基于单片机的卷取机张力控制系统设计(1).pdf

1、基 于 单 片 机 的 卷 取 机 张 力 控 制 系 统 设 计徐 凯 1 ,2(1 宝 钢 集 团 有 限 公 司 , 上 海 200122 ; 2. 西 安 建 筑 科 技 大 学 , 陕 西 西 安 710055)摘 要 :张 力 控 制 是 冶 金 、 造 纸 、 纺 织 等 行 业 应 用 最 为 广 泛 的 一 项 技 术 ,它 实 现 的 好 坏 直 接 关 系 到 产 品 生 产 效 率 的 高 低和 质 量 的 优 劣 。 介 绍 了 张 力 控 制 技 术 的 基 本 原 理 ,设 计 了 一 种 以 磁 粉 制 动 器 为 执 行 元 件 ,基 于 AVR 单 片 机

2、的 张 力 控 制 系统 。 采 用 类 似 PWM 脉 宽 调 制 控 制 的 方 式 ,保 证 了 系 统 的 良 好 性 能 。 实 践 证 明 ,该 系 统 具 有 良 好 的 抗 干 扰 性 能 ,能 够 较 好 地完 成 控 制 效 果 ,运 行 稳 定 可 靠 。关 键 词 :单 片 机 ; 恒 张 力 控 制 ; 磁 粉 制 动 器 ; 接 近 开 关 ; 抗 干 扰中 图 分 类 号 : TP273. 5 文 献 标 识 码 :A 文 章 编 号 :10042373X(2010) 1320162203Design of SCM2based Tension Control Sy

3、stem in CoilerXU Kai1 ,2(1. Bao Steel Group CO. Ltd. , Shanghai 200122 , China ; 2. Xi an University of Architecture constant tension control ; magnetic powder brake ; proximity switch ; anti2jamming收 稿 日 期 :2010201228张 力 控 制 ,通 俗 地 讲 ,就 是 要 控 制 卷 取 物 体 时 保 持物 体 相 互 拉 长 或 者 绷 紧 的 力 。 张 力 应 用 于 最 广 泛

4、 的 造纸 、 纤 维 、 塑 料 薄 膜 、 电 线 、 印 刷 品 、 磁 带 等 轻 工 业 中 ,带材 或 线 材 的 收 放 卷 张 力 对 产 品 的 质 量 起 着 至 关 重 要 的作 用 。 在 收 卷 和 放 卷 的 过 程 中 ,为 保 证 生 产 的 质 量 及 效率 ,保 持 恒 定 的 张 力 是 很 重 要 的 122 。1 张 力 控 制 系 统 的 简 介 及 基 本 原 理在 冶 金 、 造 纸 、 纺 织 等 行 业 中 ,在 加 工 过 程 中 或 者 是加 工 完 成 之 后 ,最 后 的 一 道 工 序 一 般 就 是 将 加 工 物 卷 绕成 筒

5、状 。 在 这 一 过 程 中 ,卷 绕 的 好 坏 将 是 决 定 产 品 质 量的 关 键 ,卷 的 太 紧 ,容 易 使 织 物 变 形 ,拉 断 ,卷 的 太 松 又容 易 使 卷 取 不 紧 凑 ,不 利 于 搬 运 和 运 输 ,因 而 为 了 达 到使 卷 绕 紧 凑 ,保 证 产 品 的 质 量 ,都 要 求 在 卷 绕 过 程 中 ,在织 物 上 建 立 一 定 的 张 力 ,并 保 持 张 力 为 一 恒 定 值 ,能 够实 现 这 一 功 能 的 系 统 ,就 叫 做 张 力 控 制 系 统 325 。 目 前应 用 的 张 力 控 制 系 统 ,根 据 其 测 量 控

6、制 的 原 理 结 构 主 要有 三 种 :间 接 法 张 力 控 制 系 统 ;直 接 法 张 力 控 制 系 统 ;兼有 间 接 法 和 直 接 法 的 复 合 张 力 控 制 系 统 。从 控 制 方 式 上 分 类 ,张 力 控 制 一 般 可 以 分 为 手 动 、半 自 动 、 全 自 动 三 类 ;卷 径 控 制 方 式 可 自 动 检 测 卷 径 从而 对 张 力 的 执 行 机 构 进 行 调 整 、 补 偿 ,实 现 张 力 的 恒定 6 。 卷 径 控 制 方 式 属 于 半 自 动 控 制 方 式 ,其 突 出 特 点就 是 省 去 了 价 格 相 对 昂 贵 的 张

