基于嵌入式微处理器的张力控制器

1           张力控制

包装机械如分切机、印刷机、复合机等在收卷和放卷过程中，卷材张力随卷材卷筒直径变化而变化。张力的大小在实际应用中还受其他因素影响，比如导辊的包角，静平衡等因素。张力太小，卷材易松弛产生横向飘移；张力太大则又会导致卷材表面起皱甚至断裂。因而在收、放卷过程中，保证生产的质量及效率，恒定的张力是很重要的[1][2]。

通常放卷轴采用被动方式,由下道工序的牵引辊将卷材从卷筒上拉出。为保持恒张力放卷,放卷筒常用磁粉制动器作为张力控制的执行元件[3]。磁粉制动器是利用电磁效应下的磁粉来传递转矩的,具有激磁电流和传递转矩成线性关系[4]。

卷材张力测量也有多种形式，图1是两种常用的张力测量方法。图1(a) 是利用称重传感器进行张力测量，为称重测量法。一般在受力辊的两端设有两个称重传感器。图1(b)中为角位移测量法，通常利用电感式角位移传感器间接进行张力的测量。一般在受力辊的一侧装有电感角位移传感器。采用称重法，传感器多为应变片桥路信号输出，后续电路要复杂一些；采用角位移测量法，传感器信号常采用标准信号如DC4-20mA恒流或DC0-10V/0-5V输出，后续电路较为简单。

传感器将检测到的卷材张力信号送入张力控制器,经放大、A/D变换后，将信号送入微处理器进行处理,微处理器根据设定值和检测值作比较运算后，输出恒流控制信号给磁粉制动器,控制磁粉制动器力矩的改变，进而控制收放卷轴之间的卷材张力保持恒定, 形成闭环的张力控制系统.

2           控制器硬件设计

   根据张力控制原理可知，若采用称重法则需二路传感器信号输入和一路恒流控制信号输出。控制系统既需要A/D转换器, 也需要D/A转换器。为简化线路，降低成本，控制器选用了具有A/D和D/A转换器的嵌入式混合信号微处理芯片C8051F350，避免采用片外A/D和D/A转换器。

C8051F350MPU内部含有一个全差分24位Sigma-Delta A/D, 具有在片校准和抽取滤波器及内部电压基准和8种增益设置等多项功能。而D/A则可利用C8051F350的可编程计数阵列(PCA)的脉宽调制(PWM)功能, 16位转换精度，且便于光电隔离。

图2 应变片桥路传感器接口电路

Fig.2 strain gauge sensor interface circuit

2.1 传感器信号接口电路

    若传感器输为标准信号形式，即为DC4-20mA, 或电压信号DC0-10V/0-5V. 接口电路形式较为简单。在此主要对采用称重法的应变片传感器电路进行说明。

应变片组成的桥路，有恒压供电和恒流供电两种形式。设计采用恒流供电形式，如图2所示，恒流电路采用OP07运算放大器完成。运算放大器同相端接2V稳压管，这样，加在运算放大器H0U0反相端电阻H0R2（69Ω）上的电压也为2V, 因此，流过电阻H0R2上的电流，不因负载变化而变化，从而形成恒流供电。在收放卷过程中，因张力变化引起桥路不平衡将有电压信号输出。输出的电压信号经仪表放大器AD623放大后，传送至MPU的A/D转换器。图2中H0W1为增益调整电位器，H0W0为零点电平调整电位器。

2.2    磁粉制动器恒流控制电路

    磁粉制动器的转矩与激磁电流的大小基本成线性关系,改变激磁电流可以调节转矩大小。因此对磁粉制动器的控制主要是根据张力大小输出相应的恒定电流。系统利用C8051F350可编程计数阵列（PCA）的脉宽调制（PWM）功能作为D/A信号输出。如图3所示, MPU将PWM信号送至7U1光藕隔离输出，信号经非门传递至由7R3和7C1组成的滤波电路，将PWM信号变为0-2V的直流信号, 送至运算放大器7U3A的同相端。由放大器性质可知，取样电阻7R4上所加的电压为控制直流信号电压0-2V, 从而形成恒流加在磁粉制动器上。若取样电阻7R4为1Ω，则最大可控电流范围为0-2A(为避免过热，取样电

图3 磁粉制动器恒流控制电路

Fig. 3 Magnetic powder brake constant current control circuit
 
  磁粉制动器
 

阻的选择应考虑其散热功率).

2.3    张力控制器电路原理

   张力控制器除了两路传感器信号输入电路和磁粉制动器恒流控制输出电路外，还采用三线串行接口DM12864M 图形点阵液晶屏进行控制参数、设置参数及出错报警信息的显示。显示内容包括：设定张力值、实测张力值、磁粉制动器控制电流大小及张力控制器运行状态（手动、自动及参数设置状态）等内容。设置参数包括：控制比例大小、积分大小、控制周期和相位等内容。并通过5个按键进行参数设置和其它运行操作等。其电路原理如图4所示。

图4 张力控制器电路原理

3           软件设计

    张力控制器的软件应能完成对各功能模块的控制，实现参数标定、设置，张力测量，恒流信号输出等功能。软件完成初始化设置后，进行张力信号的数据采集与处理、恒流控制输出和张力值显示等内容。

    算法上为防止偏差较大时造成PID运算的积分积累，避免控制量超过磁粉制动器的最大动作范围，采用积分分离式的PID控制。即当控制量与设定值的偏差较大时，取消积分作用。当控制量接近设定值时，加人积分作用，以便消除静差，提高控制精度。在实际运行中，根据实际需要还可以取消微分的调节作用。

    程序采用Keil C51进行编写。图5为其程序流程图。

 5 张力控制器程序流程图

Fig. 5 Tension controller program flow diagram
 

4结束语

    利用C8051F350的全差分24位Sigma-Delta 模/数转换器及抽取滤波器，有效地抑制各种干扰因素的影响，可以稳定地进行张力信号采集与磁粉制动器的恒流控制输出。该张力控制器为某塑料厂复合机张力控制系统改造而开发. 经试验和实践运行证明，系统结构简单、设计合理，达到了所要求的张力控制。