（信号与信息处理专业论文）蜂窝纸芯生产线张力与套准控制系统的研究与设计.pdf

、：! 、 塑一j l 丫l l i i i i l l i i i i i l 8 l l l l i l l i l l l l l 4 1 1 1 1 1 4 1 1 1 1 1 4 i l l l l l 2 l论文题目：蜂窝纸芯生产线张力与套准控制系统的研究与设计 学科专业：信号与信息处理 研究生：于艳 指导老师：顾桓副教授 摘要 签名：j 稻 签名： 蜂窝纸是近年来快速发展的新一代绿色包装材料，而连续走纸蜂窝纸芯生产线是一种 新型高效的纸芯生产设备。由于纸芯生产的低速、重载、干扰大、套准与张力关联性强等 特点，一些使用在高速凹印机上的张力和套准控制系统从功能、鲁棒性和性价比等方面不 能较好适用。因此针对性地开发功能符合特定要求并且性价比高的张力和套准控制系统， 既具有很强的实用性又有一定的理论研究和新技术应用的意义。 本文针对蜂窝纸芯生产线的工作原理与特点，设计了合理的控制系统方案，进行了张 力和套准控制系统的针对性研究和设计开发，主要内容包括： ( 1 ) 分别完成了套准控制系统与张力控制平台，包括系统的总体构架与功能设计、 器件与芯片的选择、电路的设计、p c b 设计与电路板测试、软件的编写及调试，最终使各 个功能模块全部可以正常地工作，实现了系统的功能。 ( 2 ) 在张力控制的驱动部分设计中，尝试使用开关电源集成电压控制器实现基于线 性电流控制的磁粉制动器驱动电路，包括器件与芯片的选择、电路的设计、p c b 设计与电 路板的调试实现，最终很好地实现了稳流控制。 ( 3 ) 在张力与套准控制系统中，尝试直接设计了带隔离的r s 4 8 5 通讯电路，制定了针 对整个上下位机4 8 5 通讯的通信功能和通信协议，并进行了软件的编写和整个通信系统的 调试实现。 ( 4 ) 在下位机的所有控制系统设计中，进行了较完善的系统抗干扰设计。包括电源 模块与p c b 抗干扰设计、看门狗电路设计、线性光耦的设计、信号采集的隔离设计、通讯 的抗干扰设计。 最后，经过上下位机的模拟生产流程控制的测试，实现了系统的整体功能，达到了方 案验证与原型设计的目标。 关键词：蜂窝纸芯；张力控制；套准控制；磁粉制动器 a b s t r a c t t i t l e ：r e s e a r c ha n dd e s i g no nt e n t i o na n dr e g i s t e r c o n t r o ls y s t e mf o rt h eh o n e y c o m bp a p e rc o r e p r o d u c t i o nl i n e m a j o r ：s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g n a m e ：y a ny u s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f h u a ng u a b s t r a c t s i g n a t u r e ： 、l 舢1 优 s i g n a t u r e ：笪坚垒丛鱼 h o n e y c o m bf i b r e b o a r di san e wg r e e nw r a p p e rw h i c hh a sd e v e l o p e dq u i c k l yi nt h el a t e y e a r s a n dh o n e y c o m bf i b r e b o a r dp r o d u c t i o nl i n ew i t hc o n t i n u o u sp a p e r c o r ei san e we 伍c i e n t f a c i l i t yo fp a p e rc o r ep r o d u c t i o n b e c a u s et h i sp r o d u c th a s t h et r a i t so fl o w s p e e d ，o v e rl o a d i n g ， g r e a td i s t u r b a n c e ，s t r o n ga s s o c i a t i o nb e t w e e nr e g i s t e ra n dt e n t i o n ，s o m et e n t i o na n dr e g i s t e r c o n t r o ls y s t e mu s e di nt h er a p i dc o n c a v ef o r m a tp r i n t i n gm a c h i n ec a n tb eu s e dp r e f e r a b l yi nt h e f u c