摘 要: 針對電線加塑生產(chǎn)過程中張力系統(tǒng)中存在的加塑不均勻、銅芯易被拉斷或堆擠等問題，提出利用數(shù)字信號處理器(DSP)對張力進行控制的方案。硬件設計以美國TI公司生產(chǎn)的TMS320LF2407A DSP芯片為主控單元，軟件設計是利用DSP 集成開發(fā)環(huán)境CCS 2.2，采用C語言和匯編語言混合編譯的方法進行控制程序的開發(fā)，在控制策略上采用模糊變結(jié)構(gòu)控制。
關(guān)鍵詞: 張力控制； 模糊變結(jié)構(gòu)控制； DSP
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在電線加塑生產(chǎn)過程中，張力是一個極為重要的參數(shù)，卷取電機間電線所承受的張力為常數(shù)是生產(chǎn)過程處于平衡狀態(tài)的一個基本條件。任何因素對張力的影響而產(chǎn)生的波動不僅會破壞本部分的平衡狀態(tài)，而且還會通過電線順流和逆流而影響整個系統(tǒng)的平衡狀態(tài)。因此，維持各卷取電機間張力恒定對加塑過程的順利進行及提高產(chǎn)品質(zhì)量有重要的意義[1]。本文提出利用數(shù)字信號處理器(DSP)對電線加塑系統(tǒng)中張力進行控制的方案，在張力控制的應用中取得了較好的效果。
1 電線加塑生產(chǎn)張力系統(tǒng)的特點及控制方案
1.1 電線加塑生產(chǎn)中張力系統(tǒng)的特點
單芯裸銅線的加塑生產(chǎn)過程中，主牽引機帶動裸銅線經(jīng)過擠塑機塑封上塑料，經(jīng)水冷、耐壓測試后由收線機收卷成盤。控制放線、牽引和收線環(huán)節(jié)的恒張力運行，才能保證加塑均勻、銅芯不被拉斷或堆擠，卷取排列整齊、松緊適度。由于線徑大小的變化、卷筒直徑的變化、放線電機、擠塑電機和收線電機速度的變化等，都會影響到系統(tǒng)的張力，影響產(chǎn)品質(zhì)量，因此有必要開發(fā)一種實時、高效的控制系統(tǒng)。
1.2 張力控制策略 ?
線纜的張力主要取決于系統(tǒng)的卷取速度和主牽引速度。當系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，主牽引速度達到設定值，張力只取決于卷取速度。當系統(tǒng)變速運行時，則通過實時調(diào)節(jié)卷取機轉(zhuǎn)速來改變張力以達到控制要求。
要解決好張力控制問題，采用傳統(tǒng)算法的張力閉環(huán)系統(tǒng)很難達到令人滿意的效果，因此，設計了電流、速度、張力三環(huán)變結(jié)構(gòu)串級控制系統(tǒng)。建張過程中投入速度調(diào)節(jié)器，系統(tǒng)為轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，PID型調(diào)節(jié)律，通過控制轉(zhuǎn)速間接控制張力，屬于間接張力控制系統(tǒng)；建張完成后，即張力偏差小于15%時，張力環(huán)投入工作，形成張力電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，并引入模糊控制策略，系統(tǒng)為直接張力控制系統(tǒng)[2]。模糊控制運用模糊數(shù)學的基本理論方法，把有關(guān)系統(tǒng)的評價指標模糊化[3]，控制器根據(jù)系統(tǒng)的實際響應情況，通過模糊推理實現(xiàn)對控制量的實時調(diào)整，進而得到很好的效果。通過模糊控制來提高系統(tǒng)的魯棒性[4]，從而消除參數(shù)變化帶來的張力波動。系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。
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2 系統(tǒng)的硬件設計
在上述控制策略的基礎上，本系統(tǒng)采用美國TI公司生產(chǎn)的電動機專用控制芯片DSP TMS320LF2407A [5-6] 為主控單元，輔以相應外圍設備，應用智能控制技術(shù)和電力電子技術(shù)，設計了一套卷取張力控制系統(tǒng)，總體硬件設計結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)硬件部分主要包括：整流裝置、功率驅(qū)動電路、張力檢測、電壓檢測、轉(zhuǎn)速檢測、電流檢測等。
