基于嵌入式微處理器的張力控制器

1 張力控制

包裝機械如分切機、印刷機、復合機等在收卷和放卷過程中，卷材張力隨卷材卷筒直徑變化而變化。張力的大小在實際應用中還受其他因素影響，比如導輥的包角，靜平衡等因素。張力太小，卷材易松弛產生橫向飄移；張力太大則又會導致卷材表面起皺甚至斷裂。因而在收、放卷過程中，保證生產的質量及效率，恒定的張力是很重要的[1][2]。

通常放卷軸采用被動方式,由下道工序的牽引輥將卷材從卷筒上拉出。為保持恒張力放卷,放卷筒常用磁粉制動器作為張力控制的執行元件[3]。磁粉制動器是利用電磁效應下的磁粉來傳遞轉矩的,具有激磁電流和傳遞轉矩成線性關系[4]。

卷材張力測量也有多種形式，圖1是兩種常用的張力測量方法。圖1(a) 是利用稱重傳感器進行張力測量，為稱重測量法。一般在受力輥的兩端設有兩個稱重傳感器。圖1(b)中為角位移測量法，通常利用電感式角位移傳感器間接進行張力的測量。一般在受力輥的一側裝有電感角位移傳感器。采用稱重法，傳感器多為應變片橋路信號輸出，后續電路要復雜一些；采用角位移測量法，傳感器信號常采用標準信號如DC4-20mA恒流或DC0-10V/0-5V輸出，后續電路較為簡單。

傳感器將檢測到的卷材張力信號送入張力控制器,經放大、A/D變換后，將信號送入微處理器進行處理,微處理器根據設定值和檢測值作比較運算后，輸出恒流控制信號給磁粉制動器,控制磁粉制動器力矩的改變，進而控制收放卷軸之間的卷材張力保持恒定, 形成閉環的張力控制系統.

2 控制器硬件設計

根據張力控制原理可知，若采用稱重法則需二路傳感器信號輸入和一路恒流控制信號輸出。控制系統既需要A/D轉換器, 也需要D/A轉換器。為簡化線路，降低成本，控制器選用了具有A/D和D/A轉換器的嵌入式混合信號微處理芯片C8051F350，避免采用片外A/D和D/A轉換器。

C8051F350MPU內部含有一個全差分24位Sigma-Delta A/D, 具有在片校準和抽取濾波器及內部電壓基準和8種增益設置等多項功能。而D/A則可利用C8051F350的可編程計數陣列(PCA)的脈寬調制(PWM)功能, 16位轉換精度，且便于光電隔離。

圖2 應變片橋路傳感器接口電路

Fig.2 strain gauge sensor interface circuit