摘 要: 針對電線加塑生產過程中張力系統中存在的加塑不均勻、銅芯易被拉斷或堆擠等問題，提出利用數字信號處理器(DSP)對張力進行控制的方案。硬件設計以美國TI公司生產的TMS320LF2407A DSP芯片為主控單元，軟件設計是利用DSP 集成開發環境CCS 2.2，采用C語言和匯編語言混合編譯的方法進行控制程序的開發，在控制策略上采用模糊變結構控制。
關鍵詞: 張力控制； 模糊變結構控制； DSP
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在電線加塑生產過程中，張力是一個極為重要的參數，卷取電機間電線所承受的張力為常數是生產過程處于平衡狀態的一個基本條件。任何因素對張力的影響而產生的波動不僅會破壞本部分的平衡狀態，而且還會通過電線順流和逆流而影響整個系統的平衡狀態。因此，維持各卷取電機間張力恒定對加塑過程的順利進行及提高產品質量有重要的意義[1]。本文提出利用數字信號處理器(DSP)對電線加塑系統中張力進行控制的方案，在張力控制的應用中取得了較好的效果。
1 電線加塑生產張力系統的特點及控制方案
1.1 電線加塑生產中張力系統的特點
單芯裸銅線的加塑生產過程中，主牽引機帶動裸銅線經過擠塑機塑封上塑料，經水冷、耐壓測試后由收線機收卷成盤。控制放線、牽引和收線環節的恒張力運行，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。由于線徑大小的變化、卷筒直徑的變化、放線電機、擠塑電機和收線電機速度的變化等，都會影響到系統的張力，影響產品質量，因此有必要開發一種實時、高效的控制系統。
1.2 張力控制策略 ?
線纜的張力主要取決于系統的卷取速度和主牽引速度。當系統穩定運行時，主牽引速度達到設定值，張力只取決于卷取速度。當系統變速運行時，則通過實時調節卷取機轉速來改變張力以達到控制要求。
要解決好張力控制問題，采用傳統算法的張力閉環系統很難達到令人滿意的效果，因此，設計了電流、速度、張力三環變結構串級控制系統。建張過程中投入速度調節器，系統為轉速電流雙閉環調速系統，PID型調節律，通過控制轉速間接控制張力，屬于間接張力控制系統；建張完成后，即張力偏差小于15%時，張力環投入工作，形成張力電流雙閉環系統，并引入模糊控制策略，系統為直接張力控制系統[2]。模糊控制運用模糊數學的基本理論方法，把有關系統的評價指標模糊化[3]，控制器根據系統的實際響應情況，通過模糊推理實現對控制量的實時調整，進而得到很好的效果。通過模糊控制來提高系統的魯棒性[4]，從而消除參數變化帶來的張力波動。系統控制結構如圖1所示。
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2 系統的硬件設計
在上述控制策略的基礎上，本系統采用美國TI公司生產的電動機專用控制芯片DSP TMS320LF2407A [5-6] 為主控單元，輔以相應外圍設備，應用智能控制技術和電力電子技術，設計了一套卷取張力控制系統，總體硬件設計結構如圖2所示。系統硬件部分主要包括：整流裝置、功率驅動電路、張力檢測、電壓檢測、轉速檢測、電流檢測等。
2.1 信號采集
卷取電動機的速度檢測裝置是測速發電機。測速發電機是模擬式速度傳感器，它將電動機的機械轉速變換成與其成正比的連續變化的電壓信號，該信號經過電壓傳感器SPT604和接口電路送入DSP的模擬數字轉換模塊(ADC模塊)。電阻應變片式MCL-T2型張力傳感器(輸出范圍0～5 V對應相應的張力范圍是0～100 N)和電流檢測(使用TDC103LTA直流電流傳感器)的檢測信號都是模擬量,經過接口電路送入DSP的ADC模塊，ADC模塊張力檢測電路原理圖如圖3所示,其他檢測環節與電流檢測相類似。
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2.2 PWM驅動電路
TMS320LF2407A自帶16路PWM波形輸出功能[7]，采樣信號送到DSP后，經過處理產生一定占空比的PWM輸出, 通過驅動電路控制IGBT芯片的導通與關斷來控制直流卷取電機的轉矩，從而達到恒張力控制的目的。本設計絕緣柵雙極性晶體管(IGBT) 選用三菱公司生產的CT 30SM-12型IGBT模塊(額定電壓600V，額定電流30A)，其柵極驅動芯片采用富士電機公司生產的型號為EXB840高速型(最大40 kHz)驅動器。驅動電路如圖4所示。
3 系統的軟件設計
整個系統的軟件開發在集成開發調試環境CCS2.2下進行，采用匯編語言和C語言混合編程。TMS320LF2407A通過事件管理器啟動ADC模塊，獲得電壓信號并計算求得電流、張力和轉速等檢測量，經控制算法計算后輸出PWM信號驅動直流電動機，實現對磁通、轉矩的控制，進而實現恒張力控制。
卷取張力系統的所有控制都是在DSP TMS320LF2407A的定時器周期中斷程序中完成的。在控制程序中，建張階段對卷取電動機進行電流轉速雙閉環控制時，電流每5 ms控制一次，速度每50 ms控制一次。在建張完成后對電線張力的調節控制中，卷取電動機的電流每5 ms控制一次，電線張力每50 ms控制一次。同時，為了得到性能穩定的控制系統，在程序中加入了限速、過流保護和過壓保護等功能。程序流程圖如圖5所示。
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4 實驗結果及結論
對上述張力控制方案在“電線生產線自動化控制系統實驗平臺”上進行實驗。實驗設定張力傳感器的目標電壓值為2.7 V時，系統穩定后張力傳感器的輸出電壓信號如圖6所示。可以看出，電壓信號穩定在目標值2.7V處，穩定誤差約為3 %。由此可見，本研究設計的張力系統有良好的穩態性能，很好地滿足了生產的基本要求。
以上設計的張力控制硬件系統, 以TMS2320LF2407A為主控制芯片，具有結構緊湊、抗干擾能力強、反應靈敏、性價比高等優點，在控制過程中取得了良好的效果；軟件方面采用模糊變結構法控制DSP輸出可變占空比的PWM，并通過IGBT模塊來控制直流卷取電機，實現了對電線張力的精確控制。為進一步實現微小張力的恒張力控制提供了新思路。
參考文獻
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