2.1 信號采集
卷取電動機的速度檢測裝置是測速發(fā)電機。測速發(fā)電機是模擬式速度傳感器，它將電動機的機械轉(zhuǎn)速變換成與其成正比的連續(xù)變化的電壓信號，該信號經(jīng)過電壓傳感器SPT604和接口電路送入DSP的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊(ADC模塊)。電阻應變片式MCL-T2型張力傳感器(輸出范圍0～5 V對應相應的張力范圍是0～100 N)和電流檢測(使用TDC103LTA直流電流傳感器)的檢測信號都是模擬量,經(jīng)過接口電路送入DSP的ADC模塊，ADC模塊張力檢測電路原理圖如圖3所示,其他檢測環(huán)節(jié)與電流檢測相類似。
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2.2 PWM驅(qū)動電路
TMS320LF2407A自帶16路PWM波形輸出功能[7]，采樣信號送到DSP后，經(jīng)過處理產(chǎn)生一定占空比的PWM輸出, 通過驅(qū)動電路控制IGBT芯片的導通與關(guān)斷來控制直流卷取電機的轉(zhuǎn)矩，從而達到恒張力控制的目的。本設計絕緣柵雙極性晶體管(IGBT) 選用三菱公司生產(chǎn)的CT 30SM-12型IGBT模塊(額定電壓600V，額定電流30A)，其柵極驅(qū)動芯片采用富士電機公司生產(chǎn)的型號為EXB840高速型(最大40 kHz)驅(qū)動器。驅(qū)動電路如圖4所示。
3 系統(tǒng)的軟件設計
整個系統(tǒng)的軟件開發(fā)在集成開發(fā)調(diào)試環(huán)境CCS2.2下進行，采用匯編語言和C語言混合編程。TMS320LF2407A通過事件管理器啟動ADC模塊，獲得電壓信號并計算求得電流、張力和轉(zhuǎn)速等檢測量，經(jīng)控制算法計算后輸出PWM信號驅(qū)動直流電動機，實現(xiàn)對磁通、轉(zhuǎn)矩的控制，進而實現(xiàn)恒張力控制。
卷取張力系統(tǒng)的所有控制都是在DSP TMS320LF2407A的定時器周期中斷程序中完成的。在控制程序中，建張階段對卷取電動機進行電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制時，電流每5 ms控制一次，速度每50 ms控制一次。在建張完成后對電線張力的調(diào)節(jié)控制中，卷取電動機的電流每5 ms控制一次，電線張力每50 ms控制一次。同時，為了得到性能穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，在程序中加入了限速、過流保護和過壓保護等功能。程序流程圖如圖5所示。
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4 實驗結(jié)果及結(jié)論
對上述張力控制方案在“電線生產(chǎn)線自動化控制系統(tǒng)實驗平臺”上進行實驗。實驗設定張力傳感器的目標電壓值為2.7 V時，系統(tǒng)穩(wěn)定后張力傳感器的輸出電壓信號如圖6所示?？梢钥闯?，電壓信號穩(wěn)定在目標值2.7V處，穩(wěn)定誤差約為3 %。由此可見，本研究設計的張力系統(tǒng)有良好的穩(wěn)態(tài)性能，很好地滿足了生產(chǎn)的基本要求。
以上設計的張力控制硬件系統(tǒng), 以TMS2320LF2407A為主控制芯片，具有結(jié)構(gòu)緊湊、抗干擾能力強、反應靈敏、性價比高等優(yōu)點，在控制過程中取得了良好的效果；軟件方面采用模糊變結(jié)構(gòu)法控制DSP輸出可變占空比的PWM，并通過IGBT模塊來控制直流卷取電機，實現(xiàn)了對電線張力的精確控制。為進一步實現(xiàn)微小張力的恒張力控制提供了新思路。
參考文獻
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