印刷機張力控制系統設計

基于印刷行業(yè)張力控制原理，分析了張力控制系統組成，并介紹了以STM32為主控芯片及外圍電路開(kāi)發(fā)而成的閉環(huán)張力控制系統，該系統不僅控制精度高，響應速度快，而且操作簡(jiǎn)單，有合理的PID控制功能，適用于多種印刷材料。它還可以計算出材料筒的直徑，使整個(gè)張力控制過(guò)程更為合理。

張力控制系統廣泛應用于印刷等輕工業(yè)領(lǐng)域中，在收取和放卷材料時(shí)，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。在印刷過(guò)程中或者是印刷完成之后，最后的一道工序一般就是將加工物卷繞成筒狀。在這一過(guò)程中，卷繞的好壞將是決定產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵，卷得太緊，容易使材料變形、拉斷，卷得太松又容易使材料不緊湊，不利于搬運和運輸，因而為了達到使卷繞緊湊，保證產(chǎn)品的質(zhì)量，都要求在卷繞過(guò)程中，在材料上建立一定的張力，并保持張力為恒定值。有時(shí)恒定的張力值與材料卷繞的直徑必須保持對應關(guān)系，因為不同材料的柔韌度也各不相同，而當以固定張力卷繞比較柔的材料時(shí)，內層材料就會(huì )被外層壓至變形。為了避免這種情況的發(fā)生，系統需要測量出卷繞材料的直徑，實(shí)時(shí)控制材料受到的張力。

隨著(zhù)印刷行業(yè)逐步結構化與系統化，對材料張力的控制有了越來(lái)越高的要求，由于印刷工藝流程各不相同，張力控制方法也就千差萬(wàn)別。目前應用的張力控制系統，根據其測量控制的原理結構，主要有以下3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。間接張力控制不需要安裝張力傳感器，降低了控制設備成本。然而間接張力控制只能滿(mǎn)足一般的張力控制要求，在實(shí)際應用中達不到令人滿(mǎn)意的精度；直接法張力控制雖然成本較高一些，但可以更為精確地完成控制過(guò)程，而且有極快的響應速度，這里采用的就是直接法張力控制。該系統設計是以STM32RTC6為主控芯片，運行時(shí)鐘頻率高達72 MHz。主控芯片集合了許多高性能外設資源，減少了相應電路的設計麻煩，正常工作電壓為3．3 V，具有很強的功耗控制功能。

1 張力控制系統組成

在印刷行業(yè)中，為了達到生產(chǎn)的要求，經(jīng)常需要對一些帶狀的材料控制它們的張力，張力控制系統是一種由單片機或者一些嵌入式器件及外圍電路開(kāi)發(fā)而成的系統。首先直接設定要求控制的張力值，讓張力傳感器采集的信號(一般為毫伏級別)作為張力反饋值，比較兩者的偏差后，經(jīng)內部智能PID運算處理后，調節執行機構，自動(dòng)控制材料的放卷、中間引導及收卷的張力，達到系統響應最快的目的。在特殊的情況下，用戶(hù)也可以直接設定一定的輸出量給執行機構(經(jīng)常為磁粉的電流量)。圖1為印刷機張力控制系統的基本環(huán)節。

1．1 張力的產(chǎn)生

如圖1所示，先分析左邊材料放卷的情況，假設材料放出放卷軸的張力為T(mén)，其線(xiàn)速度為牽引輥的工作速度v1，放卷筒的線(xiàn)速度為v2，材料的橫截面積為S，設材料的彈性模量為E，從牽引輥到放卷筒的長(cháng)度為L(cháng)，t=L／v1為材料由牽引軸傳送到放卷筒的時(shí)間，根據胡克定律得：

由此可知，若需控制張力，就必須控制牽引輥與放卷筒的速度差，可見(jiàn)張力控制系統實(shí)際上也是線(xiàn)速度跟蹤系統。材料的張力在控制過(guò)程是一個(gè)積分環(huán)節。一般情況下，在設備啟動(dòng)時(shí)卷材的放卷速度是小于牽引軸的工作速度，以使材料中產(chǎn)生張力，當張力達到我們要求合適時(shí)，我們就穩定材料的放卷速度，這樣，材料就可在此張力下穩定運行了。材料的收卷過(guò)程也與此類(lèi)似。我們控制速度的執行機構為磁粉，放卷過(guò)程中，選用磁粉制動(dòng)器，收卷過(guò)程中，則選用磁粉離合器。

1．2 張力的測量
由圖1所示，張力的測量主要是通過(guò)張力傳感器獲得。為了準確測量材料的張力，材料必須以120的包角經(jīng)過(guò)張力傳感器上的滾軸。通過(guò)力的合成計算原理(平行四邊形原則)，張力傳感器上的所受的力則為材料的張力與滾軸的重力之和。我們通過(guò)計算方法去掉滾軸的重力信號，而采集到的張力信號參與后面的控制過(guò)程。

