的抗干擾性能，能夠較好地完成控制效果，運行穩定可靠。

參考文獻

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