基于伺服控制器的收卷机张力控制系统设计
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前言 在实际生产中如果以中心收卷方式来收卷的话，收卷轴的直径是不断变化的。不断变化的收卷直径引起角速度的变化，从而引起材料上张力也随之出现的波动：张力过小，材料收卷时会松弛起皱、横向走偏;张力过大则导致材料拉伸过度，在纵向上会出观张力纹，甚至出现纵向隆起。 在收卷的过程中为保证生产效率和收卷的质量，张力控制系统就显得尤为关键。张力控制模式一般有开环、闭环控制两种模式，其中开环控制模式没有张力检测和反馈环节。设计、结构上相对简单但控制精度和稳定性较差。闭环控制模式一般有卷径检测装置和张力反馈环节，控制的随机性很强，具有较高的控制精度和响应速度，但系统的控制设计比较复杂而且元器件较多，在小型设备上的应用受到一定的限制。 张力控制是生产过程中极其重要的一环，良好的张力控制能够确保产品质量，提高生产效率。本文主要介绍了张力控制变频收卷的控制原理。此技术能够保证收卷的整个过程很稳定,避免小卷时张力过大;大卷启动时张力过小的现象。收卷中张力的控制就现在来说还是个难题，文章中基于建立的数学模型，介绍了变频收卷的原理,按照一定的控制策略进行数据处理，实时调整控制信号。通过PLC进行卷径的计算，改变变频器的输出频率，对电机进行控制。对收卷而言，随着卷径的逐渐增大，转矩的值也随之增大，变频器输出的速度将随之减少，符合收卷的基本原理，同时张力也在控制之中。系统实现了收卷张力的工艺定量化，完成了转矩和速度的自动跟踪转变。 1、控制系统工作原理及组成 本文采用基于伺服系统及plc系统的开环张力控制系统，应用在0.1mm级材料的收卷上，而且收卷质量等同于闭环控制的质量。本设计选用伺服控制系统是基于它的转矩控制模式在收卷方面具有控制简单、精度高的特点。在转矩模式下，不需要对收卷的速度进行控制，只需给出一个速度限制值即可使收卷轴的角速度根据转矩的大小而自动浮动，并实现恒线速度收卷。同时伺服控制器的内部转矩检测功能可以精确的检测输出电流，从而实现转矩的高精度控制。系统的转矩、速度指令及收卷的半径等参数通过plc系统内部计算得出，使系统得到进一步的简化。 该系统以PLC作为控制器，它主要包括：主机、开关量输入/输出模块，模拟量输入/输出模块，步进/伺服电机控制模块和LCD彩色液晶触摸显示屏等部件，如图1所示为控制系统的硬件组成图。
图1控制系统的硬件组成图 开关量(包括高速计数)输入/输出模块：主要实现操作按钮的输入，收缩杆的零位检测，光电编码器的计数及开关量的控制和状态指示等功能。 模拟量输入模块：用于张力的检测，收卷过程中，由传感器将张力的压力信号转变为电信号经张力变送器送入PLC模拟量输入模块，用于张力的控制和显示。 模拟量输出模块：通过张力的检测和给定张力经过PLC的PID运算产生当前控制量，经模拟量输出模块实现对磁粉制动器的励磁电流控制，保证张力的恒定;对变频器的调速控制，实现收卷过程的转速控制，自动降速及定位等控制功能。 步进电机控制模块：用于对步进电机的控制。根据设置的收卷直径通过步进电机调节偏转杆的位置。根据卷材厚度给定由步进电机控制收卷过程中每次收卷直径的微调量。 液晶触摸显示屏：作为人机操作界面，主要实现系统控制参数输入，系统工作过程，工作状态的实时监视，控制参量的显示及系统的操作功能。 2、伺服系统设计 三菱mr-j2s伺服系统有位置控制模式、速度控制模式、转矩控制模式三种控制方式，本设计系统采用转矩控制模式。 其中速度、转矩指令在触摸屏上设定，然后传送到plc中，经过plc的计算后通过a1s68dav形成0～10v的模拟信号，传送给伺服系统。伺服系统接受信号后再经过内部单元转换成电机的速度、转矩控制信号，从而控制电机精确运转。在伺服电机运转过程，伺服电机的旋转编码器(pg)将瞬时转速经a1s64ad模块转换成数字信号输入plc中，然后计算出瞬时卷径，再根据计算卷径的大小变化输出转矩，从而实现张力稳定有规律的控制。±8v对应最大转矩，±8v输入时所对应的输出转矩可用在伺服系统no.26#参数改变，例如：no.26=50%,表示当输入电压为±8v时，对应的输出转矩=最大转矩×50%。 由于受系统精度限制，在输入电压低于0.05v时，系统将会无法准确地设定输出转矩。在使用时，可以通过设定输出电压的极性来控制电机的正反转。 伺服转矩模式下，伺服控制器只控制输出转矩，张力属于间接张力控制。一般张力曲线模型有递减、递增、恒定等三种，但实际上无论那一种模型，要完全符合是很困难的，因此根据不同材料、不同厚度等情况选取不同的收卷曲线，这就要求张力曲线是可调的。 由于本系统中张力是由转矩间接控制的，因此实际控制对象就变为控制转矩了。一般认为收卷电机输出实时转矩由下公式表示： m=mo mj mz 式中：m—实时转矩;mo为空载时的负载转矩mj为系统阻尼转矩;mz为增加的负载惯量转矩。 一般mj，mo均为常数，因此实际上变化的是收卷过程中逐渐增加的负载惯量转矩。因此在转矩算法中必须要使收卷输出转矩随着卷径的增加而自动变化。 (1)卷径的自动计算 设v为线速度(米/分钟)，d为收卷轴直径(mm)，n为收卷轴转速(转/分钟)，nd为伺服电机转速(转/分钟)，i为传动比，有 v=π×d×n=π×d×nd×i |
