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王奋雄 8通道纤维铺放张力控制系统设计[1][1].doc.doc.deflate


摘 要
纤维与树脂复合材料的强度与重量比明显优于金属,其产品同时具有机构性能可设 计及耐腐蚀等优点,因此在航天、国防和民用工业中正发挥越来越重要的作用。张力控 制是纤维和树脂复合材料生产工艺中极其重要的技术环节,生产过程中能否获得稳定可 控的张力是纤维材料制品是否高强可靠的关键所在。我国现有的纤维铺放机中所是使用 的张力控制仪的控制精度和张力可调节性能都比较低,为此,本

文进行了 8 通道纤维铺 放张力控制系统的方案设计。 通过分析张力控制的特点和要求,本文研究设计了金属应变式张力传感器,包括金 属应变效应介绍、应变信号调理转换电路设计,张力传感器的结构特点分析和结构参数 设计。同时还研究了张力控制执行机构——直流力矩电机和工作特性和控制器的设计等 方面的内容。文中同时涵盖数据采集和处理,增量式数字 PID 控制方法的内容并给出张 力控制系统方案设计的系统框图以及张力控制部分的相关电路图设计。 关键词:张力控制仪,张力传感器,直流力矩电机,PID 控制

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ABSTRACT

Due to the better strength-weight ratio compared with that of metal, and because it has advantages like erosion endurance, the tow and resin-compound materials are becoming more important in spaceflight, tension control is the crucial technique in the manufacturing process of the tow and resin-compound materials.

KEY WORDS:tension-control equipment, tension sensor, the DC torque motor, the :
PID control mode

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目 录 第 1 章 概述 ............................................... 5
1.1 引言 ................................................................................................................................ 5 1.2 纤维铺放设备中张力控制国内外研究现状 ................................................................ 5 1.3 本文研究意义及内容 ..................................................................................................... 6

第 2 章 张力控制系统总体设计 ............................... 8
2.1 系统设计要求 ................................................................................................................ 8 2.2 系统设计方案 ................................................................................................................ 8 2.2.1 系统框图 .................................................................................................................. 8 2.2.2 硬件电路设计 .......................................................................................................... 9

第 3 章 张力检测机构设计 .................................. 16
3.1 电阻应变片工作原理及横向效应 .............................................................................. 16 3.1.1 金属的电阻应变效应及应变片结构 .................................................................... 16 3.1.2 横向效应简介 ........................................................................................................ 18 3.2 电阻应变片的动态响应特性 ...................................................................................... 19 3.3 电阻应变片的温度误差及补偿 .................................................................................. 20 3.4 张力传感器调整电路 .................................................................................................. 22 3.4.1 电桥原理 ................................................................................................................ 22 3.4.2 张力传感器结构设计 ............................................................................................ 24

第 4 章 执行结构——直流力矩电机 .......................... 27
4.1 直流力矩电机工作原理 .............................................................................................. 27 4.2 直流力矩电机特点 ...................................................................................................... 28 4.3 直流力矩电机特性 ...................................................................................................... 29 4.3.1 直流力矩电机输入输出特性 ................................................................................ 29 4.3.2 带控制器的直流力矩电机特性 ............................................................................ 30 4.4 张力控制算法 .............................................................................................................. 31 4.4.1 比例调节器(P) .................................................................................................. 32 4.4.2 比例积分调节器(PI) ........................................................................................ 33 4.4.3 比例微分调节器(PD) ....................................................................................... 33 4.4.4 增量式 PID 控制算法 ........................................................................................... 33

第 5 章 总结 .............................................. 36 参考文献 ................................................. 37
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致 谢 .................................................... 38

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第 1 章 概述
1.1 引言
在工业生产的诸多行业中,经常会遇到卷绕控制问题,如在纸张、纺织品、塑料薄 膜、电线、印刷品、等的生产过程中,带料或线材的收放卷的张力对产品的质量至关重 要,张力过大会造成加工材料的拉伸变形,张力过小会使卷取材料的层与层之间的应力 变形,造成收卷不整齐,影响加工质量。为此要求进行恒定张力控制,即在卷绕的过程 中使产品承受最佳压力,且自始至终保持不变。尤其是在纤维复合材料的应用中,由于 纤维的强度与重量比明显优于金属,产品又具有结构性能可设计及耐腐蚀等优点,所以 在航天、国防和民用工业中正发挥着越来越重要的作用。因此,提高纤维以及一些树脂 复合材料的质量就尤为重要[1]。 在复合材料的成型工艺中,纤维缠绕成型工艺是指采用连续纤维在浸渍树脂粘合剂 后,在张力的作用下按照一定的线型有规律的排布在芯模上,然后通过加热是粘合剂固 化而制成一定形状的工艺方法。纤维铺放技术全称是自动丝束铺放成型技术,也称自动 该技术是 20 世纪 70 年代作为纤维缠绕和自 铺丝技术(Automatic Fiber Placement, AFP)。 动铺带技术的改革而发展起来的全自动复合材料加工技术,也是近年来发展最快效率最 高的复合材料自动化成型制造技术之一。纤维铺放技术既可以铺凸面也可以铺凹面,还 可以铺放复杂的双曲率构件,并具有在铺层时切割丝束的功能,可以满足对铺层惊醒剪 裁以适应局部加厚,铺层递降和开口铺层的需要,因此相比纤维缠绕技术和自动铺带技 术具有更广泛的应用价值。在复合材料的成型工艺中,合理的控制张力可以提高纤维的 工作应力,充分发挥纤维材料的高强特效[2]。复合材料制品的最终性能与其生产过程中 的工艺参数密切相关。在铺放发动机壳体、压力容器时,铺放张力的大小,各束纤维间 的张力的均匀性及各铺放层间纤维张力的量级变化对制品强度影响极大。研究证明,张 力选择不当或张力不稳定,可使纤维缠绕制品的强度损失 20~30%。可见,性能优良的 纤维铺放机必须配上准确控制张力的张力控制器,才能对系统的高效可靠提供保障[3,4]。 为了满足高品质纤维制品的生产要求,本课题就纤维铺放过程中恒定张力的控制方 法进行了研究。在分析了系统的要求及动态响应等各方面的要求后,对张力控制系统现 象具有自动报警功能的可控张力控制仪。

1.2 纤维铺放设备中张力控制国内外研究现状
资料显示,国内早期纤维线绳张力控制采用的是单纯的加重锤法,这种方法不能根
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据张力的实际情况调节放线速度,可调节精度差。 从 20 世纪 80 年代开始, 出现了具有有限反馈调节功能的机械式线绳张力控制装置, 这也是目前国内主要使用的精度较低的机械式张力器,此装置在线绳辊后部增加了一个 摩擦片,可以一定程度上调整线绳张力,但反映不灵敏,调节范围有限,控制精度也不 太高,不易保证铺放过程中的张力精确控制要求。其实控制纱线张力的实质是控制纱线 轴的转动阻力矩,一个理想的张力控制系统应能给出稳定、可调的铺放张力。 20 世纪 80 年代后期开始,一些进口成型机中常见的张力控制系统的线绳导开装置 常采用的恒定张力自动控制系统,其线绳辊采用直流电机驱动,控制系统采用 PWM 调 速,这样的装置有电流反馈、张力反馈等多环反馈环节,并且由此之后出现了以磁粉离 合器、磁粉制动器为执行机构的张力控制系统。 目前国内已研制的一些张力控制系统主要是采用工业控制机为控制核心,磁粉离合 器为执行元件,半径跟随臂实时反馈纱团半径变化。可是,磁粉离合器的磁通增长速度 取决于激磁线圈的电感量,磁通建立后,磁粉由离散状态到形成横过间隙的磁粉链时有 延时过程;同时,纤维由于自身的伸展性也会延迟张力的建立,这使磁粉离合器带有滞 后的特性,因此,这种系统必须解决滞后问题,提高其响应速度,否则将影响整个控制 系统的稳定性和精度[1]。 调查表明,力矩电动机在低转速、大转矩拖动系统中有广泛的应用,所以,如果把 力矩电动机用在张力控制系统中,作为自动控制装置来改进张力控制系统的时间滞后 性,可以有效地提高系统的控制精度[6,7,8]。 当前国外在整个项目上正在向集成模块发展,其充分利用计算机技术,把测量、控 制、显示等进行一体化设计,尤其是在织机的张力控制系统中,国外的一些张力控制系 统都具有极高的性能和智能化, 如意大利的舒美特织机有限公司的 “天马” 超优秀织机、 瑞士的苏尔寿系列织机、日本津田驹系列织机等等。这些织机都实现了电子卷取和电子 送经控制,具有较高的智能化控制水平,在国际市场上占据重要的地位。所以,智能化 的张力控制器也正是我们该产业努力发展的方向。