t i o n ，r o b u s ta n dc o s t p e r f o r m a n c er a t i o ，a n ds oo n d e v e l o p i n gt h es y s t e mt h a tc a ns a t i s f i e s p r o d u c t i o nr e q u e s tw i t hh i g hc p r h a st h es t r o n gp r a c t i c a b i l i t ya n d t h em e a n i n go ft h e o r y r e s e a r c ha n dn e w t e c h n o l o g ya p p l i c a t i o n t h i sp a p e rp r e s e n t sar e a s o n a b l ea p p r o a c ht ot h ec o n t r o ls y s t e ma n ds t u d i e st h et e n t i o n c o n t r 0 1s y s t e ma n dt h er e g i s t e rc o n t r o ls y s t e ma c c o r d i n gt ot h ew o r kp r i n c i p l ea n dt h e c h a r a c t e r so fh o n e y c o m bp a p e rc o r ep r o d u c t i o nl i n e f i r s t l y ，t e n t i o nc o n t r o lp l a t f o r ma n d r e g i s t e rc o n t r o ls y s t e ma r ef i n i s h e di n d e p e n d e n t l y ，i n c l u d i n gt h ed e s i g no ft h ew h o l es t r u c t u r e a n df u c t i o no ft h es y s t e m ，t h ec h o o s i n go ft h ec o m p o n e n t s ，t h ed e s i g no fc i r c u i ta n dp c b ，t h e c o m p i l i n ga n dd e b u g g i n go f t h ep r o g r a m s e c o n d l y , i nt h ed e s i g no f t h ed r i v ef u c t i o no f t e n t i o n c o n t r o l ，t h i sp a p e ri m p l e m e n t sl i n e a rc u r r e n tc o n t r o lo fd r i v ec i r c u i to nm a g n e t i cp o w d e rb r a k e u s i n gt h es w i t c hp o w e rs u p p l yi n t e g r a t i o nv o l t a g ec o n t r o l l e r ，i n c l u d i n gt h ec h o o s i n go f t h e c o m p o n e n t s ，t h ed e s i g no fc i r c u i ta n dp c b ，t h ed e b u g g i n g o ft h ec i r c u i tb o a r d ，a n df i n a l l y i m p l i m e n t sc o n s t a n tc u r r e n tc o n t r 0 1 t 1 l i r d l y ，t h ei s o l a t e dr s 4 8 5c o m m u n i c a t i o nc i r c u i ti s r e a l i z e d ：c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l si se s t a b l i s h e db a s e du p o nc o m m u n i c a t i o nf u c t i o n sb e t w e e n u p p e rm a c h i n ea n du n d e rm a c h i n e s ；s o f t w a r ei sc o m p i l e d ；t h ew h o l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mi