基于單片機(jī)的放卷機(jī)張力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　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 張力控制系統(tǒng)的簡介及基本原理

　　在冶金、造紙、紡織等行業(yè)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(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)。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，張力控制一般可以分為手動(dòng)、半自動(dòng)、全自動(dòng)三類;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。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中，R0為放卷軸半徑;Rx為放卷材料半徑;R1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·Rx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Rx，通過控制磁粉制動(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)是通過安裝于旋轉(zhuǎn)軸上的接近開關(guān)或者是旋轉(zhuǎn)編碼器獲得(本設(shè)計(jì)采用接近開關(guān))，單片機(jī)通過計(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：

　　式中：ω1為收卷驅(qū)動(dòng)軸的角速度;ω0為放卷軸的角速度;K為磁粉制動(dòng)器的特性系數(shù)。

　　2 接近開關(guān)的應(yīng)用

　　接近開關(guān)屬于一種有開關(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。接近開關(guān)的基本原理框圖如圖2所示。

　　在該設(shè)計(jì)中，采用電感式接近開關(guān)來實(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)過光電隔離開關(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。

　　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。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)裝置的手工操作過程，使得操作簡單、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。

　　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。

　　4.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　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O初始化、時(shí)鐘初值輸入以及開中斷、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。

　　5 結(jié)語

　　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。