基于单片机的卷取机张力控制系统设计.pdf

徐 凯 基于单片机的卷取机张力控制系统设计 基于单片机的卷取机张力控制系统设计 徐 凯 1宝铡集 团有 限公 司 上海2 0 0 1 2 2 2 西安 建筑科技大学 陕西 西安7 1 0 0 5 5 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 7一种 以磁 粉制 动器为执 行元件 基 于 AVR单片机 的张 力控 制 系 统 采用类似 P WM 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 T P 2 7 3 5 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 4 3 7 3 x 2 O 1 O 1 3 0 1 6 2 0 3 De s i g n o f S CM b a s e d Te ns i o n Co n t r o l S y s t e m i n Co i l e r XU Ka l 1 1 B a o S t e e l Gr o u p C O L t d S h a n g h a i 2 0 0 1 2 2 Ch i n a 2 Xi a n Un i v e r s it y o t Ar c h i t e c t u r e Te c h n o l o g y Xi a n 7 1 0 0 5 5 C h i n a A b s t r a c t Te n s i o n c o n t r o l i s a wi d e l y u s e d t e c h n o l o g y i n t t l e a r e a s o f p a p e r ma k i n g s p i n n i n g a n d me t a l l u r g y I t i s c l o s e l y r e l a t e d wi t h t h e p r o d u c t s p r o d u c t i o n e f f i c i e n c y a n d q u a l i t y Th e b a s i c p r i n c i p l e o f t h e t e n s i o n c o n t r o l t e c h n o l o g y i s i n t r o d u c e d A t e n s i o n c o n t r o l s y s t e m wi t h a ma g n e t i c p o wd e r b r a k e a s t h e t e n s i o n a c t u a t o r i s d e s i g n e d b a s e d o n 8 0 5 1 mi c r o c 0 n t r o l l e r Th e mo d e s i m i l a r t o P W M p u l s e wi d t h mo d u l a t i o n c o n t r o l i s e mp l o y e d t o g u a r a n t e e t h e h i g h p e r f o r ma n c e o f t h e c o n t r o l s y s t e m I t h a s b e e n f o u n d t h a t t h i s s y s t e m h a s p e r f e c t p e r f o r ma n c e o f a n t i j a mmi n g a n d c a n a c c o mp l i s h a r a t h e r b e t t e r c o n t r o 1 Ke y wo r d s mi c r o c 0 n t r o l 1 e r c o n s t a n t t e n s i o n c o n t r o l ma g n e t i c p o wd e r b r a k e p r o x i mi t y s wi t c h a n t i j a mmi n g 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u 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 3 目前 应用的张力控制系统 根据其测量控制的原理结构主要 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 收稿日期 2 0 1 0 一 O 1 2 8 1 6 2 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 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 风 为放卷轴半径 R 为放卷材料半径 R 为收卷驱动轴半径 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 R 与磁 粉制动器产生的制动力矩相等 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 R 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 现代电子技术 2 o l o年第 1 3 期总第 3 2 4期 电子技术应用 近开关 单片机通过计数这一脉 冲信号的频率赣可 以 准确的计算出需要检测轴 的角速度 由于两滚动辅 上 线 速度的相等 因此 町以求得 R 一 Rl 3 0 1 一 R F i 2 式 中 为收 卷 驱 动 轴 的 角 速 度 o 9 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 1 作原理的不 同分为电容式 和电感式 接近开关 的基 本原 理框 图如 图 2所示 礴 磁 罐 被测 金属 物体 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 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 嚣 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 t分稳定 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 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 一 步提高产 品质量 绳D 台器 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 3 系统 软件 设计 0 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 AVR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 则根据所按键实现相 6 3 徐凯 基于单片机的卷取机张力控制系统设计 应 的人机对话功能 主程序系统流程图如图 6 所示 Y 5 结语 开始 习 厂 仞始化 键扫描及处理程序 l Y N 显示角速度 线速度 半径 实时时钟 一 一 N 型 王 Y 按键解除报警 r 一 ON l a g 0 A d D 采样 二二 二 数据存储 匕 一 激励电流计算 主 P WMi 节 图 6 主程序 系统流程 图 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 1 9 8 8 2 陆地 卷取机张力 自动控制系统 J 电气传动 1 9 8 8 6 21 2 6 3 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 2 0 0 3 1 1 5 1 7 4 童朝南 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 2 0 0 2 2 4 4 4 6 3 4 6 5 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 2 0 0 6 2 9 7 1 0 2 1 0 4 6 2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 2 0 0 3 1 3 7 3 8 7 周睛 李文旭 接近开关的原理及应用 J 电子元器件应 用 2 0 0 7 9 6 1 8 2 0 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 1 9 9 9 3 5 7 9 3金钟夫 杜刚 王群 等 A VR AT me g a 1 2 8 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 2 0 0 7 1 0 2李开霞 基于 AT me g a l 2 8单片机的压电式贾卡控制系统 设计 J 现代 电子技术 2 0 0 9 3 2 1 7 2 1 1 2 1 4 作者 简介 徐 凯 男 1 9 7 9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 1 5 8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 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 2 0 0 9 2 3刘华东 单片机原理 与应用 E M 2版 北京 电子工业 出版 社 2 0 0 6 3 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 2 0 0 1 4 3骆新全 黄玲玲 电路仿真与 P C B设计 M 北京 北京航空 航 天大学 出版社 2 0 0 4 5 3杨 志忠 卫 桦林 数字 电子技术 E M 2版 北 京 高等 教育 出 版社 2 0 0 3 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