1.3 本文研究意义及内容
为了适应现代智能化控制的发展方,使控制系统向一体化方向发展,同时,方便进 行复合材料制品的质量跟踪,提高纤维产品质量,张力控制系统的研究有很重要的现实 意义。根据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,例 如,可以根据带料或线材收卷直径的变化来控制张力,也可以根据带料或线材的长度变 化来控制张力,当然也可以用测力传感器直接测量张力来实现控制。一般按照不同的工 艺要求,有间接张力控制和直接张力控制两种方法。间接控制是通过控制维持张力恒定
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的传动系统的电参数(往往是速度调节器的输出限幅)实现张力控制,一般采用最大力矩 控制或恒功率控制等方式,适用要求不高的场合,可实现一般的简单张力控制要求。直 接张力控制系统采用张力传感器并构成张力闭环调节,视传感器结构不用,可分为位置 式控制和反馈式控制,一般用在高精度,高速度的张力控制场合。这几种方法各有优缺 点,如何选取技术方案要综合考虑技术与工艺要求、可靠性和经济性等因素。 由于纤维铺放时纱线总是处于运动控制中,并且要求张力恒定,因此要求张力控制 系统在动态,尤其是加、减速过程中能有效控制张力,也就是要求系统能够准确补偿由 于加、减速及摩擦所带来的动态力矩,所以本文采用直接控制中的反馈式张力控制 。 所谓反馈式张力控制是指采用微处理器为控制核心,实现复杂的控制算法,硬件采用张 力传感器实时监测张力,构成张力的反馈以实现闭环控制。因此,文中张力控制系统将 直接采用张力传感器实时监测张力,以直流力矩电机执行机构,利用直流力矩电机工作 时提供的阻力矩恒定缠绕纤维上的张力,通过 AT89C52 微处理器控制直流力矩电机转 矩,以达到控制张力的目的。以下对张力控制装置的主要结构进行介绍,让读者对本文 的主要研究内容有个基本了解。 (1) 纤维铺放张力控制仪: 张力控制仪正面是控制界面,控制仪正面左上方有 6 个 5 寸红色数码管组成的现实 区域,可以实时现实张力值及设置的各个参数之;在面板的右面是功能按键和数字按键 区域,可以按照要求完成一系列设置、检测、控制的功能。在控制仪的后面有八个航空 插头,用于接入八路控制信号。该张力控制仪将在本文第 2 章作详细的介绍。 (2) 张力传感器: 传感器底部贴有金属应变片,应变信号由信号线通过张力控制仪后的航空插头送入 张力控制仪进行数据处理。全套系统共有 8 个这样的传感器结构,用来检测 8 路张力。 本文的第 3 章将重点介绍应变效应,应变传感器的工作原理、基本结构,电阻应变片温 度误差和补偿,应变信号调理电路及张力传感器参数设计等方面的内容。 (3) 直流力矩电机: 在每个传感器的正下方都对应有一个直流力矩电机。直流力矩电机是该控制系统 执行机构, 它工作时提供的阻力距用于维持纤维线绳上的张力。 在整个系统执行过程中, 对直流力矩电机的控制将直接影响到整个系统的控制精度和可靠性问题,它是整个系统 的运行核心和控制关键,因此对它的透彻研究和准确分析将是重点。本文的第 4 章将就 此问题展开详尽的讨论,从直流力矩电机的工作原理着手,结合实验讨论直流力矩电机 的特性和输入输出控制关系,目的在于找出张力和控制电压之间的数量关系,是张力控 制仪可以通过运算得到稳定张力需求的输出控制电压。 在介绍完整个张力控制系统的相关检测和执行部分之后,在此基础上,本文将按照 这个顺序依次展开详细讨论。
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第 2 章 张力控制系统总体设计
2.1 系统设计要求
该系统将用于复合材料预浸纱铺丝设备在铺丝时的张力控制,以达到充分发挥纤维 材料的高强度特性的目的。系统要求根据上位机输入的张力控制阀值,对 8 根丝的张力 同时进行控制,将铺丝过程中的张力控制结果实时记录、显示并且储存,对断丝进行实 时报警,以便质量跟踪。要求该控制系统能够达到以下这些性能指标: (1) 量程 0~3kg; (2) 控制精度要求在纱速为 0.05~0.3m/s; (3) 分辨率 0.03kg; (4) 实时显示 8 根丝的张力值(或通过通道切换,显示其中任意一路),当张力小于 或超过限定值时,进行断纱的声光报警,并显示断纱的通道号; (5) 具有串口通讯的功能; (6) 检测精度 1%。 在这样一套张力控制系统中,结合上述系统的性能指标,如要很好的完成这样一套 设备,需要解决以下一些关键技术: (1) 丝的张力检测, 主要是解决系统中张力传感器的动态检测精度问题和提高响应 频率的问题,从结构上保证丝的张力检测的结果稳定。 (2) 8 个通道之间的信号干扰问题,主要措施是在前置放大器的输入端采用屏蔽。 (3) 微弱信号的非失真放大问题。 (4) 对制动装置(直流力矩电机)的控制问题, 包括控制系统的方案选取以及控制参 数的整定。 (5) 此噪声放大器的设计问题。

2.2 系统设计方案
2.2.1 系统框图 整套张力控制系统实行的是闭环反馈控制。系统运行时,首先通过张力传感器实时 监测并显示纤维线绳上的张力,然后再通过控制系统执行机构直流力矩电机的阻力矩来 稳定纤维线绳上的张力,达到恒定张力,提高纤维复合材料质量的目的。在铺放过程中 由 共, 系统随时监测纤维丝上的张力大小, 经过 CPU 与设定值进行比较计算后, D/A(数 字量信号转换成模拟信号)输出模拟控制电压信号,再由功率放大器放大后制动直流力
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矩电机, 让其恒定运转, 提供恒定的阻力距, 从而稳定纤维丝上的张力大小以控制张力。 整个系统的基本组成如图 2-1 所示。

图 2-1 系统组成框图

2.2.2 硬件电路设计 本节将重点介绍这套张力控制系统的各个相关环节的硬件电路设计,这些电路都被 封装在张力控制仪的内部。下文就是电路中电源、滤波、放大等各个相关环节的电路设 计、所采用的电器设备以及电路连接等方面逐个进行介绍。 (1) CPU 使用 AT89C52 单片机,程序容量 8K,晶振使用 11Hz。这是整个张力控制系统的运 算和控制中心。AT89C52 是美国 ATMEL 公司生产的低电压、高性能 CMOS 8 位单片机, 片内含 8k bytes 的可反复擦写的 Flash 只读程序存储器和 256bytes 的随机存取数据存储 器(RAM),功能强大的 AT89C52 单片机适用于较多较为复杂的控制应用场合。空闲方 式时停止 CPU 的工作,但是允许 RAM、定时/计数器、串口通讯口及终端系统继续工 作。掉电方式时保存 RAM 中的内容,但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到 下一个硬件复位。鉴于以上种种性能优点,因此,本文中的张力控制系统选用 AT89C52 作为系统 CPU。 (2) 外部存储器: 使用 EEPROM2864。用于存储设定的 8 根丝的张力值、各个通道的 PID 控制参数 以及其他一些参数。EEPROM(Electrically Erasable Programmable Red Only Memory,电 可擦除可编程只读存储器)的擦除不需要借助其他设备,它是以电子信号修改内容的, 而是以 Byte 为最小修改单位,没有必要将原来的资料全部洗掉才能写入,这样的性能 只读存储器)、 EPROM 在编写和擦除时各种束 彻底的摆脱了 ROM(Read Only Memory, 缚,得到很广泛的使用。EPROM2684 是可读写掉电能保存的存储器,可以被保护单元
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中存储定值和调试所需的参数。但是在更换主机板时 EEPROM2864 只能对应原来的保 护单元,否则将造成保护单元的不能正常工作。 (3) 通讯: 采用 RS232 通讯方式, 芯片为 MAX232。 其中包含两路接受器和驱动器的 IC 芯片, 适用于各种 EIA-232 和 V.29/V.24 的通信接口。从 MAX232 芯片中两路发送接收中任选 一路作为接口。使用时要特别注意其发送、接收的引脚的对应关系,如 T2in 引脚接单 片机的发送端 TXD, PC 机得 RS232 的接收端 RXD 一定要对应 T2in 引脚; 则 同时,R2out 接单片机的 RXD 引脚,PC 机得 RS232 发送端 TXD 对应接 R2in 引脚。其接口电路如 图 2-2 所示

+
上位机

C3

vCC C5

+ C1 RS232 RXD TXD GND + C2

1 2 3 4 5 6 7 8 C4

C1+ vCC 16 V+ GND 15 C1T1out 14 13 C2+ MAX232R1in 12 C2R1out VT1in 11 T2in 10 T2out R2out 9 R2in

