摘 要: 針對(duì)電線(xiàn)加塑生產(chǎn)過(guò)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(wèn)題，提出利用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)對(duì)張力進(jìn)行控制的方案。硬件設(shè)計(jì)以美國(guó)TI公司生產(chǎn)的TMS320LF2407A DSP芯片為主控單元，軟件設(shè)計(jì)是利用DSP 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境CCS 2.2，采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編譯的方法進(jìn)行控制程序的開(kāi)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(xiàn)加塑生產(chǎn)過(guò)程中，張力是一個(gè)極為重要的參數(shù)，卷取電機(jī)間電線(xiàn)所承受的張力為常數(shù)是生產(chǎn)過(guò)程處于平衡狀態(tài)的一個(gè)基本條件。任何因素對(duì)張力的影響而產(chǎn)生的波動(dòng)不僅會(huì)破壞本部分的平衡狀態(tài)，而且還會(huì)通過(guò)電線(xiàn)順流和逆流而影響整個(gè)系統(tǒng)的平衡狀態(tài)。因此，維持各卷取電機(jī)間張力恒定對(duì)加塑過(guò)程的順利進(jìn)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(hào)處理器(DSP)對(duì)電線(xiàn)加塑系統(tǒng)中張力進(jìn)行控制的方案，在張力控制的應(yīng)用中取得了較好的效果。
1 電線(xiàn)加塑生產(chǎn)張力系統(tǒng)的特點(diǎn)及控制方案
1.1 電線(xiàn)加塑生產(chǎn)中張力系統(tǒng)的特點(diǎn)
單芯裸銅線(xiàn)的加塑生產(chǎn)過(guò)程中，主牽引機(jī)帶動(dòng)裸銅線(xiàn)經(jīng)過(guò)擠塑機(jī)塑封上塑料，經(jīng)水冷、耐壓測(cè)試后由收線(xiàn)機(jī)收卷成盤(pán)?？刂品啪€(xiàn)、牽引和收線(xiàn)環(huán)節(jié)的恒張力運(yùn)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(xiàn)徑大小的變化、卷筒直徑的變化、放線(xiàn)電機(jī)、擠塑電機(jī)和收線(xiàn)電機(jī)速度的變化等，都會(huì)影響到系統(tǒng)的張力，影響產(chǎn)品質(zhì)量，因此有必要開(kāi)發(fā)一種實(shí)時(shí)、高效的控制系統(tǒng)。
1.2 張力控制策略 ?
線(xiàn)纜的張力主要取決于系統(tǒng)的卷取速度和主牽引速度。當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，主牽引速度達(dá)到設(shè)定值，張力只取決于卷取速度。當(dāng)系統(tǒng)變速運(yùn)行時(shí)，則通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)卷取機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)改變張力以達(dá)到控制要求。
要解決好張力控制問(wèn)題，采用傳統(tǒng)算法的張力閉環(huán)系統(tǒng)很難達(dá)到令人滿(mǎn)意的效果，因此，設(shè)計(jì)了電流、速度、張力三環(huán)變結(jié)構(gòu)串級(jí)控制系統(tǒng)。建張過(guò)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(guò)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(shí)，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(yùn)用模糊數(shù)學(xué)的基本理論方法，把有關(guān)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)模糊化[3]，控制器根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際響應(yīng)情況，通過(guò)模糊推理實(shí)現(xiàn)對(duì)控制量的實(shí)時(shí)調(diào)整，進(jìn)而得到很好的效果。通過(guò)模糊控制來(lái)提高系統(tǒng)的魯棒性[4]，從而消除參數(shù)變化帶來(lái)的張力波動(dòng)。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(shè)計(jì)
在上述控制策略的基礎(chǔ)上，本系統(tǒng)采用美國(guó)TI公司生產(chǎn)的電動(dòng)機(jī)專(zhuān)用控制芯片DSP TMS320LF2407A [5-6] 為主控單元，輔以相應(yīng)外圍設(shè)備，應(yīng)用智能控制技術(shù)和電力電子技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套卷取張力控制系統(tǒng)，總體硬件設(shè)計(jì)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(dòng)電路、張力檢測(cè)、電壓檢測(cè)、轉(zhuǎn)速檢測(cè)、電流檢測(cè)等。
2.1 信號(hào)采集
卷取電動(dòng)機(jī)的速度檢測(cè)裝置是測(cè)速發(fā)電機(jī)。測(cè)速發(fā)電機(jī)是模擬式速度傳感器，它將電動(dòng)機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)速變換成與其成正比的連續(xù)變化的電壓信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)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(yīng)變片式MCL-T2型張力傳感器(輸出范圍0～5 V對(duì)應(yīng)相應(yīng)的張力范圍是0～100 N)和電流檢測(cè)(使用TDC103LTA直流電流傳感器)的檢測(cè)信號(hào)都是模擬量,經(jīng)過(guò)接口電路送入DSP的ADC模塊，ADC模塊張力檢測(cè)電路原理圖如圖3所示,其他檢測(cè)環(huán)節(jié)與電流檢測(cè)相類(lèi)似。