s d e b u g g e da n dr e a l i z e d f o r t h l y , i nt h ed e s i g no f a l lt h ec o n t r o ls y s t e m s ，t h ea n t i - ja m m i n go ft h e s y s t e mi sc o n s i d e r e d ，i n c l u d i n gt h ed e s i g no f p o w e rs u p p l ym o d u l ea n dp c ba n t i - j a m m i n g ， w a t c h d o gc i r c u i td e s i g n ，d e s i g no fl i n e a r i t yp h o t o e l e t r i c i t yc o u p l i n g ，i s o l a t i o no fs i g n a l c o l l e c t i o n ，a n t i - j a m m i n gd e s i g no fc o m m u n i c a t i o n f i n a l l y ，t h i sp a p e ri m p l i m e n t st h ew h o l ef u c t i o no ft h es y s t e m st h r o u g ht h et e s tt h a t s i m u l a t e st h ep r o d u c t i o nf l o wc o n t r o lb e t w e e nu p p e rm a c h i n ea n du n d e rm a c h i n e ，a n da c h i e v e s t h et a r g e to f s c h e m ev a l i d a t i o na n dp r o t o t y p ed e s i g n k e y w o r d s ：h o n e y c o m bp a p e rc o r e ；t e n t i o nc o n t r o l ；r e g i s t e rc o n t r o l ；m a g n e t i cp o w d e rb r a k e i i 目录 目录 1 绪论1 1 1 课题的背景1 1 1 1 蜂窝纸板概述1 1 1 2 蜂窝纸板的制作和工艺1 1 2 课题的研究意义2 1 3 课题的研究方向与主要内容2 1 3 1 控制系统的整体概述2 1 3 2 课题的主要内容4 1 3 3 系统的主要功能4 1 3 4 课题的难点和创新点5 1 4 论文章节安排6 2 张力控制平台的研究与设计7 2 1 张力控制的系统设计7 2 1 1 张力控制系统概述7 2 1 2 张力控制系统的主要组成部件7 2 1 3 张力控制总体设计8 2 2 人机接口电路9 2 2 1 系统按键与显示的原理及功能安排9 2 2 2 键盘显示接口电路设计1 1 2 2 3 软件设计与实现1 2 2 3 复位与掉电保护电路设计1 4 2 3 1 芯片选择与硬件电路1 4 2 3 2 掉电保护的软件实现1 5 2 4 信号采集1 6 2 5d a 转换接口电路设计及软件设计1 6 2 6p c b 制版及调试小结1 8 3 张力控制系统驱动部分1 9 3 1 张力控制的执行部件磁粉制动器1 9 3 1 1 磁粉制动器的基本结构和工作原理1 9 3 1 2 磁粉制动器的电气工作特性1 9 3 1 3 优点及其应用2 0 3 2 芯片选择与电路设计2 1 3 2 1 磁粉制动器的伺服放大器的选择2 2 3 2 2t l 4 9 4 芯片恒压原理2 2 3 2 3t l 4 9 4 芯片电流控制原理电路设计2 4 3 3 电路板设计与制作小结2 6 3 4 调流电路测试小结2 6 4 套准控制系统的研究与实现2 9 4 1 套准控制系统设计2 9 4 1 1 套准控制系统概述2 9 西安理工大学硕士学位论文 4 1 2 套准控制系统总体设计2 9 4 2 控制系统硬件设计3 0 4 2 1 按键设计3 0 4 2 2 显示及电机驱动电路设计3 1 4 2 3 信号采集与控制参数形成3 2 4 3 控制系统的软件设计与实验3 4 4 3 1 软件编写3 4 4 3 2 套准闭环的p i d 设计3 6 4 4 调试小结3 7 5 基于r s 4 8 5 通信网络的系统研究3 9 5 1 上位机与下位机之间通信方式的选择3 9 5 2 带隔离的r s 4 8 5 接口电路设计与实现4 0 5 3r s 4 8 5 控制系统软件4 l 5 3 1 多机通信协议的制定4 1 5 3 2r s 4 8 5 报文格式4 4 5 3 3r s 4 8 5 多机通信系统的软件设计4 5 5 4 调试小节4 7 6 系统抗干扰设计4 9 6 1 电源模块与p c b 抗干扰设计4 9 6 2 看门狗电路设计5 0 6 3 线性光耦的选择及接口设计5 1 6 4 信号采集的隔离设计5 2 6 5 通讯的抗干扰设计5 3 7 总结与展望5 5 7 1 总结5 5 7 2 展望5 5 致谢5 7 参考文献5 9 附录a 6 1 附录b 6 2 附录c 6 4 附录d 6 6 绪论 1 绪论 1 1 课题的背景 1 1 1 蜂窝纸板概述 由科学常识得知，在所有的物体结构中，六边形结构是最稳定、最节省的。