基于嵌入式微处理器的张力控制器

1 张力控制

包装机械如分切机、印刷机、复合机等在收卷和放卷过程中，卷材张力随卷材卷筒直径变化而变化。张力的大小在实际应用中还受其他因素影响，比如导辊的包角，静平衡等因素。张力太小，卷材易松弛产生横向飘移；张力太大则又会导致卷材表面起皱甚至断裂。因而在收、放卷过程中，保证生产的质量及效率，恒定的张力是很重要的[1][2]。

通常放卷轴采用被动方式,由下道工序的牵引辊将卷材从卷筒上拉出。为保持恒张力放卷,放卷筒常用磁粉制动器作为张力控制的执行元件[3]。磁粉制动器是利用电磁效应下的磁粉来传递转矩的,具有激磁电流和传递转矩成线性关系[4]。

卷材张力测量也有多种形式，图1是两种常用的张力测量方法。图1(a) 是利用称重传感器进行张力测量，为称重测量法。一般在受力辊的两端设有两个称重传感器。图1(b)中为角位移测量法，通常利用电感式角位移传感器间接进行张力的测量。一般在受力辊的一侧装有电感角位移传感器。采用称重法，传感器多为应变片桥路信号输出，后续电路要复杂一些；采用角位移测量法，传感器信号常采用标准信号如DC4-20mA恒流或DC0-10V/0-5V输出，后续电路较为简单。

传感器将检测到的卷材张力信号送入张力控制器,经放大、A/D变换后，将信号送入微处理器进行处理,微处理器根据设定值和检测值作比较运算后，输出恒流控制信号给磁粉制动器,控制磁粉制动器力矩的改变，进而控制收放卷轴之间的卷材张力保持恒定, 形成闭环的张力控制系统.

2 控制器硬件设计

根据张力控制原理可知，若采用称重法则需二路传感器信号输入和一路恒流控制信号输出。控制系统既需要A/D转换器, 也需要D/A转换器。为简化线路，降低成本，控制器选用了具有A/D和D/A转换器的嵌入式混合信号微处理芯片C8051F350，避免采用片外A/D和D/A转换器。

C8051F350MPU内部含有一个全差分24位Sigma-Delta A/D, 具有在片校准和抽取滤波器及内部电压基准和8种增益设置等多项功能。而D/A则可利用C8051F350的可编程计数阵列(PCA)的脉宽调制(PWM)功能, 16位转换精度，且便于光电隔离。

图2 应变片桥路传感器接口电路

Fig.2 strain gauge sensor interface circuit