89C52 RXD TXD GND

+

图 2-2 采用 MAX232 的串行通信连接电路图

这里有一点说明:由于器件对电源噪声很敏感,Vcc 必须对地加去藕电容 C5,其值 为 0.1 ? F。电容 C1~C4 取同样数值的钽电解电容 1.0 ? F/16V,用以提高抗干扰的能力, 电容连接时要尽量靠近芯片 MAX232。 (4) 复位电路: 初步选用上电复位两种方式。复位功能是单片机的初始化操纵,其主要作用是把 PC 初始化为 0000H,使单片机从 0000H 单元开始执行程序。除了进入系统正常初始化 之外,当由于程序运行出错或操纵错误使系统处于死锁状态时,为摆脱困境,也需要按 复位键重新启动。复位功能的信号是通过 89C52 单片机的 RESET 引脚输入的,复位信 号是高电平有效,其有效时间持续 24 个振荡周期以上,本张力控制系统使用的晶振频 率是 11MHz,那么复位信号要持续 2.2 ? s 左右才能完成复位操纵。
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复位操作由上自动复位和按键手动复位两种方式:上电自动复位是通过外部复位电 路的电容充电来实现的, 只要电源 Vcc 的上升时间不超过 1ms 就可以实现自动上电复位, 即接通电路完成了系统的复位初始化。按键手动复位又可以分为电平方式和脉冲方式两 种。前者是通过使复位端经电阻与 Vcc 电源接通而实现的;后者则是利用 RC 微分电路 产生的正脉冲来实现的。图 2-3 中,包含了上点自动复位和按键手动复位两种方式。
VCC 1K 51K

RESET1 S1 RESET2 2 3 1uF/16V
图 2-3 复位电路图

22uF/16V
或非门

74LS28

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接89C52信号 RESET引脚

复位电路虽然简单,但是它的作用相当重要。一个单片机系统能否正常运行,首先 要检查的就是能否复位成功。可通过示波器探头监视 RESET 引脚,按下复位键后,观 察是否足够幅度的波形输出(瞬时的); 还可通过改变复位电路的电阻电容值进行试验[9]。
(5) 报警电路:

采用声光报警,光报警拟利用数码闪烁显示的方式。当系统在运行过程中出现断丝 (即测量张力值小于设定的阀值下限)或者丝线缠绕(即测量张力值大于设定阀值上线) 时, 立刻通过声音提示和显示闪烁的方式通知使用者系统出现故障, 让其尽快解决问题, 使系统恢复正常运行。
(6)A/D(模/数)转换:

使用内部带有 20KHz 采样频率的采样保持芯片 AD1674 ,结合模拟多路开关
AD7501,实现 8 路张力电压信号的采样。 AD1674 是美国 AD 公司推出的一种完整的 12 位并行(模/数)转换单片集成电路。

该芯片内部自带采样保持器(SHA)、 伏基准电压源、 10 时钟源以及可和微处理器总线直 接接口的暂存/三态输出缓冲器。AD1674 的内部结构紧凑,集成度高,工作性能(尤其 是高低温稳定性)较好,而且可以使设计板面积大大减小,因而可降低成本并提高系统 的可靠性。在张力控制系统中,AD1674 可以实时的采集各个传感器的模拟参量,进行
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快速、精确的数据转换并传给 CPU 进行数据处理,从而有效地控制整个张力控制系统 的检测精度。 正因为 AD1674 具有以上这些特点, 在本套张力控制系统中, 选用 AD1674 作为 A/D 转换的核心装置,其连线原理如图 2-4 所示。
0.1uF -12V 2 11 G D 12/8 N -V s 5 0.1uF WQ R R /C 4 7 +V s A 0Q A 0/SC 3 C A 1674 S +12V D 6 IO W C R E 28 8 R EFout STA S TU 27 Q7 D m sb-11 26 14 20V spn Q6 D D 10 B 25 Q5 D D9 B 24 13 10V spn Q4 D D8 B 23 A out N Q3 D D7 B 22 Q2 D D6 B 21 12 Q1 D D5 B B of PLR 20 Q0 D D4 B 19 Q7 D D3 B 18 9 A -G D N N Q6 D D2 B 17 Q5 D D1 B 16 10 REF-IN Q4 D IsbD B0 V cc 1 V cc
图 2-4 AD1674 连线图

0.1uF

+12V 14 V +

V cc

3

A B C

16 1 4 2

24 S1 S1 23 S2 S2 A 7501 22 D S3 S3 21 S4 S4 A 0 20 S5 S5 19 A 1 S6 S6 18 A 2 S7 S7 17 S8 S8 12 GD N OT U TP1 V EN 12 0.1uF 0.1uF

+12V 8 3 + 1 LM 358 LM out 2-

-12V

4 -12V

本文所述系统中要同时进行 8 路纤维铺放设备中的张力控制,当系统中有多个变化 较为缓慢的模拟量输入时, 常常采用模拟多路开关, 利用它将各路模拟量轮流与 A/D 转 换器接通, 这样使用一片 A/D 转换器就可完成多个模拟输入信号的依次转换, 从而节省 了硬件电路。目前已有多种型号的模拟多路开关集成芯片,它们的功能基本相同,仅在 某些参数和性能指标上有所差异。本文使用的是一种具有代表性的模拟多路开关芯片 AD7501,他是一种 8 路输入,1 路输出的集成芯片。当 EN 高电平有效时,A0、A1、 A2 三个输入端状态的组合决定接通 8 路输入模拟信号 S1~S8 的某一路 Si,即将 Si 于 OUT 端接通输出,真值表见表 2-1,AD7501 的连线如图 2-4 所示。这里同时指出,由 于模拟多路开关的引入也引入了误差和延时, 在选择模拟多路开关时, 要结合具体要求, 综合考虑这些性能指标,从而进行选择

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表 2-1 AD7501 真值表 A0 0 0 0 0 1 1 1 1 X A1 0 0 1 1 0 0 1 1 X A2 0 1 1 1 0 1 0 1 X A3 1 1 1 1 1 1 1 1 0 接通 Si S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 无

(7) D/A(数/模)转换: 采用 8 片 8 位的 DAC0832,分别驱动 8 路控制器。 DAC0832 是采用 CMOS 工艺制造的 8 位单片 D/A 转换器,主要由两个 8 位寄存器和一 个 8 位 D/A 转换器组成,使用两个寄存器(输入寄存器和 DAC 寄存器)的好处是能简化 某些应用中的硬件接口电路设计。DAC0832 采用二次缓冲方式,这样可以在输出的同 时,采集下一个数据,从而提高转换速度;更重要的是能够在多个转换器同时工作时, 实现多通道 D/A 的同步转换输出。DAC0832 分辨率位 8 位;只需在满量程下调整其线 性度; 可与所有的单片机或微处理直接接口, 需要时亦不可与微处理器连接而单独使用; 电流稳定时间为 1 ?s ;可双缓冲、单缓冲或直通数据输入;功耗低,约为 200mW。 DAC0832 的输出是电流型。然而在控制系统中,需要使用的是电压信号,因此,需要 通过运算放大器将其转换成单极性输出,接线如图 2-5 所示,对应数字量 00~FFH 的模 拟电压 V0 的输出范围是 0~-VREF,但是系统需要输出电压是+1.2~+3.7V,因此通过反 相器调整输出电压 VOUT 的范围是+1.2~+3.7V。

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GND

+5V 20 VCC 7 Iout1 D0(ISB) 6 D1 Iout2 5 D2 4 D3 Rfb 16 D4 DAC0832 15 D5 Vref 14 D6 ILE 13 D7(MSB) DGND 1 CS WR2 17 Xfer WR1 AGND 3 GND

-12V 11 12 9 8 19 10 18 2 + V0

50K

5K + GND Vout

10K +12V

+5V GND

图 2-5 DAC0832 接线图

(8) 放大与滤波: 滤波器是一种能使用频率信号通过而同时抑制(或衰减)无用频率信号的电子电路 或装置,实际工程上常用它来进行信号处理、数据传送和抑制干扰等。以往滤波器主要 采用无缘元件 R、L 和 C 组成,目前一般由集成运放、R、C 组成(常称为有源滤波器)。 有源滤波器具有输出阻抗约为 0,电压放大倍数大于 1,体积小于重量轻等优点。因集 成运放的带宽有限,有源滤波器的工作频率最大可达 1MHz。通常用频率响应来描述滤 波器的特性。 对于滤波器的幅频响应,常把能够通过的信号频率范围定义为通带,而把受阻或衰 减的信号频率范围成为阻带,通带和阻带的界限频率叫做截止频率。滤波器在通带内应 具备零衰减的幅频特性和线性相位响应,而在阻带内应具有无限大的幅度衰减。若按照 受阻或衰减的信号频率范围,滤波器通常分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器以 及带阻滤波器等几大类。本文中张力控制系统采用的是带通滤波器。在滤波器的设计过 程中,采用集成运放、R、C 组成有源滤波器。 在张力传感器采集到原始应变信号后,经过应变电桥的相应处理转换成模拟电压信 号时其输出信号比较微弱,而且其中还包含工频、静电和电磁耦合等共模干扰,首先需 要通过运放 AD624 进行信号放大,再将被放大的信号通过由集成运放 OP-07 组成的带 通滤波器进行滤波处理之后才将信号输出,以供后续数据处理使用。在滤波器前置放大 器的目的是为了提高信号的信噪比。接线原理如图 2-6 所示。
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+12V 0.1pF 20K
输 入 2000pF 模 拟 信 号

