第２５卷 第１２期 电子设计工程 ２０１７年６月 Ｖ０１．２５ ＮＯ．１２ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｄｅｓｉｇｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｊｕｎ．２０１７ 基才转矩控制模式卷纸机收卷恒张力控制系统设计 赵瑞林 ．王宗哲 （１．陕西工业职业技术学院电气工程学院，陕西成阳７１２０００； ２．西北电力建设第三工程有限公司陕西咸阳７１２０００） 摘要：针对在卷纸机自动控制系统中为了取得卷纸张力控制和调节信号的目的，采用伺服系统的转 姬 ：ｔ ｊ号．组成高精度的张力自动平稳、转换的恒张力控制系统．通过检测出卷纸半径Ｒ，随着Ｒ 的变化测试调节自动适应的转矩 ，可准确的取得正比于卷径的张力控制信号，以实现卷纸机收卷 的恒张力控制 关键词：卷纸机；转矩控制模式；伺服驱动；恒张力控制 中图分类号：ＴＮ７０９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７４—６２３６（２０１７）１２—００８１—０４ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｔｏｒｑｕｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｏｄｅ ｔｏ ｒｅｃｅｉｖｅ ａ ｒｏｌｌ ｏｆ ｐａｐｅｒ ｒｏｌｃｏｎｓｔａｎｔ ｔｅｎｓｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎ ＺＨＡＯ Ｒｕｉ—ｌｉｎ ，ＷＡＮＧ Ｚｏｎｇ—ｚｈｅ （１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｎｘｉ Ｐｏｌｅｔｅｃｈｎｉｃ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｘｉａｎｙａｎｇ ７１２０００，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｎｏｎｈｗｅｓｔ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｔｈｉｒｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏ．Ｌｔｄ，Ｘｉａｎｙａｎｇ ７１２０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒ ｔｅｎｓｉｏｎ ｒｅｅｌ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｔｈｅ ｐｕｒｐｏｓｅ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ａｎｄ ｒｅｇｕｌａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｔｅｎｓｉｏｎ ｒｏｌｌ ｓｉｇｎａｌ，ｓｅｒｖｏ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ ｔｏｒｑｕｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｓｉｇｎａｌ，ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｏｆ ｈｉｇｈ—ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｓｍｏｏｔｈ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｏｆ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｔｅｎｓｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ，ｂｙ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ｖｏｌｕｍｅ ｐａｐｅｒ ｒａｄｉｕｓ Ｒ， ｗｉｔｈ Ｒ ａｄｊｕｓｔｅｄ ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ ａｄａｐｔ ｔｏ ｃｈａｎｇｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｔｏｒｑｕｅ Ｍ，ｃａｎ ｂｅ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ ｍａｄｅ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ ｔｏ ｔｈｅ ｒｏｌｌ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｔｅｎｓｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｉｇｎａｌｓ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｔｅｎｓｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｗｉｎｄｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｅ１． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｒｏｌｌｓ ｏｆ ｐａｐｅｒ ｍａｃｈｉｎｅ；ｔｏｒｑｕｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｏｄｅ；ｓｅｒｖｏ ｄｒｉｖｅ；ｃｏｎｓｔａｎｔ ｔｅｎｓｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ 在造纸机卷纸自动控制系统中，为了取得卷纸 增加，这就要求检测出 ，随着 的变化相应的调节 张力控制和调节信号，张力控制系统必须具有张力 转矩 ，以实现恒张力控制［３１。 检测与自动适应控制单元，如何检测出卷纸直径Ｒ 并对张力Ｆ进行控制，组成高精度的张力自动平稳、 １控制要求 转换的恒张力控制系统，这是卷纸机的关键技术＿ｌＪ。 卷纸机的结构示意图如图１所示。卷纸机在卷 卷纸机位于在造纸机的末端，用来把纸卷绕成卷，保 纸时，压纸辊将纸压在托纸辊上，卷纸辊在伺服电机 证纸卷缠卷得紧．两边整齐和在卷简的全宽上松紧 驱动下卷纸，托纸辊与压纸辊也随之旋转，当收卷的 一致。是纸的保存和加工的必要条件 。 纸达到一定长度时切刀动作，将纸切断，然后开始下 卷纸张力Ｆ与卷纸辊直径 和转矩 之间关 一个卷纸过程，卷纸的长度由与托纸辊同轴旋转的 ｌｆ 系是 ，可知卷纸机工作时卷径变化，张力随之 编码器来测量［４１。 卷纸系统由ＰＬＣ、伺服驱动器、伺服电动机、卷 变化，要实现张力恒定的运行方式。就必须保证工作 纸机组成［５１。 过程中使 １１／／＝Ｋ为常数，即轴上 与卷径Ｒ成比例 控制要求如下： １）按下起动按钮后，开始卷纸，在卷纸过程中，要 求卷纸张力保持不变，即卷纸开始时要求卷纸辊快速 收稿日期：２０１６—０５—３１ 稿件编号：２０１６０５３０４ 作者简介：赵瑞林（１９７６一），男，陕西宝鸡人，硕士研究生，副教授。研究方向：控制工程与控制理论。 一８１— 《电子设计工程）２０１７年第１２期 切刀 卷纸辊 转，编码器记录的纸长度保持，按下起动按钮后机器 工作，在暂停前的卷纸长度上继续卷纸，直到１００ ｍ 为止。 伺服电动机驱动） ３）按下停止按钮时，机器停止工作，不记录停止前 图１ 卷纸机的结构示意图 的卷纸长度，按下起动按钮后机器重新从０开始卷纸 。 旋转，随着卷纸直径不断增大，要求卷纸辊的转速逐渐 变慢，当卷纸长度达到１００ ｍ时切刀动作，将纸切断嘲。 ２）按下暂停按钮时，机器工作暂停，卷纸辊停 ＲＡ ２控制线路图 卷纸机的收卷恒张力控制线路图如图２所示。 图２卷纸机的收卷恒张力控制线路图 电路工作过程如下： １）电路的工作准备 ２２０ Ｖ的单相交流电源经过开关ＮＦＢ送到伺服 开始工作，ＡＬＭ端内部变为ＯＮ，ＶＤＤ端输出电流经 继电器ＲＡ线圈进入ＡＬＭ端，ＲＡ线圈得电，电磁制 动器外接ＲＡ触点闭合，制动器线圈得电而使抱闸 松开，停止对伺服电动机制动．同时附属电路中的 ＲＡ触点也闭合，接触器ＭＣ线圈得电，ＭＣ主触点闭 合，２２０ Ｖ电源送到伺服驱动器的Ｌ１、Ｌ２端，为内部 的主电路供电嗍。 ２）收卷恒张力控制 上的卷纸直径不断增大时．伺服驱动器输出的驱动 信号频率自动不断降低，电动机转速逐渐下降，卷纸 辊的转速变慢，这样可保证卷纸时卷纸辊对纸的张 伺服驱动器的ＴＣ端输入电压在０～８ Ｖ范围内变 驱动器的Ｌ１１、Ｌ２１端。伺服驱动器的内部控制电路 力恒定。在卷纸过程中，可调节ＲＰ１、ＲＰ２电位器，使 化，ＴＣ端输人电压越高，伺服驱动器输出的驱动信 号幅度越大，伺服电动机运行转矩越大。在卷纸过程 中。ＰＬＣ的Ｘ０端不断输入测量卷纸长度的编码器送 来的脉冲，脉冲数量越多，表明已收卷的纸张越长， 当输入脉冲总数达到一定值时。说明卷纸已达到指 定的长度。ＰＬＣ的Ｙ５端输出为ＯＮ，ＫＭ线圈得电， 控制切刀动作，将纸张切断。同时ＰＬＣ的Ｙ０、Ｙ１端 第一，起动控制。按下起动按钮ＳＢ１，ＰＬＣ的 Ｙ０、Ｙ１端输出为ＯＮ，伺服驱动器的ＳＰ１、ＳＴ１端输 输出为ＯＦＦ，伺服驱动器停止输出驱动信号，伺服电 动机停转，停止卷纸 。 入为ＯＮ，伺服驱动器按设定的速度输出驱动信号， 驱动伺服电动机运转，电动机带动卷纸辊旋转进行 卷纸Ｉ９Ｊ。在卷纸开始时，伺服驱动器Ｕ、Ｖ、Ｗ端输出 第二，暂停控制。