基于DSP的电线加塑恒张力模糊变结构控制系统的设计
2009-06-01
作者：王 磊1, 冯 茜2, 崔桂梅3
摘 要: 针对电线加塑生产过程中张力系统中存在的加塑不均匀、铜芯易被拉断或堆挤等问题，提出利用数字信号处理器(DSP)对张力进行控制的方案。硬件设计以美国TI公司生产的TMS320LF2407A DSP芯片为主控单元，软件设计是利用DSP 集成开发环境CCS 2.2，采用C语言和汇编语言混合编译的方法进行控制程序的开发，在控制策略上采用模糊变结构控制。
关键词: 张力控制； 模糊变结构控制； DSP
在电线加塑生产过程中，张力是一个极为重要的参数，卷取电机间电线所承受的张力为常数是生产过程处于平衡状态的一个基本条件。任何因素对张力的影响而产生的波动不仅会破坏本部分的平衡状态，而且还会通过电线顺流和逆流而影响整个系统的平衡状态。因此，维持各卷取电机间张力恒定对加塑过程的顺利进行及提高产品质量有重要的意义[1]。本文提出利用数字信号处理器(DSP)对电线加塑系统中张力进行控制的方案，在张力控制的应用中取得了较好的效果。
1 电线加塑生产张力系统的特点及控制方案
1.1 电线加塑生产中张力系统的特点
单芯裸铜线的加塑生产过程中，主牵引机带动裸铜线经过挤塑机塑封上塑料，经水冷、耐压测试后由收线机收卷成盘。控制放线、牵引和收线环节的恒张力运行，才能保证加塑均匀、铜芯不被拉断或堆挤，卷取排列整齐、松紧适度。由于线径大小的变化、卷筒直径的变化、放线电机、挤塑电机和收线电机速度的变化等，都会影响到系统的张力，影响产品质量，因此有必要开发一种实时、高效的控制系统。
1.2 张力控制策略
线缆的张力主要取决于系统的卷取速度和主牵引速度。当系统稳定运行时，主牵引速度达到设定值，张力只取决于卷取速度。当系统变速运行时，则通过实时调节卷取机转速来改变张力以达到控制要求。
要解决好张力控制问题，采用传统算法的张力闭环系统很难达到令人满意的效果，因此，设计了电流、速度、张力三环变结构串级控制系统。建张过程中投入速度调节器，系统为转速电流双闭环调速系统，PID型调节律，通过控制转速间接控制张力，属于间接张力控制系统；建张完成后，即张力偏差小于15%时，张力环投入工作，形成张力电流双闭环系统，并引入模糊控制策略，系统为直接张力控制系统[2]。模糊控制运用模糊数学的基本理论方法，把有关系统的评价指标模糊化[3]，控制器根据系统的实际响应情况，通过模糊推理实现对控制量的实时调整，进而得到很好的效果。通过模糊控制来提高系统的鲁棒性[4]，从而消除参数变化带来的张力波动。系统控制结构如图1所示。
2 系统的硬件设计
在上述控制策略的基础上，本系统采用美国TI公司生产的电动机专用控制芯片DSP TMS320LF2407A [5-6] 为主控单元，辅以相应外围设备，应用智能控制技术和电力电子技术，设计了一套卷取张力控制系统，总体硬件设计结构如图2所示。系统硬件部分主要包括：整流装置、功率驱动电路、张力检测、电压检测、转速检测、电流检测等。
2.1 信号采集
卷取电动机的速度检测装置是测速发电机。测速发电机是模拟式速度传感器，它将电动机的机械转速变换成与其成正比的连续变化的电压信号，该信号经过电压传感器SPT604和接口电路送入DSP的模拟数字转换模块(ADC模块)。电阻应变片式MCL-T2型张力传感器(输出范围0～5 V对应相应的张力范围是0～100 N)和电流检测(使用TDC103LTA直流电流传感器)的检测信号都是模拟量,经过接口电路送入DSP的ADC模块，ADC模块张力检测电路原理图如图3所示,其他检测环节与电流检测相类似。
2.2 PWM驱动电路
TMS320LF2407A自带16路PWM波形输出功能[7]，采样信号送到DSP后，经过处理产生一定占空比的PWM输出, 通过驱动电路控制IGBT芯片的导通与关断来控制直流卷取电机的转矩，从而达到恒张力控制的目的。本设计绝缘栅双极性晶体管(IGBT) 选用三菱公司生产的CT 30SM-12型IGBT模块(额定电压600V，额定电流30A)，其栅极驱动芯片采用富士电机公司生产的型号为EXB840高速型(最大40 kHz)驱动器。驱动电路如图4所示。
3 系统的软件设计
整个系统的软件开发在集成开发调试环境CCS2.2下进行，采用汇编语言和C语言混合编程。TMS320LF2407A通过事件管理器启动ADC模块，获得电压信号并计算求得电流、张力和转速等检测量，经控制算法计算后输出PWM信号驱动直流电动机，实现对磁通、转矩的控制，进而实现恒张力控制。
卷取张力系统的所有控制都是在DSP TMS320LF2407A的定时器周期中断程序中完成的。在控制程序中，建张阶段对卷取电动机进行电流转速双闭环控制时，电流每5 ms控制一次，速度每50 ms控制一次。在建张完成后对电线张力的调节控制中，卷取电动机的电流每5 ms控制一次，电线张力每50 ms控制一次。同时，为了得到性能稳定的控制系统，在程序中加入了限速、过流保护和过压保护等功能。程序流程图如图5所示。
4 实验结果及结论
对上述张力控制方案在“电线生产线自动化控制系统实验平台”上进行实验。实验设定张力传感器的目标电压值为2.7 V时，系统稳定后张力传感器的输出电压信号如图6所示。可以看出，电压信号稳定在目标值2.7V处，稳定误差约为3 %。由此可见，本研究设计的张力系统有良好的稳态性能，很好地满足了生产的基本要求。
以上设计的张力控制硬件系统, 以TMS2320LF2407A为主控制芯片，具有结构紧凑、抗干扰能力强、反应灵敏、性价比高等优点，在控制过程中取得了良好的效果；软件方面采用模糊变结构法控制DSP输出可变占空比的PWM，并通过IGBT模块来控制直流卷取电机，实现了对电线张力的精确控制。为进一步实现微小张力的恒张力控制提供了新思路。
参考文献
[1] 徐鹤贤.冷轧钢带张力及其控制工艺探讨.特钢技术,2001（3）:12-17.
[2] 安世奇. 简单自适应控制的应用研究[D]. 北京：北京科技大学，2005.
[3] 诸静.模糊控制原理与应用[M].北京:机械工业出版社，1995.
[4] 肖佐无，刘任庆，肖爱武.模糊控制技术在砌块养护窑中的应用[J].微计算机信息，2007(7):63-65.
[5] KAURA V, BLASKO V． Operation of a voltage source converter at increased utility voltage． IEEE Trans on Power Electronics, 1997.
[6] 张卫宁.TMS320C2000系列DSPs原理及应用.北京:国防工业出版社,2002.
[7] 江思敏. TMS320L F240×DSP硬件开发教程.北京:机械工业出版社,2003.