10K

0.2pF

-12V

-IN 1 3 5

20K

8 4 5 1 - + IN N LL U 2 13 X 100 10 4 12 X 200 6 11 X 9 500 A 624 D 16 R 1 G 6 3 R2 G 2 + +IN 7 14 15 0.1pF

4 2 10K 10K 3 O P-07 + 718 +12V 6
输 出

0.1pF

-12VO T N LL U U
图 2-6 放大、滤波电路接线图

在这个电路设计中,为了保证信号放大之前的应变电桥线性度,要求负载电阻足够 大,也就要求放大电路具有很高的共模抑制比、高增益、低噪声和高输入阻抗,普通的 放大电路很难实现,通常采用集成测量放大器来实现传感器信号的放大。本文选用 AD 公司生产的 AD624 芯片,它是一种高精度、低噪声、高增益精度、低增益温度系数和 高线性度的测量放大器,是应用于高分辨率数据采集系统的理想器件。它主要包含这些 特点:良好的噪声特效,在 1kHz 时输入噪声的典型值小于 4nV/Hz;芯片内提供 1、100、 200、500、1000 倍的引脚可设增益,其他增益可通过一个外接电阻实现;所有预增益设 置均保证失调电压、失调电压漂移、增益精度和增益温度系数;具有完全独立的输入和 输出失调调零端,从而减少了增益调整过程中的失调电压影响;带有一个检测端,使用 户能够减少长引线导致的误差,还有一个参考端以便调整输出点偏移。而 OP-07 则是一 种性能优良。价格低廉的低漂移型运算放大器,其输入级为共射-共基组态的差动放大 器,采用直接耦合型多级放大电路,其温度漂移主要由输入级决定。 (9) 张力控制仪电源:采用 5V,12V,-12V 供电。

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第 3 章 张力检测机构设计
在测试技术中,除了直接用电阻应变丝(片)来测定试件的应变和应力外,还广泛利 用它制成各种应变式传感器来测定各种物理量,如力矩、压力、加速度等,应变式传感 器是目前应用最广泛的传感器之一。应变式传感器的基本构成通常分为两部分:弹性敏 感元件及应变片(丝)。弹性敏感元件在被测物理量的作用下产生一个与物理量成正比的 应变,让后用应变片(丝)作为传感元件转换为电阻变化。应变式传感器与其他类型传感 器相比具有以下特点: (1) 测量范围广:如应变力传感器可测 10-2~107 的力,应变式压力传感器可测 10-1~106Pa 的压力; (2) 精度高:高精度传感器的误差可达 0.1%或更高; (3) 输出特性的线性好。 (4) 性能稳定,工作可靠。 (5) 能在恶劣环境、大加速度和振动条件下工作,只要进行适当的构造设计及选用 合适的材料,还能在高温或低温、强腐蚀及核辐射条件下可靠工作[10]。 由于应变式传感器具有以上特点,因此它在控制技术中心占有很重要的地位,在航 空航天、机械、电力、化工、建筑、医学、汽车工业等多种领域中有很广泛的应用。本 章就从电阻应变片的应变效应及工作原理开始,详细介绍应变式传感器,并重点说明在 这套纤维铺放张力控制系统中张力传感器的设计。

3.1 电阻应变片工作原理及横向效应 电阻应变片工作原理及横向效应
3.1.1 金属的电阻应变效应及应变片结构 在介绍电阻应变效应之前,先从电阻应变片的基本结构说起。电阻应变片的结构繁 多,形式各异,但其基本结构大体相同,它一般由敏感栅、基底、粘合剂、引线、盖片 等组成。 敏感栅为应变片的敏感元件, 通常用高电阻率金属细丝支撑, 直径 0.1~0.05mm, 并用粘合剂将其固定在基底上。基底的作用应保证将构件上的应变准确的传递到敏感栅 上去,因此它必须很薄,一般为 0.03~0.06mm,另外,它还应有良好的绝缘性能、抗潮 和耐热性能,一般采用纸具、角膜基底、玻璃纤维布。 纸具有柔软、易于粘贴、应变极限大和价格低等优点,但耐热耐湿性差,一般工作 在 70℃以下,若浸以酚醛树脂类粘合剂,使用温度可提高到 180℃,且时间稳定性好, 适用于测力等传感器。胶膜基底是由环氧树脂、酚醛树脂和聚酰亚胺等有机粘合剂支撑 的薄膜。胶膜基底具有比之更好的柔性、耐湿性和耐久性,适用温度可达 100~300℃。
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玻璃纤维布能耐 400~450℃高温,多用作中温或高温应变片基底。敏感栅上面粘贴有覆 盖层,敏感栅电阻丝两端焊接引出线,用以好外接电路相连接。 应变片基长为敏感栅轴向测量变形的有效长度,对具有圆弧端得敏感栅,是指圆弧 外侧之间的距离,对具有较宽横栅的敏感栅,是指两侧内侧之间的距离。应变片宽度是 指最外两敏感栅外侧之间的距离。 金属电阻应变效应——金属丝的电阻大小会随它所受到的机械变形(拉伸或压缩) 而发生变化, 因为金属丝的电阻 R 与材料的电阻率 ρ 及其几何尺寸(长度 L 和截面积 S) 有关,当金属丝承受机械变形时,这些参数发生变化,因为引起金属丝的电阻变化。用 公式表示为:
R=ρ L S

(3-1)

式中: R——电阻值

ρ ——电阻系数
L——金属丝长度 S——金属丝横截面积 由此式可推导得:
dR / R dρ / ρ

εx
式中: ε x ——金属丝轴向应变 ε x =
dl l

= (1 + 2 ? ) +

εx

(3-2)

? ——金属丝材料的泊松系数
令上式等于 K0,K0 称为金属丝的灵敏系数,其意为金属丝产生单位变形时电阻相对变 化的大小。显然,K0 越大,单位变形引起的电阻相对变化越大,即越灵敏。从(3-2)可 以看出,影响 K0 的两个因素中第一项(1+2 ? )是材料受力后其几何尺寸发生变化引起 的; 第二项
dρ / ρ

εx

则是材料发生变形时, 其自由电子的活动能力和数值均发生变化所致,

该项无法用解析式表达。因此,只能依靠实验求得 K0 值。大量实验证明,在金属丝弹 性变形范围内,电阻的相对变化 dR/R 与应变 ε x 成正比,因此 K0 为一常数,则(3-2)可 表达为:
?R = K 0ε x (3-3) R 然而,当将金属丝材料做成的敏感栅后,其电阻应变特性与金属单丝时有所不同,必须
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按统一标准重新进行试验测定。 测定时规定, 将电阻应变片贴在一维应力作用下的试件 上,例如受轴向拉压的直杆或纯弯梁等。试件材料规定为泊松系数 ? = 0.285 的钢,用 一定加载方式使直杆或梁发生应变, 用精密电阻电桥或其他仪器测出应变片相对应的电 ?R 阻变化,便可得到电阻应变片的电阻应变特性。实验证明,应变片的 与 ε x 的关系在 R 很大范围内仍然有很好的线性关系,即:
?R ?R / R = Kε x 或 K = R εX

(3-4)

