摘要：本文主要介紹我司的張力專用伺服，針對目前各行業中出現的張力控制難題，剖析不同模式下張力的控制原理和特點，為客戶提供成熟可靠的解決方案。

關鍵詞：專用伺服；張力控制

一、 張力系統介紹

(一) 張力系統功能

庸博張力伺服系統是針對各行各業及張力控制的難點和關鍵點專門設計的經濟而高性能的專用伺服，采用多種控制方式，滿足張力高水平控制。

適用于對張力要求比較高的工況場合，比如材料薄易變形的、要求小張力控制力的、張力穩定性要求高的。廣泛應用在塑料、印刷、復合、涂布、制袋、鍍膜等必須對材料進行復卷作業或檢品作業行業。如：品檢復卷機、分條機、覆膜機、印刷機、模切機、紡織機、印染設備、包裝機、造紙設備等。

(二) 張力系統特點

1. 控制穩定，加減速無任何抖動，保證張力穩定；

2. 可準確控制收卷錐度，避免“菜心”形收卷；

3. 張力控制精度高，最優精度可控制在0.1kg左右；

4. 具有三大模式實現恒張力控制，系統簡單靈活高效，精準度高。

二、 張力系統架構

張力系統主要組成部分有：張力檢測單元、張力控制運算單元、張力錐度控制單元、伺服執行機構。對張力的控制有三種途徑，一種是控制電機的扭矩，一種是控制電機的轉速，一種是位置模式實現張力。

(一) 開環扭矩控制模式

1. 控制原理

圖2-1開環扭矩模式

開環扭矩控制模式沒有張力反饋信號，伺服通過輸出恒定的扭矩達到控制張力的目的（如圖2-1）。根據公式F=T/R（其中F為材料張力，T為收卷軸的扭矩，R為收卷的半徑），可以看出，當系統需要恒定的張力時，只要根據材料卷徑的變化，控制伺服電機輸出扭矩的大小即可達到目的。

2. 相關參數設定

1) 張力設定部分：用以設定張力，實際使用中張力的設定值應與所用材料、卷曲成型的要求等實際情況相對應，需由使用者設定。張力錐度可以控制張力隨卷徑增加而遞減，用于改善收卷成型的效果。

2) 卷徑計算部分：用于計算或獲得卷徑信息，如果用線速度計算卷徑需用到線速度輸入功能部分，如果用厚度累計計算卷徑需用到厚度累計計算卷徑相關參數功能部分。

3) 扭矩補償部分：電機的輸出扭矩在加減速時有一部分要用來克服收（放）卷輥的轉動慣量，伺服中關于慣量補償部分可以通過適當的參數設置自動地根據加減速速率進行扭矩補償，使系統在加減速過程中仍獲得穩定的張力。摩擦補償可以克服系統阻力對張力產生的影響。

(二) 閉環扭矩模式

1. 控制原理

張力伺服控制系統中所用的張力檢測單元一般為張力傳感器式和浮輥式兩種。

張力系統運行過程中往往伴隨的張力的變化，張力傳感器能夠檢測到系統的張力變化并與設定張力進行比較，實時調控伺服的電機的扭矩輸出，使系統張力保持穩定。（如圖2-2）。張力傳感器主要通過感應材料形變產生的力的大小轉換成電壓大小，但是由于傳感器受自身重力的影響，其初始狀態也會有一定的電壓輸出，因此在調機過程中應正確設定張力傳感器的偏置值以及量程，根據確定的量程以及所需的張力大小設定張力傳感器設定值百分比。由于張力傳感器是通過感應材料形變來檢測張力大小，所以當材料張力變化較大，特別是在不斷啟停或加減速時，系統可能由于響應不及時，導致材料的張力波動震蕩，通過添加緩沖機構可以減小其變化幅值，使系統更穩定。

圖2-2閉環扭矩控制

2. 相關參數設定

1) 張力設定部分：用以設定張力，實際使用中張力的設定值應與所用材料、卷曲成型的要求等實際情況相對應，需由使用者設定。設定值對應張力傳感器的擺動位置。

2) 電壓標定部分：用于標定張力傳感器經放大器放大后的電壓滿量程值，使得輸入電壓最大值對應張力閉環控制輸出力矩最大值。

3) PID補償部分：P—比例控制系統的響應快速性，快速作用于輸出；I—積分控制系統的準確性，消除過去的累積誤差；D—微分控制系統的穩定性，具有超前控制作用。

(三) 閉環速度/位置模式

1. 控制原理

如圖2-3所示，通過調節氣缸的氣壓可以設定浮動輥對卷料的拉力值F1，氣壓設定后通過調節浮動輥位置也可以調節F1大小，但是一般將浮動輥調節至豎直狀態保證卷料對浮動輥的兩個拉力F保持水平，此時系統保持平衡。當系統發生干擾或者張力變化時，浮動輥偏離原來的位置，在不考慮浮動輥重力干擾的情況下，電位器輸出誤差信號可以反映張力F的變化大小，作為反饋信號輸入伺服，通過張力伺服系統PID控制，控制電機頻率響應系統變化使浮動輥回到原來的位置。當系統處于平衡狀態，當發生較強擾動時，由于系統延遲會導致瞬間來不及發生反應，則卷料上的張力波動可暫時因浮動輥的偏擺而得到有效緩解。在某些機構中，圖2-3中的氣缸可由彈簧及阻尼機構替換，從而演化為圖2-4所示的模式。