7、力 传 感 器 ,安 装 简 单 ,而且 能 很 方 便 的 获 得 锥 度 张 力 控 制 ,特 别 适 用 于 冶 金 、 印刷 、 包 装 、 造 纸 、 印 染 等 行 业 的 分 切 及 收 卷 机 器 设 备 。图 1为 收 放 卷 的 原 理 图 。图 1 收 卷 和 放 卷 的 原 理 图图 1 中 , R0 为 放 卷 轴 半 径 ; Rx 为 放 卷 材 料 半 径 ; R1为 收 卷 驱 动 轴 半 径 ;V 为 卷 材 运 行 的 线 速 度 。当 卷 轴 转 速 恒 定 时 ,张 力 产 生 的 转 矩 F Rx 与 磁粉 制 动 器 产 生 的 制 动 力 矩 相

8、等 。 因 此 如 维 持 F 恒 定 不变 ,则 只 需 检 测 放 卷 轴 与 驱 动 主 轴 的 转 动 角 速 度 ,计 算出 Rx ,通 过 控 制 磁 粉 制 动 器 的 制 动 电 流 ,便 可 以 实 现 放卷 轴 的 恒 张 力 控 制 。 其 中 ,脉 冲 信 号 是 通 过 安 装 于 旋 转轴 上 的 接 近 开 关 或 者 是 旋 转 编 码 器 获 得 (本 设 计 采 用 接261工 控 技 术 徐 凯 :基 于 单 片 机 的 卷 取 机 张 力 控 制 系 统 设 计近 开 关 ) ,单 片 机 通 过 计 数 这 一 脉 冲 信 号 的 频 率 就 可 以准

9、 确 的 计 算 出 需 要 检 测 轴 的 角 速 度 ,由 于 两 滚 动 轴 上 线速 度 的 相 等 ,因 此 可 以 求 得 :Rx = ( R1 3 ) / 0 (1)I = ( Rx F) / K (2)式 中 : 1 为 收 卷 驱 动 轴 的 角 速 度 ; 0 为 放 卷 轴 的 角 速度 ; K 为 磁 粉 制 动 器 的 特 性 系 数 。2 接 近 开 关 的 应 用接 近 开 关 属 于 一 种 有 开 关 量 输 出 的 位 置 传 感 器 ,根据 工 作 原 理 的 不 同 分 为 电 容 式 和 电 感 式 7 。 接 近 开 关的 基 本 原 理 框 图 如

10、 图 2 所 示 。图 2 接 近 开 关 工 作 流 程 图在 该 设 计 中 ,采 用 电 感 式 接 近 开 关 来 实 现 对 系 统 放卷 轴 和 主 轴 旋 转 角 速 度 的 精 确 测 量 。 两 个 接 近 开 关 对放 卷 轴 和 收 卷 驱 动 轴 角 速 度 的 检 测 ,用 于 产 生 脉 冲 方 波信 号 ,经 过 光 电 隔 离 开 关 转 化 为 单 片 机 可 以 读 取 的 电 平脉 冲 信 号 。3 张 力 控 制 的 执 行 部 件 磁 粉 制 动 器在 张 力 控 制 系 统 中 ,磁 粉 制 动 器 由 于 其 体 积 小 、 重量 轻 、 激 磁

11、功 率 小 且 具 有 良 好 的 控 制 特 性 ,因 而 得 到 了广 泛 的 应 用 。 磁 粉 制 动 器 转 矩 和 激 励 电 流 的 关 系 一 般都 称 作 为 静 特 性 。 它 是 磁 粉 制 动 器 主 动 端 转 速 n 恒 定 ,从 动 端 制 动 时 ,磁 粉 制 动 器 的 激 励 电 流 和 输 出 转 矩 之 间的 关 系 。 转 矩 电 流 特 性 曲 线 如 图 3 所 示 。图 3 磁 粉 制 动 器 的 电 流 转 矩 曲 线由 图 3 可 知 ,磁 粉 制 动 器 的 转 矩 曲 线 可 以 分 为 三 个部 分 :非 线 性 段 、 线 性 段 和

