[发明专利]一种张力控制实验平台

摘要

本发明涉及一种张力控制实验平台，其特征在于该平台包括编码器、MCGS触摸屏、框架、供电及保护设备、张力控制板和两个卷轴部分；所述两个卷轴部分结构相同，两个卷轴部分和编码器三者平行布置在框架上表面，编码器位于两个卷轴部分之间，每个卷轴部分均包括主轴、顶丝轴套、伺服电机、伺服放大器和两个亚克力圆盘，所述主轴穿过两个亚克力圆盘的中心，并通过顶丝轴套将两个亚克力圆盘固定在主轴上，主轴两端通过相应的轴承固定在框架上，远离亚克力圆盘的主轴一端上通过联轴器连接有伺服电机，两个亚克力圆盘之间缠绕待控制材料，伺服放大器与伺服电机连接；所述张力控制板分别与MCGS触摸屏、编码器和两个伺服放大器连接。

主权项

1.一种张力控制实验平台，其特征在于该平台包括编码器、MCGS触摸屏、框架、供电及保护设备、张力控制板和两个卷轴部分；所述两个卷轴部分结构相同，两个卷轴部分和编码器三者平行布置在框架上表面，编码器位于两个卷轴部分之间，且编码器与张力控制对象滑动接触；每个卷轴部分均包括主轴、顶丝轴套、伺服电机、伺服放大器和两个亚克力圆盘，所述主轴穿过两个亚克力圆盘的中心，并通过顶丝轴套将两个亚克力圆盘固定在主轴上，主轴两端通过相应的轴承固定在框架上，远离亚克力圆盘的主轴一端上通过联轴器连接有伺服电机，两个亚克力圆盘之间缠绕待控制材料，伺服放大器与伺服电机连接；所述张力控制板分别与MCGS触摸屏、编码器和两个伺服放大器连接，张力控制板与MCGS触摸屏通过Modbus协议进行通讯；在框架上还安装有按钮安装板，在按钮安装板上设有急停按钮、电机开关、换向开关和电源指示；所述供电及保护设备包括带漏电保护空气开关、交流接触器、继电器和直流电源；所述继电器的控制端依次通过电机开关、急停按钮与直流电源连接，继电器触点端与交流接触器连接；交流接触器同时与两个伺服放大器连接，通过交流接触器的通断控制伺服放大器的通电和断电；换向开关的公共端与直流电源连接，选择端分别通过信号线连接伺服放大器的正转或反转信号接口；所述带漏电保护空气开关通过电缆分别连接交流接触器、直流电源和电源指示，通过漏电保护空气开关将整个平台与外部电源连接；所述直流电源与张力控制板连接，为张力控制板供电；所述张力控制板包括ARM cortex‑M3微处理器、模拟输入模块、USB模块、232模块、DA模块、运算放大器、电源模块、脉冲输入模块和wifi模块，所述ARM cortex‑M3微处理器的输出端通过USART分别与WIFI模块、USB模块和232模块连接，所述232模块通过RS232与MCGS触摸屏连接，ARM cortex‑M3微处理器与MCGS触摸屏通过Modbus协议进行通讯，ARM cortex‑M3微处理器与WIFI模块通过USART协议通讯，所述WIFI模块与外部智能设备连接；所述USB模块通过USB数据线与外部计算机连接，且与外部计算机通过Modbus协议进行通讯；ARM cortex‑M3微处理器通过I²C总线与DA模块连接，所述DA模块与运算放大器连接，运算放大器将0‑5V的电压转化为0‑10v电压，运算放大器的输出端与伺服放大器的模拟量输入端口连接；所述电源模块与直流电源连接，将24V电源转换为12V、5V和3.3V电压；所述编码器通过脉冲输入模块与ARM cortex‑M3微处理器的输入端连接，脉冲输入模块用来将编码器采集的最高电压12V脉冲信号转换成最高电压3.3V脉冲信号；所述模拟输入模块的输出端与ARM cortex‑M3微处理器的输入端连接，模拟输入模块的输入端与伺服放大器的反馈信息端口连接，模拟输入模块用来将0‑10V和0‑8V的电压信号转换为0‑3.3V和0～2.6V的电压信号；张力控制板的工作流程为：1)开启电源，首先匹配ARM cortex‑M3微处理器硬件资源，包括对内部时钟、中断、I/O、ADC、USART的配置以及对Modbus协议通讯进行配置；2)根据编码器信号以及上一周期卷径，ARM cortex‑M3微处理器会计算得到当前周期的卷径大小，根据卷径大小计算得出控制对象的张力与线速度；3)将float型数据转换为Modbus认可的数据格式，然后进行CRC‑Modbus校验码生产，并将伺服电机的转矩、卷径、张力、电机转速、线速度写入到Modbus中，延迟200ms，用于匹配MCGS触摸屏的通讯速度，防止通讯阻塞，根据Modbus协议，进行通讯及数据交换，自动读取Modbus中的数值，获得MCGS触摸屏上设定的当前需求的张力和线速度，根据张力和线速度控制需求，结合当前卷径，计算得到实际的速度、转矩的值与速度限制和转矩限制的值；4)对步骤3)得到的速度、转矩的值与速度限制和转矩限制的值做进一步修正，设置打滑系数，ARM cortex‑M3微处理器自动进行打滑修正调整,然后进入下步超限检测；5)ARM cortex‑M3微处理器进行超限检测，即自动检查伺服电机的速度、转矩、速度限制和转矩限制是否超过了伺服电机的额定值，如果超出，则使用伺服电机额定值，若没有超出，则进入下步模拟转数字；6)经步骤5)超限检测后得到伺服放大器需要的电压，通过DA模块和运算放大器将模拟电压值转换为数字值，通过写I²C，控制DA模块输出，通过运算放大器放大，控制伺服放大器，进而实现控制伺服电机的转矩、转速、转矩限制和速度限制的目的；返回步骤2)；整个过程控制器实现自动PID检测，提高了张力控制的精度。