印刷機張力控制系統(tǒng)設計

摘要：基于印刷行業(yè)張力控制原理，分析了張力控制系統(tǒng)組成，并介紹了以STM32為主控芯片及外圍電路開發(fā)而成的閉環(huán)張力控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅控制精度高，響應速度快，而且操作簡單，有合理的PID控制功能，適用于多種印刷材料。它還可以計算出材料筒的直徑，使整個張力控制過程更為合理。
關鍵詞：張力控制；收卷；放卷；PID調(diào)節(jié)

    張力控制系統(tǒng)廣泛應用于印刷等輕工業(yè)領域中，在收取和放卷材料時，為保證生產(chǎn)的質量及效率，保持恒定的張力是很重要的。在印刷過程中或者是印刷完成之后，最后的一道工序一般就是將加工物卷繞成筒狀。在這一過程中，卷繞的好壞將是決定產(chǎn)品質量的關鍵，卷得太緊，容易使材料變形、拉斷，卷得太松又容易使材料不緊湊，不利于搬運和運輸，因而為了達到使卷繞緊湊，保證產(chǎn)品的質量，都要求在卷繞過程中，在材料上建立一定的張力，并保持張力為恒定值。有時恒定的張力值與材料卷繞的直徑必須保持對應關系，因為不同材料的柔韌度也各不相同，而當以固定張力卷繞比較柔的材料時，內(nèi)層材料就會被外層壓至變形。為了避免這種情況的發(fā)生，系統(tǒng)需要測量出卷繞材料的直徑，實時控制材料受到的張力。
    隨著印刷行業(yè)逐步結構化與系統(tǒng)化，對材料張力的控制有了越來越高的要求，由于印刷工藝流程各不相同，張力控制方法也就千差萬別。目前應用的張力控制系統(tǒng)，根據(jù)其測量控制的原理結構，主要有以下3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合張力控制系統(tǒng)。間接張力控制不需要安裝張力傳感器，降低了控制設備成本。然而間接張力控制只能滿足一般的張力控制要求，在實際應用中達不到令人滿意的精度；直接法張力控制雖然成本較高一些，但可以更為精確地完成控制過程，而且有極快的響應速度，這里采用的就是直接法張力控制。該系統(tǒng)設計是以STM32RTC6為主控芯片，運行時鐘頻率高達72 MHz。主控芯片集合了許多高性能外設資源，減少了相應電路的設計麻煩，正常工作電壓為3．3 V，具有很強的功耗控制功能。

1 張力控制系統(tǒng)組成
    在印刷行業(yè)中，為了達到生產(chǎn)的要求，經(jīng)常需要對一些帶狀的材料控制它們的張力，張力控制系統(tǒng)是一種由單片機或者一些嵌入式器件及外圍電路開發(fā)而成的系統(tǒng)。首先直接設定要求控制的張力值，讓張力傳感器采集的信號(一般為毫伏級別)作為張力反饋值，比較兩者的偏差后，經(jīng)內(nèi)部智能PID運算處理后，調(diào)節(jié)執(zhí)行機構，自動控制材料的放卷、中間引導及收卷的張力，達到系統(tǒng)響應最快的目的。在特殊的情況下，用戶也可以直接設定一定的輸出量給執(zhí)行機構(經(jīng)常為磁粉的電流量)。圖1為印刷機張力控制系統(tǒng)的基本環(huán)節(jié)。
1．1 張力的產(chǎn)生
    如圖1所示，先分析左邊材料放卷的情況，假設材料放出放卷軸的張力為T，其線速度為牽引輥的工作速度v1，放卷筒的線速度為v2，材料的橫截面積為S，設材料的彈性模量為E，從牽引輥到放卷筒的長度為L，t=L／v1為材料由牽引軸傳送到放卷筒的時間，根據(jù)胡克定律得：
   
    由此可知，若需控制張力，就必須控制牽引輥與放卷筒的速度差，可見張力控制系統(tǒng)實際上也是線速度跟蹤系統(tǒng)。材料的張力在控制過程是一個積分環(huán)節(jié)。一般情況下，在設備啟動時卷材的放卷速度是小于牽引軸的工作速度，以使材料中產(chǎn)生張力，當張力達到我們要求合適時，我們就穩(wěn)定材料的放卷速度，這樣，材料就可在此張力下穩(wěn)定運行了。材料的收卷過程也與此類似。我們控制速度的執(zhí)行機構為磁粉，放卷過程中，選用磁粉制動器，收卷過程中，則選用磁粉離合器。

1．2 張力的測量
    由圖1所示，張力的測量主要是通過張力傳感器獲得。為了準確測量材料的張力，材料必須以120的包角經(jīng)過張力傳感器上的滾軸。通過力的合成計算原理(平行四邊形原則)，張力傳感器上的所受的力則為材料的張力與滾軸的重力之和。我們通過計算方法去掉滾軸的重力信號，而采集到的張力信號參與后面的控制過程。