例如，蜜 蜂的蜂巢就是由无数个六边形组成的，看上去轻巧单薄，却能抵御狂风暴雨的袭击，同样， 飞机尾部的部分材料结构也是六边形的。根据这一力学原理，我国的科技人员与企业家克 服外国技术封锁带来的重重困难，自行研制开发出国内包装行业紧缺的蜂窝状纸芯，这种 纸芯的原材料与普通的牛皮纸没有什么两样，用手轻轻一撕就会破裂。然而当这些纸张经 过特殊工艺处理、加工后，其荷重能力就大大增强了，原先十分脆弱的纸排列成一块具有 弹性的可拉伸的蜂窝网络式纸板，其高度分别为l , 、, 5 c m 不同规格，用手摸上去，就象厚木 板一样坚实平整n 1 。 据了解，纸蜂窝制品采用的原材料大都是平常作为垃圾处理的废纸板、废纸箱，由于 采用了各蜂窝分立封闭式的气垫设计，能极大地吸收冲击能量，缓冲，减量性能良好。用 纸蜂窝板制造的集装箱联运托盘对机电产品进行包装，既解决了美、加等国和欧盟对我国 出口货物木质托盘包装的限制问题，而且可替代聚苯乙烯，消除白色污染，节省大量木材， 易于回收及循环再利用，是一种理想的环保型包装新材料。除了做包装材料之外，纸蜂窝 还可与纤维板、联合板、钢板、铝板等材料复合，制成各种产品，如家具、轻质门、隔墙、 屏风、吸音内饰板、车船内饰板等，并具有良好的防热防潮、防音、阻燃等性能2 。 1 1 2 蜂窝纸板的制作和工艺 在蜂窝纸板的生产中，目前国内外基本采用纵向涂胶、横向切割的纸芯不连续生产工 艺进行生产。由于该工艺本身的原因，使其生产设备在自动化程度、纸芯宽度及生产效率 等方面受到了限制。如果采用横向涂胶、纵向切割、纸芯连续的生产工艺，则可克服传统 生产工艺的诸多缺点，但却需要解决多层纸馈入过程中张力变化、胶条位置涂胶偏差等过 程控制方面的问题。如果这些问题得不到解决，则很难实现纸芯连续的生产工艺。 纸芯连续全自动蜂窝纸板生产线的生产工序为：( 1 ) 送纸：六层纸送纸机构；( 2 ) 横 向涂胶：按照形成蜂窝状的胶条间隔分层进行涂胶；( 3 ) 叠合处理：将涂胶后的6 层纸压 合在一起；( 4 ) 分切涂胶：按蜂窝纸板产品厚度的要求分切为相同尺寸的6 层纸条，并将 分切后的每个纸条涂上形成蜂窝位置的胶条；( 5 ) 纸条聚合：将分切涂胶后的蜂窝纸条粘 合在一起，形成多层蜂窝纸芯；( 6 ) 纸芯拉伸：将纸芯拉开形成蜂窝状并定型；( 7 ) 纸芯 覆面：将定型拉开后的蜂窝纸芯覆盖纸面；( 8 ) 辊压成型：给覆盖纸面后的蜂窝纸板加压 定型；( 9 ) 裁板按蜂窝纸板产品尺寸要求进行裁切等。以上每个工序均由一台独立的专用 设备完成，其中：( 1 ) ( 5 ) 道工序为连续纸芯的生产设备，属前道生产工序，纸芯的质 量、规格、形状是蜂窝产品的基础。( 6 ) ( 9 ) 为纸板生产设备，属后道生产工序，后加 西安理工大学硕士学位论文 工的质量、水平是保证蜂窝制品质量的重要环节n 1 4 1 。 1 2 课题的研究意义 首先，随着我国印刷业的高速发展以及大众环保意识的增强，传统的有机包装材料将 逐步被蜂窝纸之类的绿色产品所替代。 其次，在蜂窝纸板的生产中，出现了采用横向涂胶、纵向切割、纸芯连续的新的生产 工艺，需要解决多层纸馈入过程中张力变化、胶条位置的涂胶偏差等控制方面的问题。 最后，蜂窝纸生产线中，没有专用的控制系统。 目前市面上销售的张力控制器多用于凹印机的纸张张力控制，有的控制器功能很强 大，系统精度很高，且多为国外的产品，但价格昂贵。有的控制器由于更高的印刷速度及 生产工艺对张力控制提出了更高的要求，使得磁粉离合n 动器已不能胜任该类系统的执 行单元。因此在现代凹印机、高速分切机、高速涂布复合机中已被交、直流伺服电机执行 单元所取代，实现了更加先进的张力伺服控制。还有一种手动张力控制器，就是在收卷或 放卷过程中，当卷径变化到某一阶段时，由操作者调节手动电源装置，从而达到控制张力 的目的。不过现代凹印机手动张力控制系统已基本被淘汰，而仅仅作为闭环式全自动张力 控制系统中的一种操作模式存在。 就套准控制系统而言，对于不同的控制对象，采用不同的控制原理和方法。目前的蜂 窝纸芯生产线还没有专门的用于控制胶条误差的套准控制系统。本课题针对蜂窝纸生产线 设计了一种套准控制模式。 