張力控制,，通俗地講,，就是要控制卷取物體時(shí)保持物體相互拉長(zhǎng)或者繃緊的力。張力應(yīng)用于最廣泛的造紙,、纖維,、塑料薄膜、電線,、印刷品,、磁帶等輕工業(yè)中，帶材或線材的收放卷張力對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用,。在收卷和放卷的過(guò)程中,，為保證生產(chǎn)的質(zhì)量及效率，保持恒定的張力是很重要的,。
1 張力控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)介及基本原理
在冶金,、造紙、紡織等行業(yè)中,，在加工過(guò)程中或者是加工完成之后,，最后的一道工序一般就是將加工物卷繞成筒狀。在這一過(guò)程中,，卷繞的好壞將是決定產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵,，卷的太緊，容易使織物變形,，拉斷,，卷的太松又容易使卷取不緊湊，不利于搬運(yùn)和運(yùn)輸,，因而為了達(dá)到使卷繞緊湊,，保證產(chǎn)品的質(zhì)量,，都要求在卷繞過(guò)程中，在織物上建立一定的張力,，并保持張力為一恒定值,，能夠?qū)崿F(xiàn)這一功能的系統(tǒng)，就叫做張力控制系統(tǒng),。目前應(yīng)用的張力控制系統(tǒng),，根據(jù)其測(cè)量控制的原理結(jié)構(gòu)主要有三種：間接法張力控制系統(tǒng)；直接法張力控制系統(tǒng),；兼有間接法和直接法的復(fù)合張力控制系統(tǒng),。
從控制方式上分類，張力控制一般可以分為手動(dòng),、半自動(dòng),、全自動(dòng)三類；卷徑控制方式可自動(dòng)檢測(cè)卷徑從而對(duì)張力的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整,、補(bǔ)償,，實(shí)現(xiàn)張力的恒定。卷徑控制方式屬于半自動(dòng)控制方式,，其突出特點(diǎn)就是省去了價(jià)格相對(duì)昂貴的張力傳感器，安裝簡(jiǎn)單,，而且能很方便的獲得錐度張力控制,，特別適用于冶金、印刷,、包裝,、造紙、印染等行業(yè)的分切及收卷機(jī)器設(shè)備,。圖1為收放卷的原理圖,。
圖1中，R0為放卷軸半徑,；Rx為放卷材料半徑,；R1為收卷驅(qū)動(dòng)軸半徑；V為卷材運(yùn)行的線速度,。
當(dāng)卷軸轉(zhuǎn)速恒定時(shí),，張力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩F·Rx與磁粉制動(dòng)器產(chǎn)生的制動(dòng)力矩相等。因此如維持F恒定不變,，則只需檢測(cè)放卷軸與驅(qū)動(dòng)主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度,，計(jì)算出Rx，通過(guò)控制磁粉制動(dòng)器的制動(dòng)電流,，便可以實(shí)現(xiàn)放卷軸的恒張力控制,。其中,，脈沖信號(hào)是通過(guò)安裝于旋轉(zhuǎn)軸上的接近開(kāi)關(guān)或者是旋轉(zhuǎn)編碼器獲得(本設(shè)計(jì)采用接近開(kāi)關(guān))，單片機(jī)通過(guò)計(jì)數(shù)這一脈沖信號(hào)的頻率就可以準(zhǔn)確的計(jì)算出需要檢測(cè)軸的角速度,，由于兩滾動(dòng)軸上線速度的相等,，因此可以求得：
式中：ω1為收卷驅(qū)動(dòng)軸的角速度；ω0為放卷軸的角速度,；K為磁粉制動(dòng)器的特性系數(shù),。
2 接近開(kāi)關(guān)的應(yīng)用
接近開(kāi)關(guān)屬于一種有開(kāi)關(guān)量輸出的位置傳感器，根據(jù)工作原理的不同分為電容式和電感式,。接近開(kāi)關(guān)的基本原理框圖如圖2所示,。
在該設(shè)計(jì)中，采用電感式接近開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)放卷軸和主軸旋轉(zhuǎn)角速度的精確測(cè)量,。兩個(gè)接近開(kāi)關(guān)對(duì)放卷軸和收卷驅(qū)動(dòng)軸角速度的檢測(cè),，用于產(chǎn)生脈沖方波信號(hào)，經(jīng)過(guò)光電隔離開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)化為單片機(jī)可以讀取的電平脈沖信號(hào),。