式中 K 为电阻应变片的灵敏系数。应变片的灵敏系数是通过抽样法测定的,应变片一 旦粘贴到试件上,就不能取下再用,所以,只能在每批产品中按一定比例(一般为 5%) 抽样测定灵敏系数 K 的值,然后取其平均值作为这批产品的灵敏系数,称为“标称灵 敏系数” 。实验表明,应变片的灵敏系数 K 总小于同种材料金属丝的灵敏系数 K0。这 是受到所谓横向效应的影响。 3.1.2 横向效应简介 横向效应是指金属直丝在受到单位拉伸时, 其任一微段所感受的应变都相同, 且每 一段都是伸长,因而,每一段电阻都将增加,线材总电阻的增加为各微段电阻增加的综 合,但是,将同样长度的线材弯曲成应变片后,情况就不一样了。若将这样的应变片粘 贴在单向拉伸的试件上,这是个直线段上的电阻丝只感受轴向拉伸应变 ε x ,故各微段 电阻都将是增加的;但是,各微段沿轴向(即微段圆弧的切向)的应变并非 ε x ,所产生 的电阻变化与直线段上同长微段的不一样,在 θ = π / 2 的微圆弧段处最为明显。由于单 向拉伸时,除了沿水平方向有拉应力外,同时在垂直方向按泊松关系产生应变- ε x ,因 此,该微段的电阻不仅不增加,反而会减少,而在圆弧的其他各微段上,其轴向感受的 应变由- ε x 变化到+ ε x 。因此,圆弧段部分的电阻变化必然小于其等长电阻丝轴向的电 阻变化。所以直的线材绕成敏感栅后,即使总长度相同,应变状态一样,应变片敏感栅 的电阻变化仍要小些,灵敏系数有所释放。这就是应变片的横向效应现象。由此可知, 敏感栅感受应变时,其电阻相对变化应由两部分组成:一部分与纵向应变有关,另一部 分与横向应变有关。 由于横向效应的存在, 当电阻应变片垂直方向应变不符合泊松比关系时, 如果仍按 标称灵敏系数计算,必将造成误差。要减少横向效应所造成的误差,一般来说,敏感栅 窄、基长愈长的应变片,其横向效应引起的误差就小。因此,适用大基长应变片,横向 效应引起的误差小,但是当应力分布变化大时,必须使用小基长的应变片,因为应变片
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所测得的是在它基长内应变平均值。

3.2 电阻应变片的动态响应特性
前面详细介绍了金属电阻的应变效应,金属应变片的结构和工作原理以及横向效 应。 同时, 电阻应变片测量变化频率较高的动态应变时, 要同时考虑他的动态响应特性。 实验表明,在动态测量时,机械应变以相同于声波速度的应变波形式在材料中传播。应 变波有试件材料表面经粘合剂,基底到敏感栅,需要一定时间。前两者都很薄,可以忽 略不计,但是当应变波在敏感栅长度方向上传播时,就会有时间的滞后,对动态应变测 量就会产生误差。应变片的动态响应特性就是其感受随时间变化的应变时的响应特性。 应变以波的形式从试件(弹性元件)材料经基底、粘合剂,最后传播到敏感栅,各个 环节的情况不同。应变波在他你信哪个材料中传播时,其速度为:
v= E

ρ

式中: E——试件材料的纵向弹性模量;

ρ ——试件材料的密度。
应变波由试件表面粘合剂、基底到敏感栅,需要的时间非常短,如应变波在粘合剂 中的传播速度为 1000m/s,粘合剂和基底的总厚度为 0.05mm,则所需时间为 5 × 10 -6s, 因此可以忽略不计。而当应变波在敏感栅长度方向上传播时,情况与前三者不一样。由 于应变片反映出来的应变波形是应变片丝栅长度内感受应变量的平均值,即只有当应变 波通过应变片全部长度后应变片所反映的波形才能达到最大值,这就会有一定的时间延 迟,对动态测量产生影响。故影响应变片频率响应特性的主要因素是应变片的基长[10]。 应变片的可测频率或者称截止频率可分成正弦应变波和阶跃应变波两种情况来分 析。 正弦应变波响应特性:应变片反映的应变波形是应变片线栅长度内所感受应变量的 平均值,因此应变片所反映的应变波幅将低于真实应变波,这就造成一定的误差。应变 片的基长增大,该误差也增大。设应变波的波长为 λ ,应变片的基长为 l 0 ,其两端的坐 标为 x1 =

λ
4

?

l0 λ l ,x 2 = + 0 , 此时应变片在其基长 l 0 内测得的平均应变为 ε p 最大值为: 2 4 2

εp =



x2

x1

ε 0 sin



x 2 ? x1

λ

xdx

=

λε 0 πl sin 0 πl 0 λ

(3-6)

19

故应变波幅差为 e :

e=

ε p ?ε0 ε0

=

πl λ sin 0 ? 1 πl 0 λ

(3-7)

由上式可知, 测量误差 e 与应变波长对基长的相对比值 n = λ / l 0 有关, 愈大, n 误差愈小, 一般可取 n=10~20,其误差小于 1.6%~0.4%。 阶跃应变波的情况:由于应变片所反映的波形有一定的时间延迟才能达到最大值, 若输出从 10%上升到 90%的最大值这段时间作为上升时间 t k ,则 t k = 0.8l 0 / v ,应变片 可测频率 f = 0.35 / t k = 0.44 v / l 0 。

3.3 电阻应变片的温度误差及补偿
电阻应变片由于其动态响应特性限制了其使用的频率范围,同时,作为感应应变的 电阻应变片,我们希望它的电阻只随应变而变,不受任何其他因素影响,但实际上应变 片的电阻变化受温度影响很大。例如把应变片安装在一个可以自由膨胀的试件上,使试 件不受任何外力作用,此时如果环境温度发生变化,应变片的电阻将随之发生变化。电 阻应变片由于温度所引起的电阻变化比试件应变所造成的电阻变化几乎具有相同的数 量级,如果不排除这种影响,势必给控制带来很大误差,应变片将无法正常工作。 这种由于环境温度带来的误差称为应变片的温度误差,主要由两方面原因造成: (1) 敏感栅的金属电阻丝电阻本身随温度将发生变化,电阻和温度的关系可用下式 表示: Rt = R0 (1 + α?t ) ?Rta = Rt ? R0 = R0α?t (3-8)

式中: Rt ——温度为 t 时的电阻值; R0 ——温度为 t0 时的电阻值;
?t ——温度的变化值; ?Rta ——温度变化时的电阻变化;

α ——应变丝的电阻温度系数,表示温度改变 1℃时的电阻的相对变化。
(2) 试件材料与应变丝材料的线膨胀系数不同,使应变丝产生附加变形,从而造成
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电阻变化。取一段长为 l 0 的应变丝,当温度改变 ?t ℃时,应变丝受热膨胀到 l st ,而应变 丝 l 0 下的构件伸长为 l gt 与温度关系如下:
l st = l 0 (1 + β s ?t ) = l 0 + l 0 β?t

?l s = l st ? l 0 = β s l 0 ?t
l gs = l 0 (1 + β g ?t ) = l 0 + l 0 β g ?t ?l g = l gt ? l 0 = β g l 0 ?t (3-9)

式中: l 0 ——温度为 t0 时的应变丝长度;
l st ——温度为 t 时的应变丝的自由膨胀长度;

β g 、 β s ——应变丝与构件材料的线膨胀系数,温度改变 1℃时长度的相对变化;
?l s 、 ?l g ——应变丝与构件的膨胀量。

由 3-9 这组式子可知,如果 β g 与 β s 不相等,则 ?l s 与 ?l g 就不等,但是应变丝与构件是 粘合在一起的,因此应变丝被迫从 ?l s 拉长到 ?l g ,这就使应变丝产生附加变形 ?l ,从 而使应变丝受到附加应变 ε β 而产生电阻变化 ?Rtβ ,其中:
?l = ?l g ? ?l s = ( β g ? β s )l 0 ?t

ε β = ( β g ? β s )?t
?Rtβ = R0 Kε β = R 0 K ( β g ? β s )?t (3-10)

式中: β g 、β s ——应变丝与构件材料的线膨胀系数,温度改变 1℃时长度的相对变化;
K——电阻应变片的灵敏系数; 因此,由温度变化而引起的总额电阻变化 ?Rt 为: ?Rt = ?Rta + ?Rtβ = R0α?t + RK ( β g ? β s )?t 折合成应变量为: (3-11)

εt =

?Rt / R0 α?t = + ( β g + β s )?t K K

(3-12)

21

由上式可知,因环境温度改变而引起的附加电阻变化所造成的虚假式应变,除与环境温 度变化有关外,还与应变本身的性能参数(K、 α、β )以及被测构件的线膨胀系数有关。
实际上,温度与应变片特性的影响远非上述两个因素所能概括。温度变化还可通过其他 途径来影响应变片的工作。例如温度变化会影响粘合剂传递变形的能力,从而对应变的 特性产生影响,过高的温度甚至使粘合剂软化而完全丧失传递变形的能力。但是在一般 常温和正常工作条件下,上述两个因素还是造成应变片温度误差的主要原因[10]。 要想正常使用电阻应变片,它的温度误差要首先排除的。温度补偿方法通常有桥路 补偿法和应变皮自补偿两大类。 所谓的桥路补偿也称为补偿片法,是效果较好而常用的一种发放。通常应变片工作 时是作为平衡电桥的一个桥壁测量应变的,将工作应变片粘贴在试件上需要测量应变的 地方,补偿片粘贴在一块不受力而与试件材料相同的补偿件上,补偿件不受应变,自由 的放在试件上或附近,工作片和补偿片分别为电桥的相邻两臂。当温度发生变化时,工 作片和补偿片的电阻都发生变化,而他们由于温度引起的电阻阻值变化也相同,桥路输 出不受温度影响,只与被测件应变有关,就起到了温度补偿作用。桥路补偿法的优点是 方法简单,在常温下不长效果较好,缺点是在温度变化梯度较大的条件下很难保证工作 片和补偿片所处的温度环境完全一致,从而影响补偿效果。 应变片自补偿法是指在被测部位粘贴一种特殊的应变片来实现的温度补偿方法,当 温度变化,产生的附加应变为零或相互抵消,这种特殊应变片称为温度自补偿应变片。 上述三种补偿片各有各自的有点和使用范围,应根据实际情况进行选择使用。

