前言

在實際生產中如果以中心收卷方式來收卷的話，收卷軸的直徑是不斷變化的。不斷變化的收卷直徑引起角速度的變化，從而引起材料上張力也隨之出現(xiàn)的波動：張力過小，材料收卷時會松弛起皺、橫向走偏;張力過大則導致材料拉伸過度，在縱向上會出觀張力紋，甚至出現(xiàn)縱向隆起。

在收卷的過程中為保證生產效率和收卷的質量，張力控制系統(tǒng)就顯得尤為關鍵。張力控制模式一般有開環(huán)、閉環(huán)控制兩種模式，其中開環(huán)控制模式沒有張力檢測和反饋環(huán)節(jié)。設計、結構上相對簡單但控制精度和穩(wěn)定性較差。閉環(huán)控制模式一般有卷徑檢測裝置和張力反饋環(huán)節(jié)，控制的隨機性很強，具有較高的控制精度和響應速度，但系統(tǒng)的控制設計比較復雜而且元器件較多，在小型設備上的應用受到一定的限制。

張力控制是生產過程中極其重要的一環(huán)，良好的張力控制能夠確保產品質量，提高生產效率。本文主要介紹了張力控制變頻收卷的控制原理。此技術能夠保證收卷的整個過程很穩(wěn)定,避免小卷時張力過大；大卷啟動時張力過小的現(xiàn)象。收卷中張力的控制就現(xiàn)在來說還是個難題，文章中基于建立的數(shù)學模型，介紹了變頻收卷的原理,按照一定的控制策略進行數(shù)據(jù)處理，實時調整控制信號。通過PLC進行卷徑的計算，改變變頻器的輸出頻率，對電機進行控制。對收卷而言，隨著卷徑的逐漸增大，轉矩的值也隨之增大，變頻器輸出的速度將隨之減少，符合收卷的基本原理，同時張力也在控制之中。系統(tǒng)實現(xiàn)了收卷張力的工藝定量化，完成了轉矩和速度的自動跟蹤轉變。

1控制系統(tǒng)工作原理及組成

本文采用基于伺服系統(tǒng)及plc系統(tǒng)的開環(huán)張力控制系統(tǒng)，應用在0.1mm級材料的收卷上，而且收卷質量等同于閉環(huán)控制的質量。本設計選用伺服控制系統(tǒng)是基于它的轉矩控制模式在收卷方面具有控制簡單、精度高的特點。在轉矩模式下，不需要對收卷的速度進行控制，只需給出一個速度限制值即可使收卷軸的角速度根據(jù)轉矩的大小而自動浮動，并實現(xiàn)恒線速度收卷。同時伺服控制器的內部轉矩檢測功能可以精確的檢測輸出電流，從而實現(xiàn)轉矩的高精度控制。系統(tǒng)的轉矩、速度指令及收卷的半徑等參數(shù)通過plc系統(tǒng)內部計算得出，使系統(tǒng)得到進一步的簡化。

該系統(tǒng)以PLC作為控制器，它主要包括：主機、開關量輸入/輸出模塊，模擬量輸入/輸出模塊，步進/伺服電機控制模塊和LCD彩色液晶觸摸顯示屏等部件，如圖1所示為控制系統(tǒng)的硬件組成圖。

圖1控制系統(tǒng)的硬件組成圖

開關量（包括高速計數(shù)）輸入/輸出模塊：主要實現(xiàn)操作按鈕的輸入，收縮桿的零位檢測，光電編碼器的計數(shù)及開關量的控制和狀態(tài)指示等功能。

模擬量輸入模塊：用于張力的檢測，收卷過程中，由傳感器將張力的壓力信號轉變?yōu)殡娦盘柦洀埩ψ兯推魉腿隤LC模擬量輸入模塊，用于張力的控制和顯示。

模擬量輸出模塊：通過張力的檢測和給定張力經過PLC的PID運算產生當前控制量，經模擬量輸出模塊實現(xiàn)對磁粉制動器的勵磁電流控制，保證張力的恒定；對變頻器的調速控制，實現(xiàn)收卷過程的轉速控制，自動降速及定位等控制功能。