2 實(shí)現方案
2．1 硬件設計方案
市場(chǎng)上張力傳感器，也叫壓力傳感器。根據測量的壓力而反饋電壓的量程范圍，它有兩種型號，分別叫應變式壓力傳感器和差動(dòng)式壓力傳感器。應變式壓力傳感器的電壓量程通常為0～13 mV，而差動(dòng)式壓力傳感器的電壓量程通常為0～150 mV。為了滿(mǎn)足用戶(hù)的不同選擇，信號放大電路中必須要有兩種放大倍數，使系統可以正常的運行。
為了使采得的模擬電壓可以比較精確的放大，放大電路必須有較高的性能。毫伏信號的放大，必須有較高的共模制比、較低的線(xiàn)性誤差、低失調漂移增益等要求。一般的放大器都達不到這種要求，儀表放大器不僅具有以上較高的性能，而且它的閉環(huán)增益是由反相輸入端與輸出端之間連接的外部電阻決定。因此，這里采用了具有差分輸入的單端輸出的閉環(huán)增益儀表放大器件AD620AN。外接的閉環(huán)放大電阻則選精度為1％的兩個(gè)電阻，以實(shí)現兩種不用的放大倍數。然后用跳線(xiàn)帽開(kāi)關(guān)選擇合適的放大倍數。
ST公司的STM32是目前最流行的控制芯片，它使用的是ARM最新及先進(jìn)的Cortex_M3內核；在性能上，它不僅具有杰出的功耗控制功能，而且同時(shí)集成了多種有用外設，如：3個(gè)12位最高的1 MHz的ADC外設、兩個(gè)12位DAC、從256 K至512 K字節的大容量程序存儲器、64 K的SRAM等等；它的最高工作頻率可以達到72 MHz。在程序的設計方面，ST公司提供了一套完善的固件庫，將各個(gè)寄存器操作用函數封裝起來(lái)，操作方式非常規范，程序設計較其他控制芯片也就相對容易。在STM32眾多芯片型號中，STM32F103RCT6是最合適的一款，它不僅包含所有需求的外設，而且價(jià)格低廉。在張力控制過(guò)程中，實(shí)時(shí)采樣放大的模擬電壓量可以用12位高性能ADC轉變成相應的數字量，從角速度檢測器輸入的數字信號通過(guò)光電隔離器耦合接入控制器。角速度檢測器分為兩種，一種叫接近開(kāi)關(guān)，另一種叫編碼開(kāi)關(guān)，在滾軸轉動(dòng)的過(guò)程中，滾軸上的齒使得它們有高低電平的數字量變化，而達到測量的效果。為了方便用戶(hù)操作，這里提供了良好的人機界面。首先，提供了按鍵與編碼器的組合的輸入方法；其次，用液晶顯示實(shí)測張力和設定張力，同時(shí)，數碼管還可以顯示當前的輸出百分比。
在張力控制過(guò)程中，控制張力執行單元為磁粉，磁粉分為兩種：一種叫磁粉離合器，另一種叫磁粉制動(dòng)器，它們分別是用在卷材收卷和放卷的過(guò)程。磁粉通過(guò)萬(wàn)向聯(lián)軸器與收卷筒和放卷筒相連，磁粉里填入的是微細鐵磁粉末。在額定扭矩下，磁粉的特性公式Ma=K*If(K為常數，If為接入的激磁電流)，由此可知，磁粉的扭矩與接入的激磁電流成線(xiàn)性關(guān)系。磁粉離合器有主動(dòng)端和從動(dòng)端，在沒(méi)有激磁電流的情況下，從動(dòng)端不隨主動(dòng)端轉動(dòng)，在通有一定的激磁電流時(shí)，里面的磁粉磁化，將主動(dòng)端的扭矩按照一定的比率耦合到從動(dòng)端。磁粉離合器只有一個(gè)輸出軸，當沒(méi)有接入激磁電流時(shí)，磁粉沒(méi)有磁化，輸出軸的扭矩很大，而接入了激磁電流后，磁粉離合器的輸出軸就會(huì )有線(xiàn)性的扭矩輸出。
市場(chǎng)上經(jīng)常用到的磁粉供電電壓在24 V左右，滿(mǎn)載電流可達4 A到6 A。這給恒流輸出電路提高了難度。STM32控制輸出的PWM波通過(guò)恒流模塊的放大供給磁粉工作。這里就必須用到耐壓36 V以上的場(chǎng)效應管，控制器輸出的PWM波也必須經(jīng)過(guò)一定的電壓和電流的放大才有能力控制場(chǎng)效應管的開(kāi)斷。