3 張力控制的執(zhí)行部件磁粉制動(dòng)器
在張力控制系統(tǒng)中,，磁粉制動(dòng)器由于其體積小、重量輕,、激磁功率小且具有良好的控制特性,，因而得到了廣泛的應(yīng)用。磁粉制動(dòng)器轉(zhuǎn)矩和激勵(lì)電流的關(guān)系一般都稱作為靜特性,。它是磁粉制動(dòng)器主動(dòng)端轉(zhuǎn)速n恒定,，從動(dòng)端制動(dòng)時(shí)，磁粉制動(dòng)器的激勵(lì)電流和輸出轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系,。轉(zhuǎn)矩電流特性曲線如圖3所示,。
由圖3可知，磁粉制動(dòng)器的轉(zhuǎn)矩曲線可以分為三個(gè)部分：非線性段,、線性段和飽和段,。磁粉制動(dòng)器具有良好的恒轉(zhuǎn)矩特性，并且磁粉制動(dòng)器輸出轉(zhuǎn)矩與磁粉線圈激勵(lì)電流優(yōu)良的線性關(guān)系,，只要線性調(diào)節(jié)激勵(lì)電流,，便能實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)張力的動(dòng)態(tài)控制，并且磁粉制動(dòng)器在轉(zhuǎn)速很低的情況下性能也十分穩(wěn)定,。磁粉制動(dòng)器在卷取張力控制系統(tǒng)的應(yīng)用,，如圖4所示用磁粉制動(dòng)器控制張力的方案較以往的控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、執(zhí)行單元成本低,、容易控制的特點(diǎn),，特別是實(shí)際張力的大小通過(guò)電流直接調(diào)節(jié)，改變了其他調(diào)節(jié)裝置的手工操作過(guò)程,，使得操作簡(jiǎn)單,、準(zhǔn)確,。增加動(dòng)態(tài)電流補(bǔ)償環(huán)節(jié)有利于進(jìn)一步提高產(chǎn)品質(zhì)量。
4 單片機(jī)張力控制系統(tǒng)
4．1 系統(tǒng)功能概述
(1)檢測(cè)放卷機(jī)的角速度和卷取機(jī)的角速度,、線速度,、半徑4個(gè)參數(shù)，用數(shù)碼管顯示各參數(shù)檢測(cè)結(jié)果,。
(2)若參數(shù)檢測(cè)結(jié)果超過(guò)上下限,，實(shí)現(xiàn)報(bào)警。
(3)根據(jù)檢測(cè)到的各參數(shù),，通過(guò)設(shè)計(jì)的控制算法運(yùn)算后,，輸出控制值，作為晶閘管的觸發(fā)脈沖回路的輸入電壓,，以控制執(zhí)行元件磁粉制動(dòng)器的轉(zhuǎn)矩,。
(4)建立實(shí)時(shí)時(shí)鐘，并用數(shù)碼管顯示時(shí)鐘,。
(5)通過(guò)按不同的功能鍵,，進(jìn)行人機(jī)對(duì)話，實(shí)現(xiàn)各種操作的功能,。
4．2 系統(tǒng)硬件框圖
系統(tǒng)硬件框圖如圖5所示,。
4．3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包含以下幾個(gè)方面：
(1)實(shí)現(xiàn)各種初始化，包括AVR芯片的初始化,、定時(shí)器／計(jì)數(shù)器O初始化,、時(shí)鐘初值輸入以及開(kāi)中斷、定時(shí)器／計(jì)數(shù)器啟動(dòng)等,。
(2)實(shí)現(xiàn)顯示(按照人機(jī)對(duì)話功能顯示時(shí)鐘或各種不同參數(shù))。
(3)不斷地進(jìn)行鍵掃描,，判斷是否有鍵按下,，如無(wú)鍵按下，則返回顯示,；如有鍵按下,，則根據(jù)所按鍵實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的人機(jī)對(duì)話功能。
主程序系統(tǒng)流程圖如圖6所示,。
5 結(jié)語(yǔ)
本文介紹了張力控制系統(tǒng)的基本概念,，實(shí)現(xiàn)的基本方式，以及對(duì)作為主要執(zhí)行部件的磁粉制動(dòng)器的基本原理和工作特性進(jìn)行研究,，隨后采取基于半徑檢測(cè)的間接張力控制技術(shù),，進(jìn)行了單片機(jī)張力自動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。實(shí)踐證明,，該系統(tǒng)具有良好的抗干擾性能,，能夠較好地完成控制效果,，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。