张力控制

张力控制方案

恒张力控制实现的几种方案

在日常工作中，我们经常遇到张力控制问题，张力控制得好坏直接影响着产品的质量，由于张力控制的多样性及复杂性，选用一套合理经济实用的张力控制系统是企业采购设备前所要考虑的首要条件。下面我列举几中常见的张力方式供大家参考。

一、力矩电机及驱动控制器

1、性能：张力控制不稳定，线性不好。

2、经济性：设备简单，价格便宜，可正反转。

3、适用于张力精度要求不高的场合。如：电线、电缆。

二、磁粉制动器/磁粉离合器张力控制

1、经济性：电气省不了钱，机械也费钱，同样需要调速单元（如变频器、直流调速器）及张力控制仪。

2、精度差：线性不够好，控制的卷径变化范围不大。(特别是在大负荷或高速时张力精度不够)；

3、故障率高，维护费用高（经常要更换磁粉），磁粉制动器/磁粉离合器的可靠性差，发热严重功率大的还需水冷等。

4、性能：张力稳定性比力矩电机稍强，张力及速度可调。适用范围比力矩电机广。

三、舞蹈棍控制器

1、性能：张力控制平稳，有张力贮能功能、张力调节麻烦。

2、电气调速单元要求响应快，机械设备较复杂、局限于线材不适合于片材。

如：光纤，光缆。

四、直接张力闭环控制

1、性能：张力控制平稳，电气调速单元要求响应快，张力可视，系统容易振荡。

2、电气设备复杂，需要调速单元、张力控制仪及张力传感器，设备初投资大，价格贵。

3、性能价格比不高，不适用于大张力控制场合。

2.1 控制电机的不同选择

由上面的系统图可以看出，当收线控制电机旋转速度不变时，光纤缠绕到收线管上的线速度基本保持不变，而且光纤上允许的张力在80g~300g之间，此时，只要控制张力控电机的转速，使放线时的线速度与收线时的线速度达到平衡，就可以保证两轴之间光纤上的张力在一个很小的范围之内。为了达到这样的目的，选择适合的张力控制电机是首要解决的问题。

2.2 张力检测的不同选择

同时，为了方便于对光纤上张力的检测，合理的选择和放置三个滑轮也是张力控制中重要的部分。目前，张力检测方式基本上分三种：张力传感器(load cell)检测方式、浮辊式(Dancer

Arm)张力检测方式、浮辊和传感器复合式张力检测方式。根据各方面的资料显示，这三种方式在各种张力检测装置中都有采用，有不同的动态性能，对张力检测的精度有不同的影响。

2.3 张力控制器和算法的不同选择

张力检测器将光纤上的张力值传送给控制器，控制器通过和给定的张力值进

行比较后，得出一个差值，并将差值通过一定控制算法传送给电机，之后，张力控制电机按照控制器的控制信号进行运动，实现了张力的闭环控制。

选择一个适合的控制算法，不仅可以大大提高整个系统的稳定，而且系统的快速性、可靠性也将得到进一步的提升，同时也可以提高系统的输出精度。随着计算机的进一步发展，控制也从传统的方法发展到自适应控制，甚至智能控制。控制算法也从传统的PID控制发展到智能PID，自适应控制、模糊控制和神经网络控制。

因此，系统以上的基本设备选定后，选择不同的控制算法，可以设计出各种不同性能的控制器，采用EDA技术，可以实现各种控制算法的控制的系统，进而通过比较系统的不同性能和仿真结果，确定适合的控制方案。

3.控制电机的选择

用于伺服控制的电动机的种类很多，主要分为两大类，交流电机和直流电机（交流电机还包括同步电机、感应电机和交流换向器电机），另外还有适于数字控制的步进电机。这几种电机都起不同的特性，同时在不同的场合下，还有多种类型和型号的选择，因此，选择适合光纤缠绕的电机是提高系统整体性能的必经途径。

当收线轴保持匀速转动时，在一个小的时间段内，缠绕到收线管上的光纤的线速度保持不变（在不考虑扰动的情况下），此时，为了将光纤上张力保持在很小范围内，放线轴放出光纤的线速度与收线管的线速度保持基本一致，在不考虑放线轴在一个小的时间段内半径的变化下，张力控制电机的转速保持不变，光纤上的力矩也将保持恒定。根据力矩平衡的原理，可以实现较好的张力控制，因此在选择电机时，能实现转速和输出力矩成比例的电机是比较适合的，力矩电机是

适合的选择。

力矩电机主要包括交流力矩电机和直流力矩电机，而且，随着电机技术的发展，力矩电机的种类越来越多，主要应用的力矩电机主要有两种三相力矩异步电动机和直流永磁力矩电动机，下面将讨论这两种电机的不同，从中选择适合的伺服电动机。

3.1 三相力矩异步电动机

这种力矩电机具有软的机械特性，当负载转矩增大时能自动降低转速并增加输出转矩，从接近同步转速开始直至接近堵转为止，都能稳定运行，负载稍有变化，就能使转速显著变化，而一般的异步电动机能稳定运行的转速范围较狭。

图2所示为三相交流异步力矩电机与一般电机的机械特性曲线的区别，图3为电机特性与卷绕特性曲线，由图中可以看出，随着转速的增大，电机的输出力矩将会减小，但是曲线同样表明，电机转速与输出力矩并不是呈线性的，因此，在张力控制系统中，并不能线性的将电机转速与输出力矩计算出来，电机的输出力矩与励磁电压的平房近似成正比，而需要在线的、实时的进行调整，因此在控制时虽然比控制一般电机方便，但是仍然不能达到很精确的控制。

3.2直流永磁力矩电动机

直流力矩电机主要包括，有刷电机和无刷电机，有刷电机由于其具有换向器和电刷，在电刷换向时，电刷每经过一个换向片都要接通并短路某些某元件,从而引起电枢电阻变化,

电枢电阻变化则会引起电流变化致使力矩波动。因此，在选择电机时，选择无刷支流永磁力矩电机，可以减少力矩波动的来源，尽量避免不必要的扰动进入系统。

如图4所示的为直流电机的机械特性曲线，由转速和输出力矩的关系可知，直流电机的机械特性曲线为一条直线，在张力控制系统中，通过调速，可以实现输出转矩的调整，达到张力调解的目的，同时，因为转速与输出力矩呈线性关系，转速和输出转矩的值可以精确地得到，方便于对张力进行直接的控制。

4.张力检测方案的选择

上文中提到，张力检测主要有三种方式，下面对这三种方式进行比较，从中选

图4

择适合光纤张力检测需要的。

①张力传感器(load

cell)检测方式：它是对张力直接进行检测，与机械紧密地结合在一起，没有移动部件的检测方式。通常两个传感器配对使用，将它们装在检测导辊两侧的端轴上。光纤通过检测导辊施加负载，使张力传感器敏感元件产生位移或变形，从而检测出实际张力值，并将此张力数据转换成张力信号反馈给张力控制器。最终实现张力闭环控制。市场上弹力传感器的类型较多，经常采用的有板簧式微位移张力传感器(如日本三菱LX-TD型)，应变电阻片张力传感器(如美国蒙特福T系列)和压磁式张力传感器(如中国ABB枕式系列)等等。其优点是检测范围宽，响应速度快，线性好。缺点是不能吸收张力的峰值，机械的加减速难以处理，不容易实现高速切换等。因此，当处于平衡状态的张力控制系统受到较强的干扰时，系统瞬间来不及作出反应，料带上张力变化的幅度值会较大，对张力控制尽快重新进入平衡状态不利。

②浮辊式(Dancer