本课题以f w x l 2 5 0 型连续式全自动蜂窝芯生产线作为研究对象，一方面挖掘现有的控 制系统的特点，另一方面借鉴其他印刷设备的设计原理，尝试研制出一种针对蜂窝纸生产 线的，在性能和可靠性方面满足自己要求的张力控制系统和套准控制系统，具有很强的实 用性，而且具有一定的理论研究和新技术应用的意义。 1 3 课题的研究方向与主要内容 1 3 1 控制系统的整体概述 蜂窝纸生产线的整个设备机械上采用了同轴传动，主要机组有涂胶贴合机组，分切、 涂胶、聚合机组，压合定型、打毛、切断对接机构。在整个生产线中，张力随纸卷卷径 的减少而变化的问题和胶条位置涂胶偏差是影响生产的关键环节，本课题主要通过研究 张力控制系统和套准控制系统来解决这两方面的控制问题。 涂胶贴合机组包括放料机和涂胶贴合机，放料机除了设有自动上料机构以外，添加 了磁粉制动器及张力控制器，而涂胶贴合除了设有自动上胶外，添加了电机及套准控制 机构。以第二个纸张为例，如图1 - 1 所示，第二个放纸机构出来的纸经导轨改变送纸方 向，上胶滚筒上胶后，与第一个放纸机构出来的纸经压合滚筒粘合，同样，再依次与其 它放纸机构出来的纸粘合。本系统共六个送纸机构，需要六个张力控制系统和五个套准 2 绪论 控制系统。其中，张力与套准控制器都可以与上位机a r m 实现多机通讯。 图卜1 机电系统整体结构与工作原理示意图 f i g l 一1s k e t c hm a p o ff r a m ea n dw o r kp r i n c i p l eo fm e c h a n i c a la n de l e c t r i c a ls y s t e m 在蜂窝纸生产线中，随着纸卷放卷过程的进行，纸卷卷径会慢慢地变小。如果此时放 卷制动转矩不变，势必会导致纸卷上张力变大，这就很有可能使纸张因张力过大而撕裂， 机器停止运行。所以需要不停的调节放卷制动转矩使张力保持恒定。张力控制系统是通过 对磁粉制动器的稳流控制，改变放卷制动转矩，从而保证每个送纸机构的纸张张力恒定， 不随纸卷卷径的减少而变化。当然在机器运行的过程中还有其它因素影响张力的大小，这 时候可以通过接收a r i d 传过来的信息包对张力进行相应地调节。 为了能够生产出合格的蜂窝纸芯，印刷到纸上的胶条必须排列有序，相对位置偏移一 致，否则将无法拉伸成蜂窝结构。如图1 2 所示，纸芯通过纵向拉伸可以出现正六边形结 构，其中黑色表示纸张，红色表示胶粘剂。与传统的彩色印刷不同，在蜂窝纸芯的生产过 程中，胶条的位置在纸张中间，无法直接检测，而且对精度的要求也略低，本课题针对蜂 窝纸生产线设计了一种套准控制模式。通过弱电信号控制带动差速器的2 2 0 v 交流单相异 步电机来改变上胶滚筒的相位角，进而消除涂胶误差。 ：一oi 图1 - 2 蜂窝纸截面图 f i gl - 2s e c t i o n a lc h a r to fh o n e y c o m bp a p e r 3 西安理工大学硕士学位论文 1 3 2 课题的主要内容 蜂窝纸芯生产线的控制系统是通过两个课题的方式来完成的，整体结构包括三部分： 上位机部分、套准控制部分以及张力控制部分。这三个部分相互联系，只有在生产过程 中协调工作，才能保证蜂窝纸的生产质量。本课题完成的是套准控制部分以及张力控制 部分，属于下位机系统，分别独立完成了三个电路板的设计：张力控制平台、张力控制 驱动板以及套准控制板。 在课题的开展过程中，作者主要做了以下工作： ( 1 ) 针对蜂窝纸芯生产线的工作原理与特点进行了分析，设计了合理和先进的控制系 统方案。 ( 2 ) 完成了张力控制平台的设计，主要包括有系统的总体构架与功能设计，器件与芯 片的选择，各个功能模块的电路设计、器件的封装及p c b 的设计、电路板焊接及测试， 并进行了软件的编写及调试，最终使各个功能都可以正常的工作。 ( 3 ) 在张力控制的驱动部分设计中，尝试使用脉宽调制型开关电源集成电压控制器来 实现基于线性稳流控制的磁粉制动器驱动电路，完成了电路的设计。主要包括有器件与芯 片的选择，电路原理设计、器件的封装及p c b 的设计、电路板的焊接与调试，经测试，可 以很好地实现线性稳流控制，最大电流为4 a 。 ( 4 ) 完成了套准控制系统的设计，主要包括有系统的总体构架与功能设计、器件与芯 片的选择、各个功能模块的电路设计、器件的封装及p c b 的设计、电路板的焊接及测试、 软件的编写及调试，最终使各个硬件部分全部可以正常的工作，实现了系统的功能，该系 统中考虑了p i d 算法。 ( 5 ) 在张力与套准控制系统中，尝试直接设计并实现了带隔离的r s 4 8 5 通讯电路，并设 计了针对整个上下位机4 8 5 通讯的通信功能和通信协议，最后进行了软件的编写和整个通 信系统的调试与实现。包括有芯片的选择、电路的设计、器件的封装及p c b 的制版、通信 协议的制定、软件的编写及调试，最终可以实现与上位机的多机通信。 ( 6 ) 在下位机的所有控制系统设计中，进行了较完善的系统抗干扰设计。