前言
在實際生產中如果以中心收卷方式來收卷的話，收卷軸的直徑是不斷變化的。不斷變化的收卷直徑引起角速度的變化，從而引起材料上張力也隨之出現的波動：張力過小，材料收卷時會松弛起皺、橫向走偏;張力過大則導致材料拉伸過度，在縱向上會出觀張力紋甚至出現縱向隆起。
因此在收卷的過程中為保證生產效率和收卷的質量，張力控制系統就顯得尤為關鍵。張力控制模式一般有開環、閉環控制兩種模式，其中開環控制模式沒有張力檢測和反饋環節。設計、結構上相對簡單但控制精度和穩定性較差。閉環控制模式則一般有卷徑檢測裝置和張力反饋環節，控制的隨機性很強，具有較高的控制精度和響應速度，但系統的控制設計比較復雜而且元器件較多，在小型設備上的應用受到一定的限制。
本文介紹一種基于伺服系統及plc系統的開環張力控制系統，經過試驗，能夠應用在0.1mm級材料的收卷上，而且收卷質量完全可以媲美閉環控制的質量，其系統構成如圖1所示。
圖1 系統構成框圖
選用伺服控制系統是基于它的轉矩控制模式在收卷方面具有控制簡單、精度高的特點。在轉矩模式下，不需要對收卷的速度進行控制，只需給出一個速度限制值即可使收卷軸的角速度根據轉矩的大小而自動浮動，并實現恒線速度收卷。同時伺服控制器的內部轉矩檢測功能可以精確的檢測輸出電流，從而實現轉矩的高精度控制。
系統的轉矩、速度指令及收卷的半徑等參數通過plc系統內部計算得出，使系統得到進一步的簡化。
系統控制原理
系統的控制模型如2所示，整個收卷系統主要由三菱mr-j2s伺服系統、三菱a系列plc系統、proface觸摸屏構成。
圖2 系統的控制模型圖
其中速度、轉矩指令在觸摸屏上設定，然后傳送到plc中，經過plc的計算后通過a1s68dav形成0～10v的模擬信號，傳送給伺服系統。伺服系統接受信號后再經過內部單元轉換成電機的速度、轉矩控制信號，從而控制電機精確運轉。在伺服電機運轉過程，伺服電機的旋轉編碼器(pg)將瞬時轉速經a1s64ad模塊轉換成數字信號輸入plc中，然后計算出瞬時卷徑，再根據計算卷徑的大小變化輸出轉矩，從而實現張力穩定有規律的控制。
伺服系統設計
三菱mr-j2s伺服系統有位置控制模式、速度控制模式、轉矩控制模式三種控制方式，本系統選用的是轉矩控制模式。
(1)轉矩控制模式的接線圖如圖3所示
圖3 轉矩控制模式的接線圖
(2)轉矩控制指令
模擬量轉矩指令輸入電壓和伺服電機輸出轉矩間的關系如圖4所示。
圖4 模擬量轉矩指令的輸入電壓和伺服電機輸出轉矩間的特性
±8v對應最大轉矩，±8v輸入時所對應的輸出轉矩可用在伺服系統no.26#參數改變，例如：no.26=50%,表示當輸入電壓為±8v時，對應的輸出轉矩=最大轉矩×50%。
由于受系統精度限制，在輸入電壓低于0.05v時，系統將會無法準確地設定輸出轉矩。
在使用時，可以通過設定輸出電壓的極性來控制電機的正反轉。
(3)速度限制指令
當伺服電機處在轉矩模式時，其最大角速度將會受到模擬量速度輸入電壓的限制，并且伺服系統將會根據檢測的轉矩電流大小(負載)而自動調節速度。模擬量速度限制電壓與伺服電機速度的關系如圖5所示。
圖5 模擬量速度限制電壓與伺服電機速度特性
(4)伺服參數設定
轉矩模式下的主要伺服參數設定如表1所示。
表1 轉矩模式下的主要伺服參數設定
plc系統設計
plc系統采用三菱a系列模塊構建，其中a1s68dav及a1s64ad作為plc系統與伺服系統之間的信息接口，觸摸屏通過rs232與plc相連。如圖6所示。由于a系列中每16點為一個模塊位置號，因此a1s68dav在程序中的位置編號為4#、5#、a1s68ad在系統中的位置號為6#、7#。
圖6 plc系統采用三菱a系列模塊構建圖
(1)a1s68dav數模轉換模塊
轉矩、速度模擬信號都是通過plc系統中的8通道a1s68dav模數轉換模塊向伺服控制器輸出的，a1s68dav的性能規格如表2所示，
表2 a1s68dav的性能規格
表3 a1s64ad的性能規格
其中模擬輸出值(v)=最大分辨率(v)×數字輸入值，其中模擬輸出值為模塊向伺服控制器輸出的扭矩、轉速等控制電壓，而對應的數字輸入值則通過plc程序內部計算后得出。
在plc程序中的初始化模塊的語句如圖7所示。
圖7 plc程序中的初始化模塊的語句
其中h4為a1s68dav模塊在plc系統中的位置號，第1條指令是將16進制數“00000000”放到模塊緩沖儲存期0#地址上，表示允許模擬輸出;第2條指令的是將16進制數值“11111111”以組傳送的方式送到模塊的內部y軟元件上(50為開始的y輸出編號)，表示1#～8#通道均允許d/a轉換數值輸出。
(2)a1s64ad模數轉換模塊
伺服電機的轉速信號是通過plc系統中4通道a1s64ad模塊來轉換的，a1s64ad的性能規格如表3所示。其中數字輸出值(v)=最大分辨率(mv)×模擬輸入值，而模擬輸入值為伺服控制器將旋轉編碼器脈沖轉換后的電壓值，上表中當電機速度為額定速度時，輸入到plc系統中的數字值為4000。
在plc程序中的初始化語句如圖8所示。
圖8 plc程序中的初始化的語句
其中h6為a1s64ad模塊在plc系統中的位置號，第1條指令是將16進制數值“0011”放到模塊緩沖儲存區0#地址上，表示允許1#、2#通道a/d變換允許;第2條指令與第3條指令是將通道1#、2#的數值按20次進<