12、 饱 和 段 。 磁 粉 制 动 器 具 有 良好 的 恒 转 矩 特 性 ,并 且 磁 粉 制 动 器 输 出 转 矩 与 磁 粉 线 圈激 励 电 流 优 良 的 线 性 关 系 ,只 要 线 性 调 节 激 励 电 流 ,便能 实 现 对 现 场 张 力 的 动 态 控 制 ,并 且 磁 粉 制 动 器 在 转 速很 低 的 情 况 下 性 能 也 十 分 稳 定 8 。 磁 粉 制 动 器 在 卷 取张 力 控 制 系 统 的 应 用 ,如 图 4 所 示 用 磁 粉 制 动 器 控 制 张力 的 方 案 较 以 往 的 控 制 系 统 具 有 结 构 简 单 、 执 行 单 元 成本

13、 低 、 容 易 控 制 的 特 点 ,特 别 是 实 际 张 力 的 大 小 通 过 电流 直 接 调 节 ,改 变 了 其 他 调 节 装 置 的 手 工 操 作 过 程 ,使得 操 作 简 单 、 准 确 。 增 加 动 态 电 流 补 偿 环 节 有 利 于进 一 步 提 高 产 品 质 量 。图 4 卷 取 张 力 控 制 系 统4 单 片 机 张 力 控 制 系 统4. 1 系 统 功 能 概 述(1) 检 测 放 卷 机 的 角 速 度 和 卷 取 机 的 角 速 度 、 线 速度 、 半 径 4 个 参 数 ,用 数 码 管 显 示 各 参 数 检 测 结 果 。(2) 若 参

14、 数 检 测 结 果 超 过 上 下 限 ,实 现 报 警 。(3) 根 据 检 测 到 的 各 参 数 ,通 过 设 计 的 控 制 算 法 运算 后 ,输 出 控 制 值 ,作 为 晶 闸 管 的 触 发 脉 冲 回 路 的 输 入电 压 ,以 控 制 执 行 元 件 磁 粉 制 动 器 的 转 矩 。(4) 建 立 实 时 时 钟 ,并 用 数 码 管 显 示 时 钟 。(5) 通 过 按 不 同 的 功 能 键 ,进 行 人 机 对 话 ,实 现 各种 操 作 的 功 能 。4. 2 系 统 硬 件 框 图系 统 硬 件 框 图 如 图 5 所 示 。图 5 系 统 硬 件 框 图4.

15、 3 系 统 软 件 设 计 9210 系 统 软 件 设 计 主 要 包 含 以 下 几 个 方 面 :(1) 实 现 各 种 初 始 化 ,包 括 AV R 芯 片 的 初 始 化 、 定时 器 / 计 数 器 0 初 始 化 、 时 钟 初 值 输 入 以 及 开 中 断 、 定 时器 / 计 数 器 启 动 等 。(2) 实 现 显 示 (按 照 人 机 对 话 功 能 显 示 时 钟 或 各 种不 同 参 数 ) 。(3) 不 断 地 进 行 键 扫 描 ,判 断 是 否 有 键 按 下 ,如 无键 按 下 ,则 返 回 显 示 ;如 有 键 按 下 ,则 根 据 所 按 键 实 现

16、 相361 现 代 电 子 技 术 2010 年 第 13 期 总 第 324 期 电 子 技 术 应 用 应 的 人 机 对 话 功 能 。主 程 序 系 统 流 程 图 如 图 6 所 示 。图 6 主 程 序 系 统 流 程 图5 结 语本 文 介 绍 了 张 力 控 制 系 统 的 基 本 概 念 ,实 现 的 基 本方 式 ,以 及 对 作 为 主 要 执 行 部 件 的 磁 粉 制 动 器 的 基 本 原理 和 工 作 特 性 进 行 研 究 ,随 后 采 取 基 于 半 径 检 测 的 间 接张 力 控 制 技 术 ,进 行 了 单 片 机 张 力 自 动 控 制 系 统 的 硬

17、 件设 计 和 软 件 设 计 。 实 践 证 明 ,该 系 统 具 有 良 好 的 抗 干 扰性 能 ,能 够 较 好 地 完 成 控 制 效 果 ,运 行 稳 定 可 靠 。参 考 文 献1 陈 振 翼 ,杨 公 源 ,沈 洪 勋 . 张 力 控 制 系 统 M . 北 京 :纺 织 工业 出 版 社 ,1988.2 陆 地 . 卷 取 机 张 力 自 动 控 制 系 统 J . 电 气 传 动 ,1988 (6) :21226.3 纪 铜 钊 ,李 兴 根 . 卷 绕 系 统 张 力 控 制 的 两 个 通 用 技 术 J . 轻工 机 械 ,2003 (1) :15217.4 童 朝