包括电源模 块与p c b 抗干扰设计、看门狗电路设计、线性光耦的选择及接口电路、信号采集的隔离 设计、通讯的抗干扰设计。 最后，经过上、下位机的模拟生产流程控制的测试，实现了系统的整体功能，达到了 方案验证与原型设计的目标。 1 3 3 系统的主要功能 本课题包括三个部分的设计与实现，即张力控制平台、张力控制的驱动系统和套准 控制系统，现对其主要功能分别进行介绍。 首先，张力控制平台实现的主要功能如下： ( 1 ) 本系统可以在手动情况下，通过键盘输入初始的卷径值与目标张力值。 4 绪论 ( 2 ) 可以显示每一时刻当前的卷径值与张力值。 ( 3 ) 具有复位、看门狗以及掉电保护功能，可以保存张力值和卷径值到e 2 p r o m 中。 ( 4 ) 可以通过接近开关检测放卷滚筒的圈数，得到当前的卷径值，保存并显示后，计 算励磁电流值来驱动磁粉制动器。 ( 5 ) 在张力控制系统的电路板上直接设计了一种带隔离的r s 4 8 5 通信电路，避免了r s 2 3 2 n r s 4 8 5 的转换，实现了与上位机之间的多机通信。 ( 6 ) 可以根据上位机下达的张力调整值计算当前张力值，保存并显示后，计算励磁电 流值来驱动磁粉制动器。 ( 7 ) 进行了系统的抗干扰设计，具有较完善的抗干扰能力。 张力控制的驱动板：在磁粉制动器的驱动电路的设计中，主要围绕开关电源展开设计， 从反馈信号对开关电源的控制方法进行方案研究。先把恒压电源改造为可调稳压电源，再 把可调稳压电源改造为压控电流源中对电流的反馈和控制。采用电压型脉宽调制器芯片很 好地实现了线性稳流控制。 套准控制系统实现的功能如下： ( 1 ) 可以显示各时刻的正负误差值，并设计有复位、看门狗电路。 ( 2 ) 设计了交流单相异步电机正反转的驱动，通过弱电信号实现了对强电2 2 0 v 的控制。 ( 3 ) 在套准控制系统中，也直接设计了带隔离的r s 4 8 5 通讯电路，实现了与上位机之间 的多机通信。可以上报机组的状态；可以接收上位机下达的速度；可以随时上报当前的误 差值；可以对上位机下达的误差进行相应操作，执行完误差值后，系统可以自动进入锁定 状态。 ( 4 ) 锁定状态下，系统进入闭环控制，自动检测信号值计算当前误差，并在误差满足 一定范围内消除误差。 ( 5 ) 设计了手动粗调按钮，可以实现对电机直接操作，其中，自动控制是本系统的核 心控制方式，手动控制则是对自动控制方式的一种有益补充和有效保护，特别是万一自动 控制系统出现问题时，手动控制方式就成为唯一的控制方式。 ( 6 ) 进行了系统的抗干扰设计，具有一定的抗干扰能力。 1 3 4 课题的难点和创新点 ( 1 ) 针对新型的蜂窝纸芯生产线的张力与套准的控制特点，提出了针对性较强和性 价比较高的控制系统方案。 ( 2 ) 以脉宽调制型开关电源芯片为核心，实现了线性稳流控制。本课题中，磁粉制 动器的驱动电路是难点和创新点，张力控制平台通过计算得到磁粉制动器的励磁电流值， 经过d a 转换转换为电压的模拟量，再经线性光耦、伺服放大器等来处理，才能驱动磁 粉制动器。经综合考虑，伺服放大器选用了电压型脉宽调制开关电源芯片t l 4 9 4 ，实现 了良好的稳流控制，最大输出电流为4 a ，目前关于t l 4 9 4 资料大都应用于恒压控制。 5 西安理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 在张力与套准控制系统中，直接设计了带隔离的r s 4 8 5 通讯，包括硬件电路的 设计、通信协议的制定和软件的编写。现在大多数板子都是做了r s 2 3 2 接口，再经过 r s - 2 3 2 与r s - 4 8 5 转换器转换后方可使用。本课题直接设计了带隔离r s 4 8 5 电路，避免 了使用r s - 2 3 2 与r s 一4 8 5 转换器，从而简化了电路。在软件编写方面，采用了数据包传 送和异或校验技术来保证数据的可靠性、完整性，最终很好地实现了主、从机之间的多 机通信。 ( 4 ) 使用较新的各类芯片与原理构建简洁可靠的单片机监控电路。 ( 5 ) 实现了比较完善的系统抗干扰设计。包括电源模块与p c b 抗干扰设计、看门狗 电路设计、线性光耦的选择及接口电路、信号采集的隔离设计、通讯的抗干扰设计。 ( 6 ) 电路的整体p c b 设计与调试实现。 1 4 论文章节安排 论文的具体结构如下： 第一章为绪论。介绍了课题的背景，包括蜂窝纸的概述及其制作工艺、课题的研究 意义、控制系统的整体概述，并阐明了本课题中的控制系统的主要功能、课题的主要内 容、难点、创新点以及论文的结构。 第二章为张力控制平台的研究与设计。主要介绍了张力控制系统的概述及总体设计， 并分别详细介绍了系统按键和显示的人机接口电路模块、复位与掉电保护电路的设计、 信号的采集、d a 转换接口设计以及p c b 制版与调试小结。 第三章为张力控制系统的驱动部分。主要介绍了作者研制的磁粉稳流驱动器。