3.4 张力传感器调整电路
3.4.1 电桥原理
前面介绍的电阻应变片通常是一个传感器系统中的传感元件,当传感元件把各种被 测非电量转换为 R、L、C 的变化后,必须进一步把它转换成电流或电压变化,才有可 能用电测仪器来进行测定,电桥测量线路正是进行这种变换的一种最常用的方法,下面 从不平衡电桥的基本原理入手,分析本控制系统中运用的传感信号测量桥路。 在测量动态应变时,由于电阻变化较快,一般采用不平衡电桥法,即偏转法来检测 应变电阻变化。这时交流或直流供电均可,在电桥的输出端接入检流计或放大器,如图

3-1 所示,

22

1 R1+△R1 R2

3

4

USC

K

R3 2 U

R4

图 3-1 交流不平衡电桥

在输出电流时,为使电桥有最大的电流灵敏度,要求电桥的输出电阻指示器的内阻尽量 相等。由于放大器的输入阻抗远比电桥的输出电阻大,故实际上要求电桥有较高的电灵 敏度,比便较小的 ?R / R 就产生较大的 Usc 值。设交流电桥的供电电压为 U,R1 是应变 片,R2、R3、R4 均为阻值固定的电阻。当应变片未承受应变时,电桥输出电压为零;承 受应变后,产生 ?R1 变化,电桥的不平衡输出为:

U sc = U 1 ? U 2 = U

R4 ?R1 / R3 R1 (1 + ?R1 / R1 + R2 / R1 )(1 + R4 / R3 )

(3-13)

令 R2/R1=n,电桥的初始平衡条件为,以及忽略分母中的微小项,上式经整理得:

U sc ≈ U
因此,电桥的电压灵敏度为:
KU =

?R1 n 2 (1 + n) R1

(3-14)

U SC n =U ?R / R1 (1 + n) 2

(3-15)

由上式可以看出,电桥电压灵敏度与供桥电压的桥臂电阻比值 n 二者有关,供桥电压越 高,电压灵敏度越高。当 n=1,即 R1=R2,R3=R4 的对称条件下,电压灵敏度最大,这种对 称电桥得到最广泛的应用。此时上面的表达式可简化为:

1 ?R1 U sc ≈ U 4 R1
1 KU = U 4

(3-16)
(3-17)
23

上面的分析是基于应变片的参数变化很小的基础之上的,即 ?R / R << 1 ,因此在分 析电桥输出电流或电压与各参数关系时, 都忽略了分母中该项, 从而得到的是线性关系, 这是理想情况。当应变片承受很大应变时, ?R / R 就不能忽略,于是,实际的非线性特 性曲线与理想的线性特性曲线之间就有了偏差,即非线性误差。在一些电阻相对变化较 大,或者测量精度要求较高的情况下,这种非线性误差不能忽略,必须采取措施来减小 或者消除误差。 常用的方法有差动电桥法和恒流源电桥法两种方法。 前者是根据被测试件的应变情况,在电桥的相邻两臂同时接入两片工作应变片,使 其中一片受拉力作用,一片受压应力作用,此时变成差动电桥,也称惠斯登电桥。由于 差动电桥的相邻桥壁的电阻变化互相抵消,因此不仅没有非线性误差,而电压灵敏片比 单位工作时提高了一杯,同时还起到了温度补偿作用。如果在差动电桥中接入四片工作 片,其输出将比单工作片提高四倍,鉴于差动电桥具有以上优点,在非电量电测技术中 的到了广泛的应用。归根到底,差动电桥法是使电桥工作臂支路中的电流不随 ?R1 的变 化而变,或者尽量减小变化,从而减小非线性误差。从这里得到启示,如果采用恒流源 供桥,也一定能减小非线性误差,实验证明,恒流源电桥的非线性误差会减小一半。 3.4.2 张力传感器结构设计 在介绍了应变式传感器以及惠斯登电桥的基础上,现在来看在这个张力控制系统中 是如何使用应变式传感测量张力的。在这个控制系统中,张力传感器是保证控制精度的 关键部件,其形式的设计或选用主要根据量程、精度和安装要求综合考虑。初步选用悬 臂杆式三辊张力传感器结构,如图 3-2 所示。 在铺放过程中,导向轮的位置不变,则丝通过下轮后的夹角 2α 不变,作用在连接 悬臂式传感器的轮子上的集中力 R 为: R=2T cos α (3-18) 理论上 R 只与 T 有关, 但由于导向轮的内圈和外圈存在摩擦力, 所以在实际控制系统中 存在理论误差,这时张力的控制是很不方便的,所以在选用轴承的时候,要选择微型轴 承,并且其摩擦系数要尽量的小。因为应变片测量的是集中力 R,从而图 3-2 中可知, 角度固定时,集中力 R 和张力 T 成线性关系,在实际张力控制过程中,为了保证应变片 的应变只与张力的大小有关而和张力产生的位置无关,以提高控制精度,减小误差,采 用了图 3-3 中传感器结构,此时可以保证被测的张力产生在应变片 1 和应变片 2 的中间 位置上,从而应变片产生的应变中将不包含位置因素产生的误差。同时由于机电轴缠绕 的纱筒半径基本稳定不变,纤维线绳又缠绕在纱筒上,当电机以一定转速旋转时,反映 在纤维线绳上的张力就是电机转矩和纱筒半径的乘积,也就是说此时张力和电机转矩是 成比例的线性关系,因此,可以直接通过测量的张力来间接反映电机的转矩。
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图 3-2 张力传感器布置原理图

图 3-3 张力传感器示意图

在确定了张力传感器的结构之后,就要选择合适的弹性敏感元件。根据条件,最大 张力 Tmax=3kg,应变片的最大应变 ε max = 1000 ?ε ,选用材料为 LY12,此时 E=70GPa,
25

由图 3-3 知道: 应变片 1 和应变片 2 产生的力矩分别表示为 M 1 和 M 2 , M 1 ? M 2 = 2TL , 则 同时 WE (ε 1 ? ε 2 ) = 2TL ,T 为力,W 为弯矩模量 bh 2 / 6 ,简化后可得: bh 2 = 2.25 × 10 ?6 m 2 L
(3-19)

完成以上张力传感器的基本结构及弹性敏感元件的参数设计之后,接着要考虑的是 张力传感器的频率响应。 将传感器分为两部分,首先考虑梁的自重,即分布载荷的作用。设梁的横截面尺寸 为 h × b ,密度为 γ ,将梁的自重折合到自由端得重量设为 m1,则有:
3 3 m1 γ ( Lbh) = m 8 8 设刚性体部分的总质量为 M,则悬臂梁重质量: 3 m z = m1 + M = m + M 8 此悬臂梁的固有频率为: 1 f0 = 2π Ebh 2 4m z L3 (3-20)

(3-21)

(3-22)

根据上式,可知: 当 b=10mm, h=3mm, L=30mm, mz=1.8g, γ = 2.7 g / cm 3 时 f 0 = 1570 Hz ; 当 b=15mm, h=2.9mm, L=50mm, mz=100g, γ = 2.7 g / cm 3 时 f 0 113.9 Hz 。 到这里, 张力传感器的总体设计部分基本完成, 并且在整个控制系统调试运行期间, 这套张力传感器设备工作可靠,控制精度完全能够达到控制系统的性能要求。

26

执行结构—— ——直流力矩电机 第 4 章 执行结构——直流力矩电机
目前国内大都采用磁粉离合器作为张力控制系统的执行机构,磁粉离合器的磁通增 长速度取决于激磁线圈的电感量,磁通建立,磁粉由离散状态到形成横过间隙的磁粉链 时有延迟,纤维由于自身的伸展性也会有延迟张力的建立,这使磁粉离合器带有时间滞 后性;同时以磁粉离合器为执行机构的控制系统存在被动张紧和无法主动跟进的问题。 这些问题的存在影响整个系统的响应速度, 稳定性和控制精度。 直流力矩电机在低转速、 大转矩拖动系统中有广泛应用,如果把直流力矩电机作为自动控制装置用在张力控制系 统中来改进系统的时间滞后性和无法主动跟进等问题,可以有效地提高系统的控制精度
[6,7,8]