圖2-3氣壓浮輥式張力檢測方式

圖2-4電位器浮輥式張力檢測方式

以上兩種模式也在閉環扭矩模式下代替張力傳感器。

速度控制模式是指伺服根據主軸反饋信號調節輸出頻率得到表面線速度，通過控制電機角速度和實時半徑維持表面線速度從而達到恒張力效果。

該控制模式的原理是通過材料線速度與實際卷徑計算一個匹配頻率設定值f1，再通過張力（位置）反饋信號進行PID運算產生一個頻率調整值f2，最終頻率輸出為f=f1+f2。f1可以基本使收（放）卷輥的線速度與材料線速度基本匹配，然后f2部分只需稍微調整即可滿足控制需求，很好地解決了閉環控制中響應快速性和控制穩定性地矛盾。

這種模式下，張力設定部分無效，在用位置信號（如張力擺桿、浮動輥）做反饋時，改變設定值（PID給定）不一定能夠改變實際張力的大小，改變張力的大小需要更改機械上的配置如張力擺桿或浮動輥的配重。

閉環速度與閉環位置模式的區別：

閉環速度模式通過控制電機轉速來達到與主軸實現同步，閉環位置模式是通過檢測主軸走了多少長度，伺服帶動電機也收或者放相應長度。

2. 相關參數設定

1) PID部分：P—比例控制系統的響應快速性，快速作用于輸出；I—積分控制系統的準確性，消除過去的累積誤差；D—微分控制系統的穩定性，具有超前控制作用。

2) 線速度輸入部分：這部分比較重要，有兩個作用，一是通過線速度計算伺服的匹配頻率（見上面的描述），二是可通過線速度計算卷徑。

3) 卷徑計算部分：計算實際卷徑，伺服獲取線速度和實際卷徑后可以獲取伺服的匹配頻率。當用線速度計算卷徑時，若伺服算得的卷徑與實際卷徑有偏差，說明線速度輸入有偏差，通過卷徑計算結果可以修正線速度輸入。

4) 第二組PID參數部分：當只用一組PID參數無法滿足全程的控制效果時，可以利用第二組PID參數，實時切換PID參數，這樣在全程就能都達到較好效果。

三、系統組成

圖3-1張力系統

(一) 張力專用伺服

專用驅動器內置張力專用算法，可選擇接收來源主軸編碼器脈沖，根據接收到的脈沖及事先規劃好電機扭矩或速度，進行張力動作。驅動器的選型要根據外部機械系統的實際情況選型，匹配相應功率的電機。驅動器使用時，要考慮制動電阻功率大小，如果內置制動電阻功率不能滿足要求，應外接制動電阻。

(二) 伺服電機

伺服電機由伺服驅動器控制。在系統中，電機選型不當，會導致系統控制性能差，易引起機械抖動。電機選型主要考慮系統的扭矩、慣量和線速度三要素。其中，扭矩：機械加減速過程中的峰值扭矩不超過電機峰值扭矩的80%，長時間運行的有效扭矩不超過電機額定扭矩的80%，瞬時扭矩曲線在過載曲線內；慣量：小于等于750W電機，推薦負載慣量比在10倍以下，其他較大功率推薦負載慣量比在5倍以下，如果對定位速度要求較高，還要降低負載慣量比，推薦在3倍以下；線速度：機械勻速運行的最高轉速小于電機的額定轉速，瞬間轉速小于電機的最高轉速，推薦系統運行于最高線速度時，伺服電機對應額定轉速，因為電機工作在額定轉速時，才能把伺服電機性能發揮出來。

(三) 傳感器

傳感器部分包括張力傳感器和超聲波傳感器。當使用閉環控制模式時，使用浮輥式或壓力式傳感器反饋單前張力大小，需要注意的是在使用前需要根據傳感器對模擬量進行標定。當有使用糾偏裝置時需要用到超聲波傳感器，通過超聲波感應卷料的位置，控制放卷或收卷軸前后移動，確保卷料位置不跑偏。

圖3-2浮輥式張力檢測裝置

圖3-3糾偏裝置

(四) 主軸編碼器

主軸編碼器主要用來反饋主軸速度和主軸位置，主軸編碼器的分辨率選擇由系統精度要求決定。如：主軸編碼器線數為2000線，編碼器外周為200mm，其測量理論精度為(200/2000)*2=0.2mm，能滿足±0.1mm的精度要求，但不適用于±0.1mm以下的精度要求。

(五) 觸摸屏

觸摸屏主要用來給驅動器設定參數（如：張力設置值、凸輪曲線相關參數等），控制驅動器進行使能、點動和回歸回原功能，以及輔助監控功能。

圖3-3張力系統觸摸屏