摘要：本文主要介紹我司的張力專用伺服，針對(duì)目前各行業(yè)中出現(xiàn)的張力控制難題，剖析不同模式下張力的控制原理和特點(diǎn)，為客戶提供成熟可靠的解決方案。

關(guān)鍵詞：專用伺服；張力控制

一、 張力系統(tǒng)介紹

(一) 張力系統(tǒng)功能

庸博張力伺服系統(tǒng)是針對(duì)各行各業(yè)及張力控制的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)專門設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)而高性能的專用伺服，采用多種控制方式，滿足張力高水平控制。

適用于對(duì)張力要求比較高的工況場合，比如材料薄易變形的、要求小張力控制力的、張力穩(wěn)定性要求高的。廣泛應(yīng)用在塑料、印刷、復(fù)合、涂布、制袋、鍍膜等必須對(duì)材料進(jìn)行復(fù)卷作業(yè)或檢品作業(yè)行業(yè)。如：品檢復(fù)卷機(jī)、分條機(jī)、覆膜機(jī)、印刷機(jī)、模切機(jī)、紡織機(jī)、印染設(shè)備、包裝機(jī)、造紙?jiān)O(shè)備等。

(二) 張力系統(tǒng)特點(diǎn)

1. 控制穩(wěn)定，加減速無任何抖動(dòng)，保證張力穩(wěn)定；

2. 可準(zhǔn)確控制收卷錐度，避免“菜心”形收卷；

3. 張力控制精度高，最優(yōu)精度可控制在0.1kg左右；

4. 具有三大模式實(shí)現(xiàn)恒張力控制，系統(tǒng)簡單靈活高效，精準(zhǔn)度高。

二、 張力系統(tǒng)架構(gòu)

張力系統(tǒng)主要組成部分有：張力檢測單元、張力控制運(yùn)算單元、張力錐度控制單元、伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)。對(duì)張力的控制有三種途徑，一種是控制電機(jī)的扭矩，一種是控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，一種是位置模式實(shí)現(xiàn)張力。

(一) 開環(huán)扭矩控制模式

1. 控制原理

圖2-1開環(huán)扭矩模式

開環(huán)扭矩控制模式?jīng)]有張力反饋信號(hào)，伺服通過輸出恒定的扭矩達(dá)到控制張力的目的（如圖2-1）。根據(jù)公式F=T/R（其中F為材料張力，T為收卷軸的扭矩，R為收卷的半徑），可以看出，當(dāng)系統(tǒng)需要恒定的張力時(shí)，只要根據(jù)材料卷徑的變化，控制伺服電機(jī)輸出扭矩的大小即可達(dá)到目的。

2. 相關(guān)參數(shù)設(shè)定

1) 張力設(shè)定部分：用以設(shè)定張力，實(shí)際使用中張力的設(shè)定值應(yīng)與所用材料、卷曲成型的要求等實(shí)際情況相對(duì)應(yīng)，需由使用者設(shè)定。張力錐度可以控制張力隨卷徑增加而遞減，用于改善收卷成型的效果。

2) 卷徑計(jì)算部分：用于計(jì)算或獲得卷徑信息，如果用線速度計(jì)算卷徑需用到線速度輸入功能部分，如果用厚度累計(jì)計(jì)算卷徑需用到厚度累計(jì)計(jì)算卷徑相關(guān)參數(shù)功能部分。

3) 扭矩補(bǔ)償部分：電機(jī)的輸出扭矩在加減速時(shí)有一部分要用來克服收（放）卷輥的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，伺服中關(guān)于慣量補(bǔ)償部分可以通過適當(dāng)?shù)膮?shù)設(shè)置自動(dòng)地根據(jù)加減速速率進(jìn)行扭矩補(bǔ)償，使系統(tǒng)在加減速過程中仍獲得穩(wěn)定的張力。摩擦補(bǔ)償可以克服系統(tǒng)阻力對(duì)張力產(chǎn)生的影響。

(二) 閉環(huán)扭矩模式

1. 控制原理

張力伺服控制系統(tǒng)中所用的張力檢測單元一般為張力傳感器式和浮輥式兩種。

張力系統(tǒng)運(yùn)行過程中往往伴隨的張力的變化，張力傳感器能夠檢測到系統(tǒng)的張力變化并與設(shè)定張力進(jìn)行比較，實(shí)時(shí)調(diào)控伺服的電機(jī)的扭矩輸出，使系統(tǒng)張力保持穩(wěn)定。（如圖2-2）。張力傳感器主要通過感應(yīng)材料形變產(chǎn)生的力的大小轉(zhuǎn)換成電壓大小，但是由于傳感器受自身重力的影響，其初始狀態(tài)也會(huì)有一定的電壓輸出，因此在調(diào)機(jī)過程中應(yīng)正確設(shè)定張力傳感器的偏置值以及量程，根據(jù)確定的量程以及所需的張力大小設(shè)定張力傳感器設(shè)定值百分比。由于張力傳感器是通過感應(yīng)材料形變來檢測張力大小，所以當(dāng)材料張力變化較大，特別是在不斷啟?；蚣訙p速時(shí)，系統(tǒng)可能由于響應(yīng)不及時(shí)，導(dǎo)致材料的張力波動(dòng)震蕩，通過添加緩沖機(jī)構(gòu)可以減小其變化幅值，使系統(tǒng)更穩(wěn)定。