。 直流力矩电机的控制是本套控制系统的核心,本章将详细介绍在这套控制系统中的

执行机构——直流力矩电机的工作原理,输入输出的特性,控制方法等方面的问题。

4.1 直流力矩电机工作原理
永磁式直流力矩电机是一种能够在堵转状态下工作的控制电机,是由伺服电动机和 驱动电动机结合起来发展而成的特殊电机。其工作原理与普通直流伺服电机相同,但结 构不同,因此能运行于低转速、大转矩的场合。利用力矩电机具有能长期工作在堵转状 态的性能,可由堵转力矩提供卷绕材料张力,通过控制堵转力矩大小来控制张力。其基 本原理见图 4-1 它把直流电能转换成机械能,能带动轴上的生产机械做功。当电机转到 图 4-1(a)所示位置时,a b 导体刚好在 N 极下,c d 导体在 S 极下。直流电流由电源正极 经 A 刷流入电枢绕组,在线圈内部电流的方向是由 a 到 b,由 c 到 d。如果导体所在处 的磁通密度为 B、导体长度为 L、电流为 I,根据电磁力定律可知导体受力 F=BLI (4-1) 受力方向由左手定则判定 a b 和 c d 受力产生的转矩均为逆时针方向。当转子转过 180 度,到 4-1(b)所示的位置时,导体 c d 在 N 极下,导体 a b 在 S 极下。电流经 A 刷由 d 端流入线圈,在线圈内部方向是由 d 道 c,由 b 道 a,如图中箭头所示。根据左手定则 判定导体仍然产生逆时针方向的力矩。由此可知,虽然导体内部电流方向变了,但受力 方向的转矩方向不变,所以转子能够连续旋转,不断将直流电能转换成机械能。

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图 4-1 电机基本原理图

若设电枢导体总数为 N,导体有效长度为 L,电枢直径为 D,气隙平均磁通量为 B,支 路电流为 i ,电枢总电流为 I 支路对数为 a。电磁转矩: D ID T = NBLi = NBL (4-2) 2 4d 由上式看出,N 越大,D 越大,a 越小,电磁转矩越大。若考虑 NL 的乘积基本不变时,
T 与 D 成正比,即电枢直径增大一倍,电磁转矩也增大一倍。转速高低与电枢直径密切

相关,设电枢每条支路的导体数为 N/2a,则一条支路的感应电动势为: N E= BLπDn ≈ U 2a 式中:v——电枢表面线速度(m/s)
n——电枢转速 U——电枢两端电源电压(v)

(4-3)

以上分析说明了直流力矩电机采用圆盘状态结构增大转矩,并降低转速的基本原 理。因此,为了能在相同的体积和电枢电压下产生较大的力矩和较低的转速,直流力矩 电机一般都做成扁平形。定子是由软磁材料做成的带槽的圆环,槽中镶入永久磁钢作为 主磁场源,这样在磁隙中形成了分布较好的磁场。转子铁芯由导磁冲片叠压而成,槽中 放置电枢绕组,槽楔由铜板做成,两端伸出槽外,一段用于电枢绕组接线,另一端兼作 换向片,电刷装在电刷架上[11.12.13]。

4.2 直流力矩电机特点
直流力矩电机是一种具有软机械特性的款调速范围的特种电机。能广泛应用于金属 加工、塑料、印刷、放置、造纸、电线电缆、纤维制造等工业中。当电机负载增加时, 电机出轴的转速随之降低而输出力矩增加,保持着负载的平衡。直流力矩电机主要应用
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在一些需要卷绕,开卷和堵转的特殊工艺场合。例如,在纺织和造纸等加工工艺中,卷 绕就是一个十分重要的工序。产品卷绕时卷筒的直径逐渐增大,在整个过程中保持呗卷 产品的张力不变及其重要,因为张力过大会将线材拉细甚至拉断,或造成产品的厚薄不 均匀,而张力国小,则使卷绕松弛。在整个卷绕过程中保持张力的不变,必须在产品卷 绕到卷筒上的半径增大时驱动卷筒的电机输出力矩也增大,同时保持卷绕产品线速度不 变,须使卷盘的转速随之降低,力矩电机的机械特性恰好能满足这一要求。 本文讨论的张力控制系统以单片机为控制器,以直流力矩为执行元件,采用张力传 感器实时监测纤维张力。在结构上,力矩电机输出轴与纱筒相连,利用力矩电机可以长 期工作在堵转下的特性,利用其堵转力矩作为纱筒旋转的阻力使纤维产生张力,从而达 到通过控制力矩电机堵转力矩来控制纤维张力的目的。 采用直流力矩作为控制元件的控制系统,与其他执行元件相比,直流力矩电机的主 要特点是: (1) 反应速度快,直流力矩电机的机电时间常数小,约十几毫秒至几十毫秒; (2) 机械特性和调节特性的线性度好; (3) 能在堵转和低速下运行,堵转情况下能产生足够大的转矩而不损伤; (4) 可以不经过减速机构直接驱动负载,从而避免了齿隙误差,提高了传动精度。

4.3 直流力矩电机特性
在这套张力控制系统中采用的是 21 所研制生产的永磁式有刷直流力矩电机,型号 为 150LY001,它的标定参数如下: (1) 峰值堵转:转矩 2.94(N/m) ,电流 6(A),电压 60 ± 9 (V) (2) 测空载转速时电压 60(V) ; (3)空载转速 1167(r/min) (4)连续堵转:转矩 0.98(N/m),电流 2(A),电压 20 ± (V) (5)直流电阻 10( ? ) (6)转矩脉冲系数 3%。 4.3.1 直流力矩电机输入输出特性 本系统中采用的直流力矩电机是可以直接供电进行转速控制的,在进行电机特性测 试时, 首先直接给电机输入端加上可调稳压电源, 测量给定电压和测试张力之间的关系。 实验过程中, 在点击转轴上套上纱筒, 并在纱筒上缠绕线绳, 线绳的一段固定在纱筒上, 另一端通过导向轮经过三辊式张力传感器后也固定住,同时将传感器信号接入张力控制 这样可以直接测得给定直流力矩电机的电压和张力之间的关系。 只是在选 仪(见图 1-1), 择线绳时要注意选择弹性系数较小的材料, 如塑料绳, 这样试验中的测量误差相对较小。
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实验时,测得五组正反行程数据,并分别拟合了正行程和反行程的电机特性曲线; 同时还考虑电压和电流的关系, 同样也分别反行程测得五组数据, 部分实验数据见表 4-1
表 4-1 电压和张力及电流测试数据 电压 (V) 0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 张力正行程 测量值(g) 48.5 161.0 449.2 774.5 1114.7 张力反行程 测量值(g) 67.0 284.8 573.0 917.3 1195.0 电流正行程 测量值(A) 0.002 0.150 0.344 0.546 0.764 电流反行程 测量值(A) 0.002 0.160 0.350 0.560 0.768

数据处理时,先将五组数据进行平均计算后得到一组实验数据,经实验分析的,电机在 现有测试条件下,电压输入和张力输出是成线性关系的,可表示为:
f = 147.8u = 8.1726

(4-4)

式中:f——张力值;
u——直接给定电机的控制电压。

同时还可以得出电压和电流也成线性关系,通过实验数据可以得到电机的直流电阻约为
10 ? ,和给定的标定值基本吻合。

4.3.2 带控制器的直流力矩电机特性 由于直接给电机供电进行控制时给定的电压值比较高,造成张力控制仪的功耗增 大,同时数模转换输出电压是 0~5V,为了便于充分利用控制仪的资源进行电机控制准 备接入一个电机控制器间接给定电机控制电压。实验中采用的上海乃达驱动技术有限公 司生产的以四运放 LM339 为控制核心的有刷直流电机控制器。 在这组实验中,实验过程完全和前面直接测试电压和张力关系时是一致的,只是多 了一个控制器的连接, 同样测得五组控制电压和张力的数量关系, 部分实验数据如表 4-2 所示:

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表 4-2 接入电机控制器的电压和张力实验数据 电压(V) 正行程张力(g) 反行程张力(g) 0.3 67.8 75.6 0.9 67.9 79.4 1.5 138.4 281.8 2.1 1145.4 1269.8 2.7 1954.0 2029.4