18、南 ,纪 智 ,彭 开 香 ,等 . 卷 取 机 张 力 控 制 新 方 法 J . 北 京科 技 大 学 学 报 ,2002 ,24 (4) :4632465.5 李 林 ,朱 凌 建 ,邱 宗 明 ,等 . 带 状 弹 性 织 物 张 力 控 制 方 法 的 应用 研 究 J .现 代 电 子 技 术 ,2006 ,29 (7) :1022104.6 王 锁 弘 ,张 永 . 基 于 半 径 反 馈 的 恒 张 力 控 制 系 统 的 设 计 与 实现 J . 山 东 电 子 ,2003 (1) :37238.7 周 睛 ,李 文 旭 . 接 近 开 关 的 原 理 及 应 用 J . 电

19、 子 元 器 件 应用 ,2007 ,9 (6) :18220.8 王 春 香 ,王 永 章 . 以 磁 粉 离 合 器 为 执 行 件 的 张 力 控 制 系 统J . 机 械 与 电 子 ,1999 (3) :527.9 金 钟 夫 ,杜 刚 ,王 群 ,等 . AVR A Tmega128 单 片 机 C 程 序 设计 与 实 践 M . 北 京 :北 京 航 空 航 天 大 学 出 版 社 ,2007.10 李 开 霞 . 基 于 A Tmega128 单 片 机 的 压 电 式 贾 卡 控 制 系 统设 计 J . 现 代 电 子 技 术 ,2009 ,32 (17) :211221

20、4.作 者 简 介 : 徐 凯 男 ,1979 年 出 生 ,吉 林 吉 林 人 ,西 安 建 筑 科 技 大 学 硕 士 研 究 生 ,就 职 于 宝 钢 集 团 有 限 公 司 党 委 组 织 部 ,区 域 工程 师 。 主 要 研 究 方 向 为 计 算 机 技 术 。(上 接 第 158 页 )5 结 语电 气 控 制 线 路 接 线 故 障 诊 断 系 统 以 及 智 能 化 电 气控 制 实 训 室 ,以 其 准 确 、 快 捷 、 高 效 的 性 能 ,提 高 了 教 学效 果 和 教 学 效 率 。 对 促 进 学 生 学 习 主 动 性 、 减 轻 教 师 教学 负 担 、

21、确 保 考 评 的 公 平 与 公 正 等 方 面 有 着 积 极 意 义 。参 考 文 献1 程 书 华 . 电 机 与 控 制 M .北 京 :中 国 电 力 出 版 社 ,2009.2 刘 华 东 . 单 片 机 原 理 与 应 用 M . 2 版 . 北 京 :电 子 工 业 出 版社 ,2006.3 杨 光 臣 . 建 筑 电 气 工 程 图 识 读 与 绘 制 M . 2 版 . 北 京 :中 国建 筑 工 业 出 版 社 ,2001.4 骆 新 全 ,黄 玲 玲 . 电 路 仿 真 与 PCB 设 计 M . 北 京 :北 京 航 空航 天 大 学 出 版 社 ,2004.5 杨

22、 志 忠 ,卫 桦 林 . 数 字 电 子 技 术 M . 2 版 . 北 京 :高 等 教 育出 版 社 ,2003.6 汤 山 俊 夫 . 数 字 电 路 设 计 与 制 作 M . 彭 军 ,译 . 北 京 :科 学出 版 社 ,2005.7 求 是 科 技 . 8051 系 列 单 片 机 C 程 序 设 计 完 全 手 册 M . 北京 :人 民 邮 电 出 版 社 ,2006.8 张 黎 明 . 计 算 机 管 理 信 息 系 统 教 程 M . 北 京 : 北 京 工 业 大学 出 版 社 ,2006.9 张 怀 中 ,袁 晓 洲 . 计 算 机 网 络 技 术 实 用 教 程 M . 北 京 :中 国水 利 水 电 出 版 社 ,2006.10 王 伟 东 ,罗 成 裕 . 一 种 通 用 智 能 考 评 系 统 的 设 计 研 究 J .现 代 计 算 机 ,2009 (7) :1372139.作 者 简 介 : 郑 发 泰 男 ,1965 年 出 生 ,云 南 玉 溪 人 ,学 士 ,高 级 讲 师 。 主 要 从 事 电 子 技 术 、 电 工 学 、 建 筑 电 气 等 课 程 的 教 学 与 研 究 。461工 控 技 术 徐 凯 :基 于 单 片 机 的 卷 取 机 张 力 控 制 系 统 设 计