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磁粉制動器驅動的硬件控制平臺 |
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在諸如塑料薄膜、絲織物、電線電纜、金屬箔帶及紙品加工生產過程中,其共性問題之一是將經前 道工序加工的已卷繞在卷料筒中的帶材 (或線材) 以恒張力放卷出來,以供后續工序做進一步的加工 處理。在此類生產設備中,放卷軸常采用被動式,即 由下道工序的牽引輥將卷繞物從卷料筒中拉出,為 完成恒張力放卷控制,放卷軸常用磁粉制動器作為 張力控制的執行元件。
由于磁粉制動器本身存在較大的電磁慣性,使 得其在高速 /min)的帶材、線材生產過程控制中的動態性能難以滿足要求,所以,提高磁粉制動 器的快速響應能力具有重要作用。 本研究探討了磁粉制動器快速驅動式的帶材、 線材放卷張力自鎮定控制。
1 基于磁粉制動器的帶材張力控制系統 基于磁粉制動器的高速帶材加工設備放卷張力控制系統框圖, 如圖 1所示。在該系統中, 速度由牽引電機M1決定, 在放卷過程中, 由于卷徑 D的大范圍變化而引起張力 F變化, 為使恒張力放 而變化。由于磁粉制動器的輸出力矩 T與線圈勵磁電流 I或線圈勵磁電壓 (穩態值)近似成正比, 所以, 進而達到控制張力 F的目的。塑料薄膜分切機等帶材加工設備在 高速恒速運行條件下, 其放卷張力控制系統有待進 一步解決的問題是: 卷半徑 10倍)也將引起控制系統對象參數的大范圍變 進而影響控制性能;磁粉制動器的U 1 帶材、線材放卷張力控制系統框圖動態關系表現為一個純滯后加兩個容量滯后的特 尤其是其中的線圈電磁時間常數較大,約束了系 統動態響應能力。前者可從控制方法方面加以解決, 而后者就要設法對磁粉制動器的驅動器進行改進設 計。這也是本研究要探討解決的主要問題。
2 提高磁粉制動器快速響應能力的方法 1 磁粉制動器的結構與工作原理磁粉制動器的結構示意圖及其圖形符號 2所示。磁粉制動器主要由磁性線圈、從動單元(包括從動軸) 、機體、以及從動單元與機殼間的微 粒狀且具有高磁性效應的磁性鐵粒子 成。其基本原理為:當磁性線圈不通時,磁粉處于自 由狀態, 從動軸也處于自由狀態即無制動轉矩輸出; 當線圈通電時, 磁粉在磁力作用下處于定向排列狀 線圈的電流越大,這種“磁粉 鏈”的硬度也越高, 從動單元與機體間“聯結”得也 2 磁粉制動器動態特性與提高快速響應能力磁粉制動器動態性能取決于: 勵磁電流間慣性滯后關系的電磁時間常數τ 磁通量間純滯后關系的磁滯時間常數τ( 磁粉運動間慣性滯后關系的機械時間常數τ m規格的制動器而言,其綜合 的動態時間常數 (也稱力矩時間常數) 一般約為 其中的τ較小,故可將純滯后環節近似成 一階慣性環節, 所以, 磁粉制動器的傳遞函數為: 為靜態系數 (Nm 。為提高快速響應能力,必須縮短勵磁 電流對勵磁電壓的響應過程, 磁粉制動器的輸出力 T與勵磁電流I或勵磁電壓的穩態值 U近似成正 24V。由于不 同規格 (額定制動轉矩) 磁粉制動器的標準額定電 壓一般均為 常用改變勵磁電壓以改變勵磁電流, 進而改變輸出制動轉矩的方法, 以利相應控制 器的產品化設計。一般在勵磁電壓階躍作用下的電 流動態過程為: 圈電阻值,Ω。從勵磁電壓突變到勵磁電流達到相應的穩態值 值較大,這在高速運動帶 材或帶線的張力控制系統中會惡化張力調節的動態 性能。 提高磁粉制動器快速響應能力的驅動器方案, 如圖 3所示。圖中的 TA為電流傳感器; VD1、VD2均 為肖特基二極管; VT1、VT2均為MOSFET, 因其工作 關狀態,而使得驅動器具有低功耗的特點; ;當供電電壓E遠大于磁粉制動器的額定 即:其勵磁線圈工作于高脈沖幅度的PWM驅動方 從而大大縮短了磁粉制動器的電磁響應過程, 提高了動態響應的快速性。這 3 磁粉制動器兩象限PWM快速驅動器框圖 3 克服卷徑 R大范圍變化的張力自鎮定控制 克服帶、線材放卷卷徑大范圍變化的自鎮定張 力控制系統模型框圖, 如圖 4所示。取自鎮定控制器 的調節率為帶濾波的自鎮定 比例系數為 10)結合式 及典型I型系統的 ITAE最優準則, 可得到控制器參 13)所示。 快速驅動器的自鎮定控制器傳遞函數、磁粉制動器傳遞函數; 由轉軸機械摩檫力矩、變速過程產生的動態力矩、卷徑變化引起的慣性力 矩等組成的綜合擾動力矩, 放卷軸轉速,rpm; 13)主要用于張力控制器參數的 出廠設定值, 但用戶可在各參數的數據范圍內修改。
4 張力控制器的技術實現與應用 自鎮定張力控制器硬件框圖 ,如圖5所示。其 核心是內含 /A的高速單片機C8051F020;人 機界面由 LED數碼管、6個功能鍵組成,其接口芯片用串行通訊的芯片 ZLG7289; 還可通過 MAX232接口與上位機進行監控通訊;左、右張力信 號來自張力輥兩端的 2個傳感器; 取自牽引電機軸上的 PG信號, 轉速 n取自放卷軸上的霍爾開 關信號 5 自鎮定張力控制器硬件框圖基于圖 5所示方案的磁粉制動器張力控制器, 已在線速為 400 /min的塑料薄膜分切機中得到實際應用, 卷徑變化范圍為Φ95 ～800 mm, 張力精度 優于 1%, 所使用的 2象限 PWM快速驅動器供電電
5 結束語高脈沖的 2象限 PWM驅動法能顯著提高磁粉 制動器的動態性能,使得普通磁粉制動器也可用于 高速運行的帶、線材放卷張力控制中,并可在放卷控 制中替代矢量變頻調速系統,簡化了高速帶、線材加 工生產設備的放卷張力控制系統結構,并大幅度地 降低了成本。 采用卷徑自適應的自鎮定張力控制算法,不僅 易于實現,且控制效果良好,整機操作簡便、維護容 易;具有較好的推廣應用前景。 | |
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