步進電機控制模塊：用于對步進電機的控制。根據(jù)設置的收卷直徑通過步進電機調節(jié)偏轉桿的位置。根據(jù)卷材厚度給定由步進電機控制收卷過程中每次收卷直徑的微調量。

液晶觸摸顯示屏：作為人機操作界面，主要實現(xiàn)系統(tǒng)控制參數(shù)輸入，系統(tǒng)工作過程，工作狀態(tài)的實時監(jiān)視，控制參量的顯示及系統(tǒng)的操作功能。

2伺服系統(tǒng)設計

三菱mr-j2s伺服系統(tǒng)有位置控制模式、速度控制模式、轉矩控制模式三種控制方式，本設計系統(tǒng)采用轉矩控制模式。

其中速度、轉矩指令在觸摸屏上設定，然后傳送到plc中，經過plc的計算后通過a1s68dav形成0～10v的模擬信號，傳送給伺服系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)接受信號后再經過內部單元轉換成電機的速度、轉矩控制信號，從而控制電機精確運轉。在伺服電機運轉過程，伺服電機的旋轉編碼器(pg)將瞬時轉速經a1s64ad模塊轉換成數(shù)字信號輸入plc中，然后計算出瞬時卷徑，再根據(jù)計算卷徑的大小變化輸出轉矩，從而實現(xiàn)張力穩(wěn)定有規(guī)律的控制。±8v對應最大轉矩，±8v輸入時所對應的輸出轉矩可用在伺服系統(tǒng)no.26#參數(shù)改變，例如：no.26=50%,表示當輸入電壓為±8v時，對應的輸出轉矩=最大轉矩×50%。

由于受系統(tǒng)精度限制，在輸入電壓低于0.05v時，系統(tǒng)將會無法準確地設定輸出轉矩。在使用時，可以通過設定輸出電壓的極性來控制電機的正反轉。

伺服轉矩模式下，伺服控制器只控制輸出轉矩，張力屬于間接張力控制。一般張力曲線模型有遞減、遞增、恒定等三種，但實際上無論那一種模型，要完全符合是很困難的，因此根據(jù)不同材料、不同厚度等情況選取不同的收卷曲線，這就要求張力曲線是可調的。

由于本系統(tǒng)中張力是由轉矩間接控制的，因此實際控制對象就變?yōu)榭刂妻D矩了。一般認為收卷電機輸出實時轉矩由下公式表示：

m=mo+mj+mz

式中：m—實時轉矩;mo為空載時的負載轉矩mj為系統(tǒng)阻尼轉矩;mz為增加的負載慣量轉矩。

一般mj，mo均為常數(shù)，因此實際上變化的是收卷過程中逐漸增加的負載慣量轉矩。因此在轉矩算法中必須要使收卷輸出轉矩隨著卷徑的增加而自動變化。

(1)卷徑的自動計算

設v為線速度(米/分鐘)，d為收卷軸直徑(mm)，n為收卷軸轉速(轉/分鐘)，nd為伺服電機轉速(轉/分鐘)，i為傳動比，有

v=π×d×n=π×d×nd×i

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

由于線速度是恒定的，因此只需求出收卷軸的角速度，就可計算出收卷軸的實時卷徑。

(2)轉矩的計算

根據(jù)m=(mo+mj)+mz=mo+mj，需要補償?shù)氖莔z值，因此設定一個遞增(遞減)系數(shù)k，選擇設定的曲線函數(shù)使m能夠隨半徑的變化而變化。