圖2-2閉環(huán)扭矩控制

2. 相關(guān)參數(shù)設(shè)定

1) 張力設(shè)定部分：用以設(shè)定張力，實(shí)際使用中張力的設(shè)定值應(yīng)與所用材料、卷曲成型的要求等實(shí)際情況相對(duì)應(yīng)，需由使用者設(shè)定。設(shè)定值對(duì)應(yīng)張力傳感器的擺動(dòng)位置。

2) 電壓標(biāo)定部分：用于標(biāo)定張力傳感器經(jīng)放大器放大后的電壓滿量程值，使得輸入電壓最大值對(duì)應(yīng)張力閉環(huán)控制輸出力矩最大值。

3) PID補(bǔ)償部分：P—比例控制系統(tǒng)的響應(yīng)快速性，快速作用于輸出；I—積分控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，消除過去的累積誤差；D—微分控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，具有超前控制作用。

(三) 閉環(huán)速度/位置模式

1. 控制原理

如圖2-3所示，通過調(diào)節(jié)氣缸的氣壓可以設(shè)定浮動(dòng)輥對(duì)卷料的拉力值F1，氣壓設(shè)定后通過調(diào)節(jié)浮動(dòng)輥位置也可以調(diào)節(jié)F1大小，但是一般將浮動(dòng)輥調(diào)節(jié)至豎直狀態(tài)保證卷料對(duì)浮動(dòng)輥的兩個(gè)拉力F保持水平，此時(shí)系統(tǒng)保持平衡。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生干擾或者張力變化時(shí)，浮動(dòng)輥偏離原來的位置，在不考慮浮動(dòng)輥重力干擾的情況下，電位器輸出誤差信號(hào)可以反映張力F的變化大小，作為反饋信號(hào)輸入伺服，通過張力伺服系統(tǒng)PID控制，控制電機(jī)頻率響應(yīng)系統(tǒng)變化使浮動(dòng)輥回到原來的位置。當(dāng)系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，當(dāng)發(fā)生較強(qiáng)擾動(dòng)時(shí)，由于系統(tǒng)延遲會(huì)導(dǎo)致瞬間來不及發(fā)生反應(yīng)，則卷料上的張力波動(dòng)可暫時(shí)因浮動(dòng)輥的偏擺而得到有效緩解。在某些機(jī)構(gòu)中，圖2-3中的氣缸可由彈簧及阻尼機(jī)構(gòu)替換，從而演化為圖2-4所示的模式。

圖2-3氣壓浮輥式張力檢測方式

圖2-4電位器浮輥式張力檢測方式

以上兩種模式也在閉環(huán)扭矩模式下代替張力傳感器。

速度控制模式是指伺服根據(jù)主軸反饋信號(hào)調(diào)節(jié)輸出頻率得到表面線速度，通過控制電機(jī)角速度和實(shí)時(shí)半徑維持表面線速度從而達(dá)到恒張力效果。

該控制模式的原理是通過材料線速度與實(shí)際卷徑計(jì)算一個(gè)匹配頻率設(shè)定值f1，再通過張力（位置）反饋信號(hào)進(jìn)行PID運(yùn)算產(chǎn)生一個(gè)頻率調(diào)整值f2，最終頻率輸出為f=f1+f2。f1可以基本使收（放）卷輥的線速度與材料線速度基本匹配，然后f2部分只需稍微調(diào)整即可滿足控制需求，很好地解決了閉環(huán)控制中響應(yīng)快速性和控制穩(wěn)定性地矛盾。

這種模式下，張力設(shè)定部分無效，在用位置信號(hào)（如張力擺桿、浮動(dòng)輥）做反饋時(shí)，改變?cè)O(shè)定值（PID給定）不一定能夠改變實(shí)際張力的大小，改變張力的大小需要更改機(jī)械上的配置如張力擺桿或浮動(dòng)輥的配重。

閉環(huán)速度與閉環(huán)位置模式的區(qū)別：

閉環(huán)速度模式通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)速來達(dá)到與主軸實(shí)現(xiàn)同步，閉環(huán)位置模式是通過檢測主軸走了多少長度，伺服帶動(dòng)電機(jī)也收或者放相應(yīng)長度。

