前言
在實(shí)際生產(chǎn)中如果以中心收卷方式來收卷的話，收卷軸的直徑是不斷變化的。不斷變化的收卷直徑引起角速度的變化，從而引起材料上張力也隨之出現(xiàn)的波動：張力過小，材料收卷時會松弛起皺、橫向走偏;張力過大則導(dǎo)致材料拉伸過度，在縱向上會出觀張力紋甚至出現(xiàn)縱向隆起。
因此在收卷的過程中為保證生產(chǎn)效率和收卷的質(zhì)量，張力控制系統(tǒng)就顯得尤為關(guān)鍵。張力控制模式一般有開環(huán)、閉環(huán)控制兩種模式，其中開環(huán)控制模式?jīng)]有張力檢測和反饋環(huán)節(jié)。設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)上相對簡單但控制精度和穩(wěn)定性較差。閉環(huán)控制模式則一般有卷徑檢測裝置和張力反饋環(huán)節(jié)，控制的隨機(jī)性很強(qiáng)，具有較高的控制精度和響應(yīng)速度，但系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)比較復(fù)雜而且元器件較多，在小型設(shè)備上的應(yīng)用受到一定的限制。
本文介紹一種基于伺服系統(tǒng)及plc系統(tǒng)的開環(huán)張力控制系統(tǒng)，經(jīng)過試驗(yàn)，能夠應(yīng)用在0.1mm級材料的收卷上，而且收卷質(zhì)量完全可以媲美閉環(huán)控制的質(zhì)量，其系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)構(gòu)成框圖
選用伺服控制系統(tǒng)是基于它的轉(zhuǎn)矩控制模式在收卷方面具有控制簡單、精度高的特點(diǎn)。在轉(zhuǎn)矩模式下，不需要對收卷的速度進(jìn)行控制，只需給出一個速度限制值即可使收卷軸的角速度根據(jù)轉(zhuǎn)矩的大小而自動浮動，并實(shí)現(xiàn)恒線速度收卷。同時伺服控制器的內(nèi)部轉(zhuǎn)矩檢測功能可以精確的檢測輸出電流，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的高精度控制。
系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩、速度指令及收卷的半徑等參數(shù)通過plc系統(tǒng)內(nèi)部計(jì)算得出，使系統(tǒng)得到進(jìn)一步的簡化。
系統(tǒng)控制原理
系統(tǒng)的控制模型如2所示，整個收卷系統(tǒng)主要由三菱mr-j2s伺服系統(tǒng)、三菱a系列plc系統(tǒng)、proface觸摸屏構(gòu)成。
圖2 系統(tǒng)的控制模型圖
其中速度、轉(zhuǎn)矩指令在觸摸屏上設(shè)定，然后傳送到plc中，經(jīng)過plc的計(jì)算后通過a1s68dav形成0～10v的模擬信號，傳送給伺服系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)接受信號后再經(jīng)過內(nèi)部單元轉(zhuǎn)換成電機(jī)的速度、轉(zhuǎn)矩控制信號，從而控制電機(jī)精確運(yùn)轉(zhuǎn)。在伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程，伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)編碼器(pg)將瞬時轉(zhuǎn)速經(jīng)a1s64ad模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸入plc中，然后計(jì)算出瞬時卷徑，再根據(jù)計(jì)算卷徑的大小變化輸出轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)張力穩(wěn)定有規(guī)律的控制。
伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)
三菱mr-j2s伺服系統(tǒng)有位置控制模式、速度控制模式、轉(zhuǎn)矩控制模式三種控制方式，本系統(tǒng)選用的是轉(zhuǎn)矩控制模式。
(1)轉(zhuǎn)矩控制模式的接線圖如圖3所示
圖3 轉(zhuǎn)矩控制模式的接線圖
(2)轉(zhuǎn)矩控制指令
模擬量轉(zhuǎn)矩指令輸入電壓和伺服電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩間的關(guān)系如圖4所示。
