称重传感器在恒张力控制系统中的应用

摘  要：介绍了一个以称重传感器为测量元件的恒张力控制系统方案，主要应用在工业生产中带料的恒张力收放卷场合，对测量原理和输入输出电路作了详细介绍。

关键词：张力控制；称重传感器；单片计算机

中图分类号：TP212    文件标识码：A    文章编号：

Constant Tension Control System Using Weight Sensor

Abstract:  A constant tension control system using weight sensor is introduced. It is a special design for the film rolling machines. The control principle and the input and output circuits are given in detail.

Keywords: constant tension control; weight sensor; single-chip microcomputer

0 引言

带料的卷绕控制是工业生产的许多行业中经常遇到的问题之一。如在纸张﹑纺织品﹑塑料薄膜﹑电线﹑磁带等的生产过程中，带料的收放卷张力对产品的质量至关重要，为此，要求进行恒张力控制，即在卷绕的过程中使产品承受{zj0}张力，且自始至终保持不变。由于所选的检测元件和转矩调节元件不同，可以有各种不同的张力控制方案，用称重传感器直接测量张力来实现控制最为方便。本文介绍一种用称重传感器测量放卷张力，磁粉制动器和磁粉离合器调节输出转矩，由单片机系统来进行张力控制的技术方案，经过精心调试，可以达到很高的精度。

1 控制原理

1.1恒张力控制基本原理

物理上对刚体的转动，有公式M=Fd，其中M代表力矩，d代表转轴的力臂，F代表刚体所受的作用力，显然还可以写成下列公式：

　　　　　　　　　　　　F=M/d           　　　　　   （１）

对带料的放卷而言，d即为带料的半径，随着机器的工作，带料逐渐减少，即半径越来越小，要保持张力F恒定不变，根据公式(1)，则转矩M也应该按相同比例逐渐减小。收卷的情况则刚好相反，随着收卷的进行，带料逐渐增加，即半径越来越大，要保持张力F恒定不变，则转矩M也应该按相同比例逐渐增大。

1.2称重传感器原理

                          图 1  桥式测量电路   Fig 1  circuit of the bridge sensor

本系统选用双孔平行梁结构的应变式称重传感器，其主要参数是输出灵敏度，即传感器在额定载荷作用下，供桥电压为1V时的输出电压，本系统所选称重传感器的灵敏度为1.8mV/V。这种传感器目前已比较成熟，并已在电子计价秤中得到了广泛的应用[1]。测量电路如图1所示。其中，R1﹑R2﹑R3﹑R4为4个应变电阻，组成了桥式测量电路，Rm为温度补偿电阻，e为激励电压，V为输出电压，若不考虑Rm,且有R1=R2=R3=R4=R，则公式(2)成立，也就是说，电桥的输出电压变化与各臂电阻变化率的代数和成正比。

                            (2)

如果四个桥臂应变片的灵敏系数相同，且ΔR/R=kε,则上式又可写成公式(3),其中k为应变片灵敏系数，在此k=2.13,ε为应变量。由式可见，电桥的输出电压和四个桥臂的应变片所承受的应变量的代数和成正比，这就是利用桥式电路测量应变量的工作原理。

                                    (3)

1.3磁粉制动器控制原理

磁粉制动器(离合器)是一种新型的转矩调节元件，在其公称转矩10%至120%的范围内，转矩和励磁电流成正比，可以看作是一种线性调节元件。磁粉制动器有两种使用方式：供制动用的制动器和在连续滑差状态下作加载装置使用的制动器。张力控制系统中使用的制动器，属于后者使用工况的典型例子，在这种工况下，可以通过两个原则来选用制动器规格。首先，按张力F确定制动器所需的额定转矩Mr，Mr≥kFDmax/2,Dmax为料卷{zd0}直径(m)，k为安全系数，取1～1.2；然后，对允许滑差功率P进行验算，P≥FV，V为线速度(m/s)，F为张力(N)。

2 控制系统结构简介

图２所示为单片机控制系统部分原理图，以AT89C51单片机为中心构成控制系统。本系统的单片机电路是一典型的单片机最小应用系统，采用2X20LCD带背光的液晶显示器作为人机界面，

图2  控制系统模拟量输入输出电路图

                       Fig 2  circuit of the analog input/output for control system

DS12877为系统提供时间和带电保护RAM，由于MCS-51系列单片机的软硬件技术已为人们熟知[2]，限于篇幅，本文省略了这部分电路，只介绍输入输出部分的电路，单片机通过8255集成电路与输入输出电路接口。

输入电路包括两部分，即称重传感器测量放大电路和启动信号电路。U14﹑U15和U16组成放大电路，这是一个典型的仪表放大器，其原理可参阅参考文献[3]。桥路传感器的毫伏输出信号经放大器放大到伏级电压，输入到集成电路U10的模拟输入端,U10是12位AD转换器AD7572A，它将模拟量输入转换成12位数字量，其数据线连到U3的PA和PB口，U3是通用并行可编程接口芯片8255，单片机通过U3与AD转换器接口，读取数据。启动信号经U17光电耦合器隔离，再经U8整形，经过U3接口，输入到单片机，作为张力控制系统的启动信号。

输出电路也包括两部分，这两部分xx相同，只不过一路用于驱动放带磁粉制动器M1，一路用于驱动收带磁粉离合器M2而已。U2是8255接口电路，数摸转换电路U11和U12都通过U2与单片机接口，数摸转换电路AD7541A是12位DA转换电路，它将单片机输出的数字量转换成0-5V的电压，经U13输出到两个驱动器，作为驱动器的给定电压。直流驱动电源M1和M2是以输出电压作为取样信号，采用了大功率三极管进行调整的一个典型的直流稳压电源，其内部具有过流保护功能。

本系统实际上是一个单片机闭环控制系统，给定张力直接由按键数字输入，传感器反馈回来的张力与给定张力比较，所得张力差即为调节的依据。以放带为例，随着放带的进行，料盘半径减少，放带张力增大，反馈量增大，单片机经过运算，其结果使DA转换器的输出电压减少，驱动器的输出电压下降，即磁粉制动器的励磁电流I跟着下降，磁粉制动器的转矩M也随着变小，从而实现了放卷张力的恒定控制。以上讨论的是放料(开卷)端，同理，对于收卷(复卷)端的控制，则采用磁粉离合器，利用其输入和输出轴之间的滑差来恒定张力，其工作原理与磁粉制动器基本相同。表1为现场实测的放带端数据，用31/2数字万用表测量，材料为厚度0.2mm玻璃带，设定张力为34.5N，卷芯半径25mm。

表1 生产线实测数据

Tab.1  Data measured from production line

3 结论

该控制系统适合于生产线上要求恒张力控制的场合，经在某型玻璃带缠带机上长期实际使用证明，采用称重传感器构成的恒张力反馈系统其控制性能优于采用其它间接量反馈的系统，该系统实用可靠，成本低廉，信号拾取机构简单，安装使用方便。

参考文献

[1] 殷卫宁.电子计价秤维修大全[M].北京:电子工业出版社,1994.3-65.

[2] 周航慈.单片机应用程序设计技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,1991.266-286.

[3] 何立民. MCS-51系列单片机应用系统设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,1990.225-305.