2. 相關(guān)參數(shù)設(shè)定

1) PID部分：P—比例控制系統(tǒng)的響應(yīng)快速性，快速作用于輸出；I—積分控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，消除過去的累積誤差；D—微分控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，具有超前控制作用。

2) 線速度輸入部分：這部分比較重要，有兩個(gè)作用，一是通過線速度計(jì)算伺服的匹配頻率（見上面的描述），二是可通過線速度計(jì)算卷徑。

3) 卷徑計(jì)算部分：計(jì)算實(shí)際卷徑，伺服獲取線速度和實(shí)際卷徑后可以獲取伺服的匹配頻率。當(dāng)用線速度計(jì)算卷徑時(shí)，若伺服算得的卷徑與實(shí)際卷徑有偏差，說明線速度輸入有偏差，通過卷徑計(jì)算結(jié)果可以修正線速度輸入。

4) 第二組PID參數(shù)部分：當(dāng)只用一組PID參數(shù)無法滿足全程的控制效果時(shí)，可以利用第二組PID參數(shù)，實(shí)時(shí)切換PID參數(shù)，這樣在全程就能都達(dá)到較好效果。

三、系統(tǒng)組成

圖3-1張力系統(tǒng)

(一) 張力專用伺服

專用驅(qū)動(dòng)器內(nèi)置張力專用算法，可選擇接收來源主軸編碼器脈沖，根據(jù)接收到的脈沖及事先規(guī)劃好電機(jī)扭矩或速度，進(jìn)行張力動(dòng)作。驅(qū)動(dòng)器的選型要根據(jù)外部機(jī)械系統(tǒng)的實(shí)際情況選型，匹配相應(yīng)功率的電機(jī)。驅(qū)動(dòng)器使用時(shí)，要考慮制動(dòng)電阻功率大小，如果內(nèi)置制動(dòng)電阻功率不能滿足要求，應(yīng)外接制動(dòng)電阻。

(二) 伺服電機(jī)

伺服電機(jī)由伺服驅(qū)動(dòng)器控制。在系統(tǒng)中，電機(jī)選型不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)控制性能差，易引起機(jī)械抖動(dòng)。電機(jī)選型主要考慮系統(tǒng)的扭矩、慣量和線速度三要素。其中，扭矩：機(jī)械加減速過程中的峰值扭矩不超過電機(jī)峰值扭矩的80%，長時(shí)間運(yùn)行的有效扭矩不超過電機(jī)額定扭矩的80%，瞬時(shí)扭矩曲線在過載曲線內(nèi)；慣量：小于等于750W電機(jī)，推薦負(fù)載慣量比在10倍以下，其他較大功率推薦負(fù)載慣量比在5倍以下，如果對(duì)定位速度要求較高，還要降低負(fù)載慣量比，推薦在3倍以下；線速度：機(jī)械勻速運(yùn)行的最高轉(zhuǎn)速小于電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，瞬間轉(zhuǎn)速小于電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速，推薦系統(tǒng)運(yùn)行于最高線速度時(shí)，伺服電機(jī)對(duì)應(yīng)額定轉(zhuǎn)速，因?yàn)殡姍C(jī)工作在額定轉(zhuǎn)速時(shí)，才能把伺服電機(jī)性能發(fā)揮出來。

(三) 傳感器

傳感器部分包括張力傳感器和超聲波傳感器。當(dāng)使用閉環(huán)控制模式時(shí)，使用浮輥式或壓力式傳感器反饋單前張力大小，需要注意的是在使用前需要根據(jù)傳感器對(duì)模擬量進(jìn)行標(biāo)定。當(dāng)有使用糾偏裝置時(shí)需要用到超聲波傳感器，通過超聲波感應(yīng)卷料的位置，控制放卷或收卷軸前后移動(dòng)，確保卷料位置不跑偏。

圖3-2浮輥式張力檢測裝置

圖3-3糾偏裝置

(四) 主軸編碼器

主軸編碼器主要用來反饋主軸速度和主軸位置，主軸編碼器的分辨率選擇由系統(tǒng)精度要求決定。如：主軸編碼器線數(shù)為2000線，編碼器外周為200mm，其測量理論精度為(200/2000)*2=0.2mm，能滿足±0.1mm的精度要求，但不適用于±0.1mm以下的精度要求。

(五) 觸摸屏

觸摸屏主要用來給驅(qū)動(dòng)器設(shè)定參數(shù)（如：張力設(shè)置值、凸輪曲線相關(guān)參數(shù)等），控制驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行使能、點(diǎn)動(dòng)和回歸回原功能，以及輔助監(jiān)控功能。

圖3-3張力系統(tǒng)觸摸屏