对作 者的设计思路，具体的电路设计，实际的调试记录，经验总结等有比较详细的阐述；对 实验数据也进行了分析。 第四章为套准控制系统的研究与实现。主要介绍了套准控制系统的概述及总体设计， 并分别对系统硬件与软件做了详细介绍。包括系统按键的设计、显示与电机驱动电路设 计、信号采集与控制参数的形成、软件编写、套准闭环的p i d 设计等。最后进行了调试 小结。 第五章为基于r s 4 8 5 通信网络的系统研究。详细介绍了上下位机通信方式的选择和 带隔离的r s 4 8 5 接口电路设计与实现，并根据系统具体的功能需求设定了多机通信协议 和报文格式，在软件设计中，给出了接收中断流程以及系统通讯流程图，最后给出了本 章的调试小结。 第六章为系统的抗干扰设计。首先给出了系统抗干扰的总体设计，接着分别详细介 绍了电源模块与p c b 抗干扰设计、看门狗电路设计、线性光耦的选择及接口电路、信号 采集的隔离设计、通讯的抗干扰设计。 第七章为总结与展望。 6 张力控制平台的研究与设计 2 张力控制平台的研究与设计 2 1 张力控制的系统设计 2 1 1 张力控制系统概述 张力控制系统是一种输入量按某种可调节的衰减规律变化的特殊的随动系统，广泛 应用于各种滚筒组成的加工生产线上，如印刷厂、造纸厂、印染厂、食品厂、轧钢厂等5 。 在这些生产线上进行产品加工时，运行中的卷材必须要保持有一定的张力。张力过大会 造成加工材料的拉伸变形；张力过小会使卷取的材料的层与层之间的应力变形，造成收 卷不整齐，或者处理尺寸不准等弊病，影响加工质量；张力大小不稳定会使带材跳动， 导致套印不准或重影等印刷故障。因此，为了保证生产的品质、效率及可靠性，必需要 有一套功能完备的张力控制系统来引导产品加工过程1 。这里讨论的张力控制系统集中 在蜂窝纸放纸机构的张力控制方面。 蜂窝纸生产线上有一段纸卷放卷的过程，随着机器的运行，纸卷的卷径会慢慢地变 小。如果此时放卷制动转矩不变，势必会导致纸卷上张力变大，这就很有可能使纸张因 张力过大而撕裂，机器停止运行。这就需要不停的调节放卷制动转矩使张力保持恒定。 当然在机器运行的过程中还有其它因素( 如传动装置的转矩变化、线性变化和机械损耗) 影响张力的大小，这时候就要通过接收a r m 传过来的数据对张力进行相应地调节。 这个张力控制系统的工作过程可以说是集计圈式控制器和自动恒张力控制两者之精 华而成，但又不完全和这两者相同。张力控制系统设有手动自动键，启动后首先进入手 动状态，设置初始的卷径值和目标张力值，随后进入自动状态。纸卷每转一圈时，安装 在纸卷处的接近开关会检测到一个脉冲信号，此时卷径减去纸张厚度得到当前的卷径值， 根据目标张力值即可计算励磁电流的大小，来控制磁粉制动器，从而达到恒张力控制。 另外，根据上位机下达的张力调整量得到当前张力值，显示后，同样，计算励磁电流的 大小，来驱动磁粉制动器。 张力控制中，对产品的质量控制是必不可少的。在蜂窝纸芯的输出部分有专人负责 检查，通过查看断面胶条偏移或者纵向拉伸纸芯，就可以判断出生产的纸芯是否合格。 若连续调整胶条偏移误差，仍然过大的情况下，则表明当前张力值不合适，工作人员可 以通过在控制台输入张力的调节参数来调整系统的误差。 2 1 2 张力控制系统的主要组成部件 无论多么复杂的系统，其张力控制原理上总是大同小异。张力控制装置整体可以分 为三部分：1 ) 控制装置2 ) 检测装置3 ) 执行机构及驱动器。为了产生张力，必须有施力装 置产生阻力矩施加于开卷辊上，该施力装置就是张力控制系统中的张力执行元件。执行 元件是控制系统最基本的组成部分，它应该具备快速响应的动态特性、良好的静态特性 ( 线性度好) 及控制可靠等特点。根据执行机构的不同，张力控制方式可以分为电机张力 西安理工大学硕士学位论文 控制系统，电液张力控制系统，磁粉张力控制系统，以及其他的如杠杆摇摆式等7 1 。执 行机构选用了磁粉制动器，执行机构与驱动部分具体在以后的章节详细介绍。 控制系统的选取中，数字电路控制器一般有常见的实现形式，一种是采用通用型微 型计算机。它具有很强的浮点运算能力，更宽的数据总线，提供更多的系统内存。另一 种是采用i n t e l ，p h i l i p s ，n e c ，t i 等公司的嵌入式微处理器，如m c s 5 1 系列，或者运 算能力更强的d s p 控制芯片。微处理器通常比通用型计算机具有更大的灵活性。就张力 控制系统而言，小型的分散的张力控制通常用微处理器来控制；而大型的集成的张力控 制通常用工控机或者p l c ；或者采用不同的组态，如上下位机方式，下位机采用微处理 器，上位机则采用集成能力更强的工控机或者p l c 来统一调度，协调控制8 1 1 9 1 0 这里整 体结构选用的就是上、下位机方式，其中上位机选用用户界面友好的a r m ，本课题集中 讨论下位机系统。 检测装置可以检测张力、速度、卷径等。