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磁粉制動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的硬件控制平臺(tái) |
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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(chǎn)過程中,其共性問題之一是將經(jīng)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(xù)工序做進(jìn)一步的加工 處理。在此類生產(chǎn)設(shè)備中,放卷軸常采用被動(dòng)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(dòng)器作為 張力控制的執(zhí)行元件。
由于磁粉制動(dòng)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(chǎn)過程控制中的動(dòng)態(tài)性能難以滿足要求,所以,提高磁粉制動(dòng) 器的快速響應(yīng)能力具有重要作用。 本研究探討了磁粉制動(dòng)器快速驅(qū)動(dòng)式的帶材、 線材放卷張力自鎮(zhèn)定控制。
1 基于磁粉制動(dòng)器的帶材張力控制系統(tǒng) 基于磁粉制動(dòng)器的高速帶材加工設(shè)備放卷張力控制系統(tǒng)框圖, 如圖 1所示。在該系統(tǒng)中, 速度由牽引電機(jī)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(dòng)器的輸出力矩 T與線圈勵(lì)磁電流 I或線圈勵(lì)磁電壓 (穩(wěn)態(tài)值)近似成正比, 所以, 進(jìn)而達(dá)到控制張力 F的目的。塑料薄膜分切機(jī)等帶材加工設(shè)備在 高速恒速運(yùn)行條件下, 其放卷張力控制系統(tǒng)有待進(jìn) 一步解決的問題是: 卷半徑 10倍)也將引起控制系統(tǒng)對(duì)象參數(shù)的大范圍變 進(jìn)而影響控制性能;磁粉制動(dòng)器的U 1 帶材、線材放卷張力控制系統(tǒng)框圖動(dòng)態(tài)關(guān)系表現(xiàn)為一個(gè)純滯后加兩個(gè)容量滯后的特 尤其是其中的線圈電磁時(shí)間常數(shù)較大,約束了系 統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。前者可從控制方法方面加以解決, 而后者就要設(shè)法對(duì)磁粉制動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行改進(jìn)設(shè) 計(jì)。這也是本研究要探討解決的主要問題。
2 提高磁粉制動(dòng)器快速響應(yīng)能力的方法 1 磁粉制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)與工作原理磁粉制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)示意圖及其圖形符號(hào) 2所示。磁粉制動(dòng)器主要由磁性線圈、從動(dòng)單元(包括從動(dòng)軸) 、機(jī)體、以及從動(dòng)單元與機(jī)殼間的微 粒狀且具有高磁性效應(yīng)的磁性鐵粒子 成。其基本原理為:當(dāng)磁性線圈不通時(shí),磁粉處于自 由狀態(tài), 從動(dòng)軸也處于自由狀態(tài)即無制動(dòng)轉(zhuǎn)矩輸出; 當(dāng)線圈通電時(shí), 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(dòng)單元與機(jī)體間“聯(lián)結(jié)”得也 2 磁粉制動(dòng)器動(dòng)態(tài)特性與提高快速響應(yīng)能力磁粉制動(dòng)器動(dòng)態(tài)性能取決于: 勵(lì)磁電流間慣性滯后關(guān)系的電磁時(shí)間常數(shù)τ 磁通量間純滯后關(guān)系的磁滯時(shí)間常數(shù)τ( 磁粉運(yùn)動(dòng)間慣性滯后關(guān)系的機(jī)械時(shí)間常數(shù)τ m規(guī)格的制動(dòng)器而言,其綜合 的動(dòng)態(tài)時(shí)間常數(shù) (也稱力矩時(shí)間常數(shù)) 一般約為 其中的τ較小,故可將純滯后環(huán)節(jié)近似成 一階慣性環(huán)節(jié), 所以, 磁粉制動(dòng)器的傳遞函數(shù)為: 為靜態(tài)系數(shù) (Nm 。