2 實現(xiàn)方案
2．1 硬件設計方案
    市場上張力傳感器，也叫壓力傳感器。根據(jù)測量的壓力而反饋電壓的量程范圍，它有兩種型號，分別叫應變式壓力傳感器和差動式壓力傳感器。應變式壓力傳感器的電壓量程通常為0～13 mV，而差動式壓力傳感器的電壓量程通常為0～150 mV。為了滿足用戶的不同選擇，信號放大電路中必須要有兩種放大倍數(shù)，使系統(tǒng)可以正常的運行。
    為了使采得的模擬電壓可以比較精確的放大，放大電路必須有較高的性能。毫伏信號的放大，必須有較高的共模制比、較低的線性誤差、低失調(diào)漂移增益等要求。一般的放大器都達不到這種要求，儀表放大器不僅具有以上較高的性能，而且它的閉環(huán)增益是由反相輸入端與輸出端之間連接的外部電阻決定。因此，這里采用了具有差分輸入的單端輸出的閉環(huán)增益儀表放大器件AD620AN。外接的閉環(huán)放大電阻則選精度為1％的兩個電阻，以實現(xiàn)兩種不用的放大倍數(shù)。然后用跳線帽開關選擇合適的放大倍數(shù)。
    ST公司的STM32是目前最流行的控制芯片，它使用的是ARM最新及先進的Cortex_M3內(nèi)核；在性能上，它不僅具有杰出的功耗控制功能，而且同時集成了多種有用外設，如：3個12位最高的1 MHz的ADC外設、兩個12位DAC、從256 K至512 K字節(jié)的大容量程序存儲器、64 K的SRAM等等；它的最高工作頻率可以達到72 MHz。在程序的設計方面，ST公司提供了一套完善的固件庫，將各個寄存器操作用函數(shù)封裝起來，操作方式非常規(guī)范，程序設計較其他控制芯片也就相對容易。在STM32眾多芯片型號中，STM32F103RCT6是最合適的一款，它不僅包含所有需求的外設，而且價格低廉。在張力控制過程中，實時采樣放大的模擬電壓量可以用12位高性能ADC轉變成相應的數(shù)字量，從角速度檢測器輸入的數(shù)字信號通過光電隔離器耦合接入控制器。角速度檢測器分為兩種，一種叫接近開關，另一種叫編碼開關，在滾軸轉動的過程中，滾軸上的齒使得它們有高低電平的數(shù)字量變化，而達到測量的效果。為了方便用戶操作，這里提供了良好的人機界面。首先，提供了按鍵與編碼器的組合的輸入方法；其次，用液晶顯示實測張力和設定張力，同時，數(shù)碼管還可以顯示當前的輸出百分比。
    在張力控制過程中，控制張力執(zhí)行單元為磁粉，磁粉分為兩種：一種叫磁粉離合器，另一種叫磁粉制動器，它們分別是用在卷材收卷和放卷的過程。磁粉通過萬向聯(lián)軸器與收卷筒和放卷筒相連，磁粉里填入的是微細鐵磁粉末。在額定扭矩下，磁粉的特性公式Ma=K*If(K為常數(shù)，If為接入的激磁電流)，由此可知，磁粉的扭矩與接入的激磁電流成線性關系。磁粉離合器有主動端和從動端，在沒有激磁電流的情況下，從動端不隨主動端轉動，在通有一定的激磁電流時，里面的磁粉磁化，將主動端的扭矩按照一定的比率耦合到從動端。磁粉離合器只有一個輸出軸，當沒有接入激磁電流時，磁粉沒有磁化，輸出軸的扭矩很大，而接入了激磁電流后，磁粉離合器的輸出軸就會有線性的扭矩輸出。
    市場上經(jīng)常用到的磁粉供電電壓在24 V左右，滿載電流可達4 A到6 A。這給恒流輸出電路提高了難度。STM32控制輸出的PWM波通過恒流模塊的放大供給磁粉工作。這里就必須用到耐壓36 V以上的場效應管，控制器輸出的PWM波也必須經(jīng)過一定的電壓和電流的放大才有能力控制場效應管的開斷。
2．2 軟件設計流程
    STM32芯片的軟件編寫，可以使用程序編寫軟件keil uvision4。keil uvision4不僅對Cortex_M3內(nèi)核有很好的支持，而且配置和使用也較為方便，同時還包含有STM32的固件庫函數(shù)。張力控制的軟件是整個控制過程的靈魂，在合理的硬件電路上，它主宰著所有的控制流程。當芯片上電工作時，我們必須把系統(tǒng)時鐘和一些需要用到的外設進行初始化。然后利用時間片輪轉的方式實時地控制輸入、輸出和顯示模塊。
    系統(tǒng)初始化是為芯片可以正常的工作做準備。這里首先要初始化系統(tǒng)的時鐘，把工作頻率由8 M(外接8 M石英晶體)倍頻到72 M，然后初始化內(nèi)部FLASH的讀寫權限，最后使能總線上用到外設的時鐘。使能外設定時器3，開啟PWM功能。
    由圖1可知，控制器要處理兩個外部輸入信號，一是測量角速度，我們可以通過測量滾軸旋轉一周所花的時間得到。這里使能了外部中斷和定時器2中斷，當滾軸轉動時，軸上面的齒會使角速度測量器反饋給控制器一個上升沿，在下一個上升沿來時，我們可以利用定時器2得到兩次上升沿經(jīng)過的時間，從而計算出滾軸的角速度。在給定了滾軸的直徑后，可以進一步推算出滾軸的線速度；二是測量張力，正確利用STM32控制器的外設ADC，首先要把硬件對應接入的GPIO引腳配置成模擬輸入模式。配置好ADC和DMA的工作模式，利用DMA功能把轉變成的數(shù)字量搬到固定的寄存器里，方便之后的數(shù)學運算。
    在完成輸入信號的讀取后，控制器要對張力采樣的信號進行數(shù)字濾波，然后與用戶設定的張力值作比較，通過PID調(diào)節(jié)，控制輸出PWM波。利用定時器2采集到的時間量結合用戶設定的滾軸直徑和材料厚度等參數(shù)可以推算出材料的長度。當收卷筒收到用戶需求時，如果開啟滿料報警，就可以提醒用戶更換卷筒了；同理，放卷時可以開啟少料報警。當測量的ADC數(shù)字量很小時，若開啟了零張力報警，可以提醒用戶工作異常。
    程序在運行時，我們可以在FLASH里開辟一段存儲空間，把用戶設定好的參數(shù)保存在這里，每次開機時，就可以先從這段存儲空間讀取參數(shù)，這樣系統(tǒng)就不僅可以準確運行，而且減少了很多設置麻煩。然而系統(tǒng)在運行時，也有可能會突然停電，這時必須可以保存卷徑(收卷簡或放卷簡的直徑)，下次開機時卷徑就不必從初始值計算。STM32帶有可編程電壓監(jiān)測器，這里可以開啟電壓監(jiān)測中斷功能，這樣就可以在掉電的瞬間利用片內(nèi)空白FLASH儲存當前卷徑。下表1為張力控制過程中用戶需設定的部分參數(shù)。