经考虑，这里准备选用计圈式的检测装置， 放纸机构每转一圈，安装在辊轮上的接近开关就会输出一个脉冲信号，根据初始的卷径 值减去纸张材料的厚度可得到当前的卷径，再根据目标张力值及当前的卷径值，得到励 磁电流，自动调整磁粉制动器来控制卷料的张力。 2 1 3 张力控制总体设计 本张力控制系统是利用卷绕轴每转一圈( 或若干圈) 减少卷绕材料的一个( 或若干 个) 厚度时，利用卷绕厚度的减小，即旋转圈数来控制放卷制动的转矩关系，在使用范 围内是线性关系，即m = f x r = k i 。 式中m ：磁粉制动器的输出转矩( 牛米) ； f ：磁粉制动器切线方向输出力( 牛) ； r ：磁粉制动器输出力矩的力臂( 米) ； k ：磁粉制动器输出力矩与输入电流的比例系数( 牛米) 安培； i ：磁粉制动器输入电流( 安培，以a 表示) 。 系统在手动情况下，由键盘输入目标张力值和初始的卷径值，分别显示并保存到 e 2 p r o m 。系统切换到自动状态下，信号采集是由一个接近开关来实现的，接近开关安 装在输出轴附近，轴上有一突出的螺柱，与接近开关相距3 5 m m 范围内，输出轴每转一 圈螺柱与接近开关相遇一次，接近开关发送一个低电平的脉冲信号，此时的卷径减去纸 张厚度后即为当前的卷径。 根据设定的目标张力值和当前卷径值自动计算出磁粉制动器的励磁电流值，将此时 的数字量通过d a 线性地转换为电压的模拟量，再经过线性光电隔离后，接入张力控制 的驱动系统来控制和调整磁粉制动器的激磁电流，制动力矩也随之相应地变化，从而达 到恒张力控制的要求。该系统也可经过r s 4 8 5 通讯接收上位机传来的张力调整量得到当 前张力值，经过显示后，算出磁粉制动器的励磁电流值，同样来驱动磁粉制动器从而改 8 张力控制平台的研究与设计 变张力。 圈数检 滚筒 r s 4 8 5 il 每 隔离 上位机 l 掉电保护i 7 微 处 l 按键r 模数 还 线性线性稳 理 一 - - - - 9 一 测 几n 转换放 隔离流驱动 厂、田苫 器 7i 匍同r 器 图2 一l 张力控制硬件结构框图 f i 醇- 1f r a m ec h a r to fh a r d w a r eo ft e n t i o nc o n t r o l 如图2 1 ，该系统包括微处理器、带隔离的信号采集、键盘、显示、复位、看门狗、 掉电保护、带隔离的r s 4 8 5 通讯、模数转换、运放、线性隔离与线性稳流驱动。其中， 张力控制的驱动系统具体在第三章详细介绍。 2 2 人机接口电路 2 2 1 系统按键与显示的原理及功能安排 按键按照接口原理可分为编码键盘与非编码键盘两类，这两类键盘的主要区别是识 别键符及给出相应键码的方法。全编码键盘能够由硬件逻辑自动提供与键对应的编码， 此外，一般还具有去抖动和多键、窜键保护电路，这种键盘使用方便，但需要较多的硬 件，价格较贵，一般的单片机应用系统较少采用。非编码键盘仅能提供键开关状态，其 他工作都是用软件来完成的，即依靠程序来识别闭合键，去抖动，产生相应的代码，转 入执行该键的功能程序。这种非编码键盘一般键的数目也少，称为小键盘，硬件简单， 在单片机应用系统中广泛使用 i o i 。 当操作按键时，由于机械触点的弹性作用，触点在闭合和断开瞬间的电接触情况不 稳定，造成了电压信号的抖动现象，键的抖动时间一般为5 到1 0 m s 。这种现象会引起单 片机对一次键操作进行多次处理，因此必须设法消除键通断时的抖动现象。去抖动的方 法有硬件和软件两种n 。本课题中采用了软件去抖动的方法。软件上采取的措施是：即 在单片机检测到有键按下时，执行一个1 0 到2 0 m s 的延时程序后再次检查该键电平是否 仍保持闭合状态，如保持闭合状态，则确认为有键按下，否则从头检测。 本系统为了实现操作简单，体积小的特点，所以设计时尽可能使按键数目减少，具 体设计如下t m a 键：本操作器具有自动控制和手动控制两种工作方式，由手动自动切换键 m a 来切换。当m a 键切换至a 状态时，操作器进入自动运行状态，相应的指 示灯亮，此时手动控制不起作用；当切换至m 状态时，则由自动状态进入手动操作状 9 西安理工大学硕士学位论文 态，相应的指示灯亮，可以修改张力值与半径值。如图2 - 2 所示，手动自动的选择按键 选用单刀双掷开关，为了直观方便，电路中设计了发光二极管，发光二极管可以用来显 示当前时刻的工作方式是手动还是自动方式。一般的绿色或者红色发光二极管工作电流 为1 0 2 0 m a ，而蓝光l e d 都是高亮或超高亮的，压降2 5 - - - 3 5 v 之间，电流0 5 m a 就很 亮，最大1 0 一- 2 0 m a 就不能直视了。所以选用不同的发光二极管，限流电阻的取值也就不 同。 d s i 图2 - 2 手动自动选择按键 f i 9 2 - 2c h o o s i n gk e y s t r o k eb e t w e e na u t o m a t i s ma n dh a n d r s