為提高快速響應(yīng)能力,必須縮短勵(lì)磁 電流對(duì)勵(lì)磁電壓的響應(yīng)過程, 磁粉制動(dòng)器的輸出力 T與勵(lì)磁電流I或勵(lì)磁電壓的穩(wěn)態(tài)值 U近似成正 24V。由于不 同規(guī)格 (額定制動(dòng)轉(zhuǎn)矩) 磁粉制動(dòng)器的標(biāo)準(zhǔn)額定電 壓一般均為 常用改變勵(lì)磁電壓以改變勵(lì)磁電流, 進(jìn)而改變輸出制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的方法, 以利相應(yīng)控制 器的產(chǎn)品化設(shè)計(jì)。一般在勵(lì)磁電壓階躍作用下的電 流動(dòng)態(tài)過程為: 圈電阻值,Ω。從勵(lì)磁電壓突變到勵(lì)磁電流達(dá)到相應(yīng)的穩(wěn)態(tài)值 值較大,這在高速運(yùn)動(dòng)帶 材或帶線的張力控制系統(tǒng)中會(huì)惡化張力調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài) 性能。 提高磁粉制動(dòng)器快速響應(yīng)能力的驅(qū)動(dòng)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(guān)狀態(tài),而使得驅(qū)動(dòng)器具有低功耗的特點(diǎn); ;當(dāng)供電電壓E遠(yuǎn)大于磁粉制動(dòng)器的額定 即:其勵(lì)磁線圈工作于高脈沖幅度的PWM驅(qū)動(dòng)方 從而大大縮短了磁粉制動(dòng)器的電磁響應(yīng)過程, 提高了動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性。這 3 磁粉制動(dòng)器兩象限PWM快速驅(qū)動(dòng)器框圖 3 克服卷徑 R大范圍變化的張力自鎮(zhèn)定控制 克服帶、線材放卷卷徑大范圍變化的自鎮(zhèn)定張 力控制系統(tǒng)模型框圖, 如圖 4所示。取自鎮(zhèn)定控制器 的調(diào)節(jié)率為帶濾波的自鎮(zhèn)定 比例系數(shù)為 10)結(jié)合式 及典型I型系統(tǒng)的 ITAE最優(yōu)準(zhǔn)則, 可得到控制器參 13)所示。 快速驅(qū)動(dòng)器的自鎮(zhèn)定控制器傳遞函數(shù)、磁粉制動(dòng)器傳遞函數(shù); 由轉(zhuǎn)軸機(jī)械摩檫力矩、變速過程產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)力矩、卷徑變化引起的慣性力 矩等組成的綜合擾動(dòng)力矩, 放卷軸轉(zhuǎn)速,rpm; 13)主要用于張力控制器參數(shù)的 出廠設(shè)定值, 但用戶可在各參數(shù)的數(shù)據(jù)范圍內(nèi)修改。
4 張力控制器的技術(shù)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用 自鎮(zhèn)定張力控制器硬件框圖 ,如圖5所示。其 核心是內(nèi)含 /A的高速單片機(jī)C8051F020;人 機(jī)界面由 LED數(shù)碼管、6個(gè)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(jī)進(jìn)行監(jiān)控通訊;左、右張力信 號(hào)來自張力輥兩端的 2個(gè)傳感器; 取自牽引電機(jī)軸上的 PG信號(hào), 轉(zhuǎn)速 n取自放卷軸上的霍爾開 關(guān)信號(hào) 5 自鎮(zhèn)定張力控制器硬件框圖基于圖 5所示方案的磁粉制動(dòng)器張力控制器, 已在線速為 400 /min的塑料薄膜分切機(jī)中得到實(shí)際應(yīng)用, 卷徑變化范圍為Φ95 ～800 mm, 張力精度 優(yōu)于 1%, 所使用的 2象限 PWM快速驅(qū)動(dòng)器供電電
5 結(jié)束語高脈沖的 2象限 PWM驅(qū)動(dòng)法能顯著提高磁粉 制動(dòng)器的動(dòng)態(tài)性能,使得普通磁粉制動(dòng)器也可用于 高速運(yùn)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(diào)速系統(tǒng),簡化了高速帶、線材加 工生產(chǎn)設(shè)備的放卷張力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu),并大幅度地 降低了成本。 采用卷徑自適應(yīng)的自鎮(zhèn)定張力控制算法,不僅 易于實(shí)現(xiàn),且控制效果良好,整機(jī)操作簡便、維護(hù)容 易;具有較好的推廣應(yīng)用前景。 | |
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