3張力控制系統(tǒng)設計

本系統(tǒng)加工對象為布匹，在卷繞過程中必須保證卷繞的松緊程度及材料的拉伸情況。因此我們需要對收卷過程中張力的大小進行控制。張力測量原理如圖2所示。

圖2張力測量原理

把布匹穿過如圖所示的三個平行滾軸，在卷繞時，滾軸受到重力、布匹拉力的作用，其承受的布匹拉力大小為2倍的張力的大小，方向豎直向上，在滾軸的一側裝上角度傳感器，就可以把布匹的張力信號轉變?yōu)殡娦盘枴?/p>

所得電信號再經過張力變送器作用，把這一信號規(guī)一化，最終送入模擬量輸入模塊，由模擬量輸入模塊進行A/D轉換及數(shù)字濾波等處理后就可送PLC運算處理了。

模擬量輸入單元操作過程框圖如圖3所示：

圖3模擬量輸入單元操作過程框圖

由于需要進行數(shù)字濾波等處理，故每次程序運行中要進行多次數(shù)據(jù)采集，以便進行處理。

張力信號經前述的一系列整理后，成為二進制形式的數(shù)字量送達PLC的PID運算后，得到控制輸出值，以模擬量輸出模塊實現(xiàn)D/A轉換，所得模擬電信號用于驅動磁粉制動器驅動系統(tǒng)，即可實現(xiàn)張力控制了。

磁粉制動器裝于放卷機軸上，它在放卷機轉動軸上產生的阻力矩大小，取決于加于其驅動系統(tǒng)上的制動電流的大小，制動電流越大，其產生的阻力矩就越大，放卷機就越不易轉動，相應布匹上的張力也就增大了，反之亦然。這樣，實現(xiàn)了放卷機放卷過程的張力自動控制。

4收卷直徑控制系統(tǒng)設計

收卷過程中，由于收卷材料有一定的厚度，故隨著收卷圈數(shù)的增加，實際收卷長度會越來越大，致使外圈布匹周長大于內圈布匹，剪切鋪平時就出現(xiàn)了明顯的浪費，因此，為了避免這一現(xiàn)象，在收卷過程中，每收卷一定的圈數(shù)N（其大小隨收卷材料的厚度而定）以后，要對收卷直徑進行微調。

本控制系統(tǒng)中卷材厚度由LCD觸摸屏輸入，由公式：

[卷繞微調增量]=卷材厚度*微調頻率*10

計算出微調增量，進而根據(jù)計算結果每隔一定的時間間隔進行一次微調。

本系統(tǒng)中收卷筒由二十四根平行的圓筒構成，其間由收縮桿控制圓筒的間距，進而控制了收卷時布匹的周長，收縮桿的角度不同，圓筒間距就不同，使用伺服電機控制收縮桿的角度，就可以實現(xiàn)對收卷周長的控制了。

步進電機的功用是將輸入的電脈沖信號變換為階躍性的角位移，亦即給一個脈沖信號，電動機就轉動一個角度，它輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比。

本系統(tǒng)中，PLC根據(jù)LCD觸摸屏的輸入的卷材厚度計算出微調頻度，同時也計算出微調量，由PLC的伺服電機控制模塊驅動伺服電機驅動系統(tǒng)，帶動伺服電機按照預定的頻度和大小運動，這樣就可以精確地實現(xiàn)收卷過程中對收卷直徑的微調。

5結論

在實際應用生產過程中，基于伺服及plc的開環(huán)控制系統(tǒng)由于在應用上不需要很準確的精度數(shù)學模型，只需按負荷分配、按實際效果設定遞增系統(tǒng)的特性，能夠應用在多種不同厚度、不同品種的材料收卷上，而且效果很好。觸摸屏可通過菜單系統(tǒng)來控制與監(jiān)控過程，這樣，便能通過值的輸入或通過觸摸已組態(tài)的按扭來輸入給定值或控制定位元素，能在畫面上顯示過程、設備及系統(tǒng)。觸摸屏除了能將過程變量（例如輸出域、棒圖、趨勢或狀態(tài)）顯示外，還可使事件信息與報警信息可視化。方便操作和提高了界面質量。