基于單片機的放卷機張力控制系統設計

　　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(cháng)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(xiàn)、印刷品、磁帶等輕工業(yè)中，帶材或線(xiàn)材的收放卷張力對產(chǎn)品的質(zhì)量起著(zhù)至關(guān)重要的作用。在收卷和放卷的過(guò)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 張力控制系統的簡(jiǎn)介及基本原理

　　在冶金、造紙、紡織等行業(yè)中，在加工過(guò)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(guò)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，在織物上建立一定的張力，并保持張力為一恒定值，能夠實(shí)現這一功能的系統，就叫做張力控制系統。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(lèi)，張力控制一般可以分為手動(dòng)、半自動(dòng)、全自動(dòng)三類(lèi);卷徑控制方式可自動(dòng)檢測卷徑從而對張力的執行機構進(jìn)行調整、補償，實(shí)現張力的恒定。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)格相對昂貴的張力傳感器，安裝簡(jiǎn)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)的分切及收卷機器設備。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為收卷驅動(dòng)軸半徑;V為卷材運行的線(xiàn)速度。

　　當卷軸轉速恒定時(shí)，張力產(chǎn)生的轉矩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，則只需檢測放卷軸與驅動(dòng)主軸的轉動(dòng)角速度，計算出Rx，通過(guò)控制磁粉制動(dòng)器的制動(dòng)電流，便可以實(shí)現放卷軸的恒張力控制。其中，脈沖信號是通過(guò)安裝于旋轉軸上的接近開(kāi)關(guān)或者是旋轉編碼器獲得(本設計采用接近開(kāi)關(guān))，單片機通過(guò)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(dòng)軸上線(xiàn)速度的相等，因此可以求得：

　　式中：ω1為收卷驅動(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。

　　2 接近開(kāi)關(guān)的應用

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

　　在該設計中，采用電感式接近開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現對系統放卷軸和主軸旋轉角速度的精確測量。兩個(gè)接近開(kāi)關(guān)對放卷軸和收卷驅動(dòng)軸角速度的檢測，用于產(chǎn)生脈沖方波信號，經(jīng)過(guò)光電隔離開(kāi)關(guān)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(dòng)器

　　在張力控制系統中，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用。磁粉制動(dòng)器轉矩和激勵電流的關(guān)系一般都稱(chēng)作為靜特性。它是磁粉制動(dòng)器主動(dòng)端轉速n恒定，從動(dòng)端制動(dòng)時(shí)，磁粉制動(dòng)器的激勵電流和輸出轉矩之間的關(guān)系。轉矩電流特性曲線(xiàn)如圖3所示。

　　由圖3可知，磁粉制動(dòng)器的轉矩曲線(xiàn)可以分為三個(gè)部分：非線(xiàn)性段、線(xiàn)性段和飽和段。磁粉制動(dòng)器具有良好的恒轉矩特性，并且磁粉制動(dòng)器輸出轉矩與磁粉線(xiàn)圈激勵電流優(yōu)良的線(xiàn)性關(guān)系，只要線(xiàn)性調節激勵電流，便能實(shí)現對現場(chǎng)張力的動(dòng)態(tài)控制，并且磁粉制動(dòng)器在轉速很低的情況下性能也十分穩定。磁粉制動(dòng)器在卷取張力控制系統的應用，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具有結構簡(jiǎn)單、執行單元成本低、容易控制的特點(diǎn)，特別是實(shí)際張力的大小通過(guò)電流直接調節，改變了其他調節裝置的手工操作過(guò)程，使得操作簡(jiǎn)單、準確。增加動(dòng)態(tài)電流補償環(huán)節有利于進(jìn)一步提高產(chǎn)品質(zhì)量。

　　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(xiàn)速度、半徑4個(gè)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(guò)上下限，實(shí)現報警。

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

　　(4)建立實(shí)時(shí)時(shí)鐘，并用數碼管顯示時(shí)鐘。

　　(5)通過(guò)按不同的功能鍵，進(jìn)行人機對話(huà)，實(shí)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。

　　4.3 系統軟件設計

　　系統軟件設計主要包含以下幾個(gè)方面：

　　(1)實(shí)現各種初始化，包括AVR芯片的初始化、定時(shí)器/計數器O初始化、時(shí)鐘初值輸入以及開(kāi)中斷、定時(shí)器/計數器啟動(dòng)等。

　　(2)實(shí)現顯示(按照人機對話(huà)功能顯示時(shí)鐘或各種不同參數)。

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

　　主程序系統流程圖如圖6所示。

　　5 結語(yǔ)

　　本文介紹了張力控制系統的基本概念，實(shí)現的基本方式，以及對作為主要執行部件的磁粉制動(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的間接張力控制技術(shù)，進(jìn)行了單片機張力自動(dòng)控制系統的硬件設計和軟件設計。實(shí)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。