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磁粉制动器驱动的硬件控制平台 |
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在诸如塑料薄膜、丝织物、电线电缆、金属箔带及纸品加工生产过程中,其共性问题之一是将经前 道工序加工的已卷绕在卷料筒中的带材 (或线材) 以恒张力放卷出来,以供后续工序做进一步的加工 处理。在此类生产设备中,放卷轴常采用被动式,即 由下道工序的牵引辊将卷绕物从卷料筒中拉出,为 完成恒张力放卷控制,放卷轴常用磁粉制动器作为 张力控制的执行元件。
由于磁粉制动器本身存在较大的电磁惯性,使 得其在高速 /min)的带材、线材生产过程控制中的动态性能难以满足要求,所以,提高磁粉制动 器的快速响应能力具有重要作用。 本研究探讨了磁粉制动器快速驱动式的带材、 线材放卷张力自镇定控制。
1 基于磁粉制动器的带材张力控制系统 基于磁粉制动器的高速带材加工设备放卷张力控制系统框图, 如图 1所示。在该系统中, 速度由牵引电机M1决定, 在放卷过程中, 由于卷径 D的大范围变化而引起张力 F变化, 为使恒张力放 而变化。由于磁粉制动器的输出力矩 T与线圈励磁电流 I或线圈励磁电压 (稳态值)近似成正比, 所以, 进而达到控制张力 F的目的。塑料薄膜分切机等带材加工设备在 高速恒速运行条件下, 其放卷张力控制系统有待进 一步解决的问题是: 卷半径 10倍)也将引起控制系统对象参数的大范围变 进而影响控制性能;磁粉制动器的U 1 带材、线材放卷张力控制系统框图动态关系表现为一个纯滞后加两个容量滞后的特 尤其是其中的线圈电磁时间常数较大,约束了系 统动态响应能力。前者可从控制方法方面加以解决, 而后者就要设法对磁粉制动器的驱动器进行改进设 计。这也是本研究要探讨解决的主要问题。
2 提高磁粉制动器快速响应能力的方法 1 磁粉制动器的结构与工作原理磁粉制动器的结构示意图及其图形符号 2所示。磁粉制动器主要由磁性线圈、从动单元(包括从动轴) 、机体、以及从动单元与机壳间的微 粒状且具有高磁性效应的磁性铁粒子 成。其基本原理为:当磁性线圈不通时,磁粉处于自 由状态, 从动轴也处于自由状态即无制动转矩输出; 当线圈通电时, 磁粉在磁力作用下处于定向排列状 线圈的电流越大,这种“磁粉 链”的硬度也越高, 从动单元与机体间“联结”得也 2 磁粉制动器动态特性与提高快速响应能力磁粉制动器动态性能取决于: 励磁电流间惯性滞后关系的电磁时间常数τ 磁通量间纯滞后关系的磁滞时间常数τ( 磁粉运动间惯性滞后关系的机械时间常数τ m规格的制动器而言,其综合 的动态时间常数 (也称力矩时间常数) 一般约为 其中的τ较小,故可将纯滞后环节近似成 一阶惯性环节, 所以, 磁粉制动器的传递函数为: 为静态系数 (Nm 。为提高快速响应能力,必须缩短励磁 电流对励磁电压的响应过程, 磁粉制动器的输出力 T与励磁电流I或励磁电压的稳态值 U近似成正 24V。由于不 同规格 (额定制动转矩) 磁粉制动器的标准额定电 压一般均为 常用改变励磁电压以改变励磁电流, 进而改变输出制动转矩的方法, 以利相应控制 器的产品化设计。一般在励磁电压阶跃作用下的电 流动态过程为: 圈电阻值,Ω。从励磁电压突变到励磁电流达到相应的稳态值 值较大,这在高速运动带 材或带线的张力控制系统中会恶化张力调节的动态 性能。 提高磁粉制动器快速响应能力的驱动器方案, 如图 3所示。图中的 TA为电流传感器; VD1、VD2均 为肖特基二极管; VT1、VT2均为MOSFET, 因其工作 关状态,而使得驱动器具有低功耗的特点; ;当供电电压E远大于磁粉制动器的额定 即:其励磁线圈工作于高脉冲幅度的PWM驱动方 从而大大缩短了磁粉制动器的电磁响应过程, 提高了动态响应的快速性。这 3 磁粉制动器两象限PWM快速驱动器框图 3 克服卷径 R大范围变化的张力自镇定控制 克服带、线材放卷卷径大范围变化的自镇定张 力控制系统模型框图, 如图 4所示。取自镇定控制器 的调节率为带滤波的自镇定 比例系数为 10)结合式 及典型I型系统的 ITAE最优准则, 可得到控制器参 13)所示。 快速驱动器的自镇定控制器传递函数、磁粉制动器传递函数; 由转轴机械摩檫力矩、变速过程产生的动态力矩、卷径变化引起的惯性力 矩等组成的综合扰动力矩, 放卷轴转速,rpm; 13)主要用于张力控制器参数的 出厂设定值, 但用户可在各参数的数据范围内修改。
4 张力控制器的技术实现与应用 自镇定张力控制器硬件框图 ,如图5所示。其 核心是内含 /A的高速单片机C8051F020;人 机界面由 LED数码管、6个功能键组成,其接口芯片用串行通讯的芯片 ZLG7289; 还可通过 MAX232接口与上位机进行监控通讯;左、右张力信 号来自张力辊两端的 2个传感器; 取自牵引电机轴上的 PG信号, 转速 n取自放卷轴上的霍尔开 关信号 5 自镇定张力控制器硬件框图基于图 5所示方案的磁粉制动器张力控制器, 已在线速为 400 /min的塑料薄膜分切机中得到实际应用, 卷径变化范围为Φ95 ～800 mm, 张力精度 优于 1%, 所使用的 2象限 PWM快速驱动器供电电
5 结束语高脉冲的 2象限 PWM驱动法能显著提高磁粉 制动器的动态性能,使得普通磁粉制动器也可用于 高速运行的带、线材放卷张力控制中,并可在放卷控 制中替代矢量变频调速系统,简化了高速带、线材加 工生产设备的放卷张力控制系统结构,并大幅度地 降低了成本。 采用卷径自适应的自镇定张力控制算法,不仅 易于实现,且控制效果良好,整机操作简便、维护容 易;具有较好的推广应用前景。 | |
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