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2.2 PWM驅(qū)動(dòng)電路
TMS320LF2407A自帶16路PWM波形輸出功能[7]，采樣信號(hào)送到DSP后，經(jīng)過(guò)處理產(chǎn)生一定占空比的PWM輸出, 通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制IGBT芯片的導(dǎo)通與關(guān)斷來(lái)控制直流卷取電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，從而達(dá)到恒張力控制的目的。本設(shè)計(jì)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(dòng)芯片采用富士電機(jī)公司生產(chǎn)的型號(hào)為EXB840高速型(最大40 kHz)驅(qū)動(dòng)器。驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。
3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
整個(gè)系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)在集成開(kāi)發(fā)調(diào)試環(huán)境CCS2.2下進(jìn)行，采用匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言混合編程。TMS320LF2407A通過(guò)事件管理器啟動(dòng)ADC模塊，獲得電壓信號(hào)并計(jì)算求得電流、張力和轉(zhuǎn)速等檢測(cè)量，經(jīng)控制算法計(jì)算后輸出PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)磁通、轉(zhuǎn)矩的控制，進(jìn)而實(shí)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(shí)器周期中斷程序中完成的。在控制程序中，建張階段對(duì)卷取電動(dòng)機(jī)進(jìn)行電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制時(shí)，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(duì)電線(xiàn)張力的調(diào)節(jié)控制中，卷取電動(dòng)機(jī)的電流每5 ms控制一次，電線(xiàn)張力每50 ms控制一次。同時(shí)，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(guò)流保護(hù)和過(guò)壓保護(hù)等功能。程序流程圖如圖5所示。
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4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論
對(duì)上述張力控制方案在“電線(xiàn)生產(chǎn)線(xiàn)自動(dòng)化控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)設(shè)定張力傳感器的目標(biāo)電壓值為2.7 V時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定后張力傳感器的輸出電壓信號(hào)如圖6所示。可以看出，電壓信號(hào)穩(wěn)定在目標(biāo)值2.7V處，穩(wěn)定誤差約為3 %。由此可見(jiàn)，本研究設(shè)計(jì)的張力系統(tǒng)有良好的穩(wěn)態(tài)性能，很好地滿(mǎn)足了生產(chǎn)的基本要求。
以上設(shè)計(jì)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(qiáng)、反應(yīng)靈敏、性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，在控制過(guò)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(guò)IGBT模塊來(lái)控制直流卷取電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電線(xiàn)張力的精確控制。為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)微小張力的恒張力控制提供了新思路。
參考文獻(xiàn)
[1] ?徐鶴賢.冷軋鋼帶張力及其控制工藝探討.特鋼技術(shù),2001（3）:12-17.
[2] ?安世奇. 簡(jiǎn)單自適應(yīng)控制的應(yīng)用研究[D]. 北京：北京科技大學(xué)，2005.
[3] ?諸靜.模糊控制原理與應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1995.
[4] ?肖佐無(wú)，劉任慶，肖愛(ài)武.模糊控制技術(shù)在砌塊養(yǎng)護(hù)窯中的應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)信息，2007(7):63-65.
[5] ?KAURA V, BLASKO V． Operation of a voltage source?converter at increased utility voltage． IEEE Trans on Power Electronics, 1997.
[6] ?張衛(wèi)寧.TMS320C2000系列DSPs原理及應(yīng)用.北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2002.
[7] ?江思敏. TMS320L F240×DSP硬件開(kāi)發(fā)教程.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003.