圖4 模擬量轉(zhuǎn)矩指令的輸入電壓和伺服電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩間的特性
±8v對應(yīng)最大轉(zhuǎn)矩，±8v輸入時所對應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩可用在伺服系統(tǒng)no.26#參數(shù)改變，例如：no.26=50%,表示當(dāng)輸入電壓為±8v時，對應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩=最大轉(zhuǎn)矩×50%。
由于受系統(tǒng)精度限制，在輸入電壓低于0.05v時，系統(tǒng)將會無法準(zhǔn)確地設(shè)定輸出轉(zhuǎn)矩。
在使用時，可以通過設(shè)定輸出電壓的極性來控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。
(3)速度限制指令
當(dāng)伺服電機(jī)處在轉(zhuǎn)矩模式時，其最大角速度將會受到模擬量速度輸入電壓的限制，并且伺服系統(tǒng)將會根據(jù)檢測的轉(zhuǎn)矩電流大小(負(fù)載)而自動調(diào)節(jié)速度。模擬量速度限制電壓與伺服電機(jī)速度的關(guān)系如圖5所示。
圖5 模擬量速度限制電壓與伺服電機(jī)速度特性
(4)伺服參數(shù)設(shè)定
轉(zhuǎn)矩模式下的主要伺服參數(shù)設(shè)定如表1所示。
表1 轉(zhuǎn)矩模式下的主要伺服參數(shù)設(shè)定
plc系統(tǒng)設(shè)計(jì)
plc系統(tǒng)采用三菱a系列模塊構(gòu)建，其中a1s68dav及a1s64ad作為plc系統(tǒng)與伺服系統(tǒng)之間的信息接口，觸摸屏通過rs232與plc相連。如圖6所示。由于a系列中每16點(diǎn)為一個模塊位置號，因此a1s68dav在程序中的位置編號為4#、5#、a1s68ad在系統(tǒng)中的位置號為6#、7#。
圖6 plc系統(tǒng)采用三菱a系列模塊構(gòu)建圖
(1)a1s68dav數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊
轉(zhuǎn)矩、速度模擬信號都是通過plc系統(tǒng)中的8通道a1s68dav模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊向伺服控制器輸出的，a1s68dav的性能規(guī)格如表2所示，
表2 a1s68dav的性能規(guī)格
表3 a1s64ad的性能規(guī)格
其中模擬輸出值(v)=最大分辨率(v)×數(shù)字輸入值，其中模擬輸出值為模塊向伺服控制器輸出的扭矩、轉(zhuǎn)速等控制電壓，而對應(yīng)的數(shù)字輸入值則通過plc程序內(nèi)部計(jì)算后得出。
在plc程序中的初始化模塊的語句如圖7所示。
圖7 plc程序中的初始化模塊的語句
其中h4為a1s68dav模塊在plc系統(tǒng)中的位置號，第1條指令是將16進(jìn)制數(shù)“00000000”放到模塊緩沖儲存期0#地址上，表示允許模擬輸出;第2條指令的是將16進(jìn)制數(shù)值“11111111”以組傳送的方式送到模塊的內(nèi)部y軟元件上(50為開始的y輸出編號)，表示1#～8#通道均允許d/a轉(zhuǎn)換數(shù)值輸出。
(2)a1s64ad模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊
伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號是通過plc系統(tǒng)中4通道a1s64ad模塊來轉(zhuǎn)換的，a1s64ad的性能規(guī)格如表3所示。其中數(shù)字輸出值(v)=最大分辨率(mv)×模擬輸入值，而模擬輸入值為伺服控制器將旋轉(zhuǎn)編碼器脈沖轉(zhuǎn)換后的電壓值，上表中當(dāng)電機(jī)速度為額定速度時，輸入到plc系統(tǒng)中的數(shù)字值為4000。
在plc程序中的初始化語句如圖8所示。
圖8 plc程序中的初始化的語句
其中h6為a1s64ad模塊在plc系統(tǒng)中的位置號，第1條指令是將16進(jìn)制數(shù)值“0011”放到模塊緩沖儲存區(qū)0#地址上，表示允許1#、2#通道a/d變換允許;第2條指令與第3條指令是將通道1#、2#的數(shù)值按20次進(jìn)<