    從宏觀上，程序設置了3層頁面。最上一層是工作頁面，系統(tǒng)在正常運行時，處于該頁面；第二層是參數(shù)選擇頁面，用戶在這里選擇需要修改的參數(shù)；第三層就是參數(shù)修改頁面，用戶可利用編碼器修改參數(shù)的大小，編碼器旋轉的快慢對應著設定值變化的快慢，用戶也在這里對系統(tǒng)進行調(diào)零和定標。由于張力傳感器測量的是滾軸的重量和卷料的張力總和，而調(diào)零則是先測量滾軸的重量；定標則是利用已知重量的法碼掛在滾軸上得到的信號量，如此，就可以準確測量出卷料的張力。

3 張力控制過程
    如圖2所示，張力的控制過程可以分為四個階段：預備階段，啟動階段，運行階段，停機階段。t0以前為預備階段，t0到t1為啟動階段，t1到t2為運行階段，t2到t3為停機階段，t3時間過后系統(tǒng)又重新進入了預備階段，而T0為用戶設定張力。用戶可以通過設置表中的參數(shù)完成控制過程，預備階段可以說是等待階段，用戶此時要把卷料準備好，而系統(tǒng)有一定的預備輸出預熱磁粉。在滿足啟動條件時，系統(tǒng)就進入了啟動階段，這里有兩種啟動方法，一是電平啟動，即用戶可以用開關開啟系統(tǒng)；二是速度啟動，即當滾軸速度達到一定值時，系統(tǒng)自行進入啟動階段，用戶按需求設定的啟動輸出使設備開始運轉。經(jīng)過啟動時間，系統(tǒng)就進入運行階段，此時STM32控制器進行PID調(diào)節(jié)自動跟蹤，當所測張力調(diào)節(jié)到設定值時，輸出基本保持穩(wěn)定狀態(tài)。當卷材收取或放出完畢后，若是電平啟動，則可以關閉開關停機系統(tǒng)，若是速度啟動，則當速度降為設定值時自動停機。停機時的停機增益是指運行階段輸出值的增加倍數(shù)。

    除了以上自動張力控制外，還有另一個控制方法，即可以人為給定輸出值。人為給定輸出值是只在特殊情況下才會用到。然而做作為輸出的一種手段，也是必不可缺的功能。在張力控制過程中，也必須滿足在手動和自動的切換過程中，不會對輸出值有太大的變化，不然會至使卷料拉斷或松弛，造成巨大的損失。

4 結論
    基于STM32閉環(huán)張力控制系統(tǒng)可以精確的控制張力，在印刷等輕工業(yè)中有著非常廣闊的前景。它不僅在信號的采集時有較高的精度，在控制過程中也有極強的穩(wěn)定性和可靠性。在配置參數(shù)時也非常靈活，可以滿足多種用戶的需求。在精度要求高的張力控制系統(tǒng)中，值得推廣應用。