在卷纸过程中，若按下暂停按 钮ＳＢ２时，ＰＬＣ的ＹＯ、Ｙ１端输出为ＯＦＦ，伺服驱动 器的ＳＰ１、ＳＴ１端输人为ＯＦＦ，伺服驱动器停止输出 的驱动信号频率较高，电动机转速较快，随着卷纸辊 驱动信号，伺服电动机停转，停止卷纸，与此同时， －８２－ 赵瑞林，等基于转矩控制模式卷纸机收卷恒张力控制系统设计 ＰＬＣ将Ｘ０端输入的脉冲数量记录保持下来【ｌ１】。按下 起动按钮ＳＢ１，ＰＬＣ的Ｙ０、Ｙ１端输出又为ＯＮ，伺服 驱动信号，伺服电动机停转，停止卷纸，与此同时Ｙ５ 端输出ＯＮ，切刀动作，将纸张切断，另外ＰＬＣ将Ｘ０ 电动机又开始运行，ＰＬＣ在先前记录的脉冲数量上 端输入反映卷纸长度的脉冲数量清零，这时可取下 累加计数，直到达到指定值时才让Ｙ５端输出ＯＮ， 卷纸辊上的卷纸，再按下起动按钮ＳＢ１后可重新开 进行切纸动作，并从Ｙ０、Ｙ１端输出ＯＦＦ，让伺服电 动机停转，停止卷纸。 第三，停止控制。在卷纸过程中，若按下停止按 钮ＳＢ３时，ＰＬＣ的Ｙ０、Ｙ１端输出为ＯＦＦ，伺服驱动 器的ＳＰ１、ＳＴ１端输入为ＯＦＦ，伺服驱动器停止输出 始卷纸［ 。 ３参数设置 伺服驱动器的参数设置内容如表ｌ所示。 在表中：将Ｎｏ．０参数设为０００４，让伺服驱动器工 表１伺服驱动器的参数设置内容 ＂ 埽 勰 四 盯 作在转矩控制模式；将Ｎｏ．８参数设置为１ ０００。让输出 速度为１０００ｄｍｉｎ；将Ｎｏ．１１、Ｎｏ．１２参数均设置为１０００， 让速度转换的加、减速度时间均为１ Ｓ（１ ０００ ｍｓ）；将 Ｎｏ．２０参数设为００１０，其功能是在停电再通电后不 让伺服电动机重新起动，且停止时锁定伺服电动 机；将Ｎ０．４１参数设为０００１，其功能是让ＳＯＮ信号 由伺服驱动器内部自动产生，ＬＳＰ、ＬＳＮ信号则由外 部输入【ｌ３】。 ４ ＰＬＣ控制程序设计 图３所示为卷纸机的收卷恒张力控制梯形图。 下面对照图２来说明图３所示梯形图的工作原理。 卷纸系统采用与托纸辊同轴旋转的编码器来测 量卷纸的长度，托纸辊每旋转一周，编码器会产生Ⅳ 个脉冲，同时会传送与托纸辊周长Ｊｓ相同长度的纸 周产生的脉冲个数Ⅳ与编码器产生的脉冲总数Ｄ Ｊ） 图３卷纸机的收卷恒张力控制梯形图 张［ 。传送纸张的长度 、托纸辊周长Ｓ、编码器旋转 度￡为１００ ｍ时，编码器产生的脉冲总数Ｄ＝１００ｘ 一＝ｌ００×２ｏ ０００：２ ０ｏｏ ｏ００。ＰＬｃ采用高速计数 满足下面的关系：Ｄ＝ ×Ⅳ。对于一个卷纸系统，～和 器Ｃ２３５对输入脉冲进行计数，该计数器对应的输入 ．ｓ值一般都是固定的．而传送纸张的长度 可以改 端子为Ｍ０［Ｉ￣。 变，为了程序编写方便，可将上式变形为 ＝￡・ 。 ５ 结束语 利用伺服系统的转矩给定信号，可准确的取得 ８３－ 例如，托纸辊周长Ｓ为０．０５ ＩＴＩ，编码器旋转一周产生 的脉冲个数Ⅳ为１ ０００个脉冲，那么传送纸张的长 正比于卷径的张力控制信号。这种方法具有结构简 －《电子设计工程）２ｏ１７年第１２期 单、运行可靠、线性度较好、经济性高等特点，采用转矩 ［８］陈杰金，霍览宇．全数字张力控制系统的研究［Ｊ】． 模式为卷纸恒张力控制提供了一个切实可行的控制 科技视界，２０１５，２８：５６。１５５． ‘案。此 案 样适川Ｊ 』 他类似张力的摔制系统。 ［９】钟亮．基于ＰＬＣ的纸机电气传动控制系统设计［Ｄ］． 北京：华北电力大学．２０１４． 参考文献： ［１】姜新桥，蔡建国．电机与电气控制技术【Ｍ】．北京： 人民邮电出版社．２０１４． 【１０】陈金佳．恒张力恒线速卷绕控制系统的研究与设 计［Ｄ］．泉州：华侨大学，２０１３． ［２】冯建修．Ｌｅｎｚｅ伺服控制器在复卷分切机中的应用 川．电气传动自动化，２０１２，１：３１—３４． ｆ１１】刘栋．高速单辊复卷机传动控制系统的设计与应 用【Ｊ１．中国造纸，２０１３，８：５１—５６． 【ｌ２Ｊ刘栋．高速纸机巷取传动控制策略『＇Ｉ１．中华纸业， ２０１３，１６：１３—１７． ［３】张震．张力系统实验平台研发［Ｄ］．上海：华东理工 大学，２０１５． 【４ｊ张飞．造纸机恒张力控制系统研究『Ｄ］．长沙：中南 大学。２０１２． ［１３］张飞，王随平，张涛．基于内模算法的造纸机收卷 部恒张力控制『Ｊ］．可编程控制器与工厂自动化， ２０１２，５：３３－３６，４２． ［５］梁铁军．基于伺服及ＰＬＣ的收卷张力控制系统［Ｊ］． 伺服控制，２０１０，４：１０１，ｌｌ４—１１７． 【１４］张海荣，吴德会，聂均，等．一种大卷装带材收卷 过程中张力控制的优化设计方法［Ｊ］．测控技术， ２０１１，４：３８—４２． 『６１刘全军．微细扁线材恒张力收线系统开发及工艺 研究【Ｄ］．广州：广东工业大学，２０１３． 『７１孟彦京，马文明．复卷机复卷部件的受力分析与控 制设计［Ｊ］．纸和造纸，２０１５，２：２３—２６． ［１５］李明辉，柴德喜．卷纸机间接张力控制的原理及 实现ｌＪ］．电机与控制应用，２０１１，４：４７—４９． （上接第８０页） 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