平均后取得一组数值进行处理,得电压输入和张力输出可表示为: f = ?154.5u 2 + 1077.5u 2 ? 1206u + 280.6 式中:f——测量张力值; u——电机控制器输出控制电压。 为了方便控制电机转矩,为了提高控制精度和分辨率,本文通过硬件电路(图 2-5)只 取 1.2~3.7V 的控制电压, 在这段范围内张力和控制器的控制电压成线性关系, 可以得到 如下的函数关系:
f = 1257u ? 1439 (1.2~2.7V) f = 830u ? 286 (2.7~3.3V)

(4-5)

(4-6)

式中:f——张力值;
u——电机控制器输出控制电压。

通过以上电机特性的实验可以得到电机电气特性,得到控制电压和电机转矩的数量 关系。力矩电机作为低转速、大转矩的直流电动机。可在堵转下长期工作,也可以直接 带动低速负载,具有转速和转矩波动小,调节特性和机械性线性度好的优点,特别适用 于高精度的位置伺服系统和低速控制系统;但是其最大的缺点就是负载特性很软,电机 的输出力矩会随着电机转速的增加而降低。

4.4 张力控制算法
在连续控制系统中,PID 控制是一种有效较好的方法,在工业控制中得到广泛的应 用[14,15]。在电机运行时,采用闭环控制,张力设定值与张力反馈值比较后,其差值进入 单片机,经增量式数字 PID 控制算法运算后得到电机运行的控制量,通过 D/A 转换输 出控制信号,修正电机输出转矩,实现对张力的控制。直流力矩电机在系统中的控制流 程如图 4-2 所示。

31

图 4-2 直流力矩电机控制图示

当程序启动后,系统通过采样模块随时监测张力传感器的张力值并显示在显示面板 上, 上位机通过串口通讯设定该通道的张力值, 系统接收键盘指令后进入 PID 运算模块, 产生控制电压控制力矩电机力矩的变化, 使 经过处理后的控制信号送往 D/A 转换模块, 得张力值达到平衡。 控制程序中关键的部分是 PID 运算模块, 它决定着系统控制精度的高低和动态响应 的快慢。在模拟控制系统中,控制器常用的控制鬼律师 PID 控制。计算机控制是一种采 样控制,它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。因此,在控制输送张力时采用数字 PID 控制算法。 下面就从模拟 PID 控制说起,进而引入增量式数字 PID 的控制方法。 4.4.1 比例调节器(P) 比例调节器( ) 首先来看比例调节器,它是最简单的一种控制系统器,结构如图 4-3 所示:

图 4-3 比例控制器

图中,x 为给定值,y 为输出值,e 为偏差, e = x ? f ,u 为控制量; u = k p e + u 0 为控制 常量(e=0 时的控制作用) k p 为比例常数,它决定控制作用的强弱。有偏差才有控制 ; 作用 u,也就是只有 e 变化,u 才会变化。比例调节器的特点是简单、快速;缺点是对 具有自平衡性的控制对象有静差,对有滞后(惯性)的系统可能产生振荡,动态特性也 差。
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4.4.2 比例积分调节器(PI) 比例积分调节器( ) 比例调节器具有静差,为了解决此问题,可引入积分环节,也就是比例积分调节器 (PI) ,如图 4-4 所示此时,系统输出为 u,当 e 固定时,积分环节有累加 e 的作用,使 u 越来越大,可减少静差;几十当 e 比较小,过一段时间(由 Ti 决定) 仍将增大, ,u 是系统输出增大到所要求的值,逐渐使 e=0。

图 4-4 PI 比例积分控制器

积分环节可提高系统的抗干扰能力,减小静差,适用于由自平衡性的系统,但是它有滞 后现象,是系统的响应速度变慢,超调量变大,并可能产生振荡。 4.4.3 比例微分调节器(PD) 比例微分调节器( ) 在比例调节器的基础山增加微分环节,也就是比例微分调节器(PD) ,此时可减小 超调,克服振荡,使系统趋于稳定,如图 4-5 所示,

图 4-5 PD 比例微分控制器

它的控制输出为 u,Td 为微分常数,Td 越大,微分作用越强。比例问分调节器对误差 的任何变化都产生一个控制作用 u d 阻止误差的变化。e 变化越快,u d 越大,输出校正量 也越大。它有助于减少超调,克服振荡,是系统趋于稳定;同时也加快系统的响应速度, 减小调整时间,从而改善了系统的动态响应。其缺点在于抗干扰能力变差。 4.4.4 增量式 PID 控制算法 以比例器为基本环节,积分器能消除静差,提高精度,但使系统的响应速度变慢, 稳定性变坏;微分环节能增加稳定性,加快响应速度,三者合用,选择适当的参数,可
33

以实现稳定的控制,即 PID 控制,如图 4-6 所示:

图 4-6 PID 控制器

在计算机控制系统,连续 PID 控制算法不能直接使用,需要采用离散化方法,即数 字 PID 控制算法,数字 PID 控制规律表达式:

u (k ) = K p e(k ) + K 1 ∑ e( j )T + K D
j =0

k

e(k ) ? e(k ? 1) + u0 T

(4-7)

式中: K p ——比例系数; K i ——积分时间常数; K d ——微分时间常数;
T ——采样周期; u 0 ——偏差 e=0 时的控制作用,为一个常量。

在数字 PID 控制算法中各环节的作用如下: K p 为比例环节,成比例的反映控制系统偏 差信号,偏差一旦产生,控制器立即产生控制作用,以减少偏差; K i 为积分环节,主 要用于消除静差,提高系统的无差度,积分作用的强弱取决于积分时间常数 K i ; K d 为 微分环节,反映偏差信号的变化趋势,并能在其变化得太大之前,在系统中引入一个有 效的早期修正信号,从而加快系统的动作速度,减少调节时间。 根据递推原理得:

u (k ? 1) = K p e(k ? 1) + K i ∑ e( j )T + K d
j =0

k ?1

e(k ? 1) ? e(k ? 2) + u0 T

(4-8)

于是增量式数字 OID 控制算法为:

34

?u (k ) = K p (e(k ? 1)) + K i e(k )T + K d

e(k ) ? 2e(k ? 1) + e(k ? 2) T

(4-9)

式中: K p ——比例系数; K i ——积分时间常数;
T ——采样周期; u 0 ——偏差 e=0 时的控制作用,为一常量。

?u (k ) 是在 t = t k ?1 时 u = u k ?1 的基础上控制量的增量,此时 PID 控制器的位置输出为: u (k ) = ?u (k ) + u (k ? 1)

(4-9)

增量式算法值输出控制量的增量 ?u (k ) ,但系统的输出应对应于控制量 u (k ) ,因此必须 保留 u (k ? 1) 对被控制对象的作用。 采用增量式 PID 算法时,可减小计算误差对控制量的影响;从手动切换到自动或者 反过来从自动切换到手动,对系统冲击小,可以做到无冲击切换;同时系统的可靠性也 高,即使计算机出现故障使得 ?u (k ) = 0 ,此时系统仍然可以在控制量 u (k ? 1) 的作用下 按原来的状态工作[15]。

35

第 5 章 总结

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参考文献
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致 谢
在西安工程大学读本科的四年时间是我生命中重要的一段时光。在这四年的时间 里,随着课题的进展,我经历了很多的成功和失败,不管是困扰时的垂头丧气,还是问 题解决时的振臂高呼,始终不变的是老师、同学的帮助和鼓励。 值此论文完成之际,我首先要感谢我的指导老师屈萍鸽,是她为我创造了如此优越 的学习和研究环境,为我提出课题,帮助我确定了研究方向,并且悉心指导我的毕业设 计。在学习期间,屈老师无论在学习上还是在生活上都给予我无私的关心和帮助。有了 她的指导和帮助,我的毕业论文才能顺利圆满的完成。屈老师渊博的学识、广阔的科学 视野、严谨的治学态度以及谦逊的品德让我在学习中受益匪浅,也将令我受用终生。另 外, 在学习期间, 其他老师也给了我很多的帮助和指导, 使我克服了很多学习上的困难, 在此也谨向他们表示我深深的谢意。 感谢李飞虎、刘涛、崔小艳等同学,在课题设计的过程中,在多次的理论探讨中, 我从他们那里得到了很多的其他和帮助。 感谢所有关心、帮助我的老师、同学,正因为有了他们的鼓励和支持,我才能完成 自己课题的设计、论文的写作及学业的完满。 谨向在百忙之中抽出时间审阅论文和参加答辩的各位老师表示我最由衷的谢意。想 所有帮助过我的每一位老师、同学和朋友再一次致以我最真挚的谢意!

王奋雄 2010. 6. 15

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西 安 工 程 大 学 本科毕业设计(论文) 本科毕业设计(论文)诚信声明

禀承学校优良传统,保持我校学生一贯诚信风尚,本人郑重 声明:所呈交毕业设计(论文)是在指导老师的指导下独立完成 的,无抄袭和剽窃现象。 特此声明



生:

指导教师: 年 月 日

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