前言
在实际生产中如果以中心收卷方式来收卷的话，收卷轴的直径是不断变化的。不断变化的收卷直径引起角速度的变化，从而引起材料上张力也随之出现的波动：张力过小，材料收卷时会松弛起皱、横向走偏;张力过大则导致材料拉伸过度，在纵向上会出观张力纹甚至出现纵向隆起。
因此在收卷的过程中为保证生产效率和收卷的质量，张力控制系统就显得尤为关键。张力控制模式一般有开环、闭环控制两种模式，其中开环控制模式没有张力检测和反馈环节。设计、结构上相对简单但控制精度和稳定性较差。闭环控制模式则一般有卷径检测装置和张力反馈环节，控制的随机性很强，具有较高的控制精度和响应速度，但系统的控制设计比较复杂而且元器件较多，在小型设备上的应用受到一定的限制。
本文介绍一种基于伺服系统及plc系统的开环张力控制系统，经过试验，能够应用在0.1mm级材料的收卷上，而且收卷质量完全可以媲美闭环控制的质量，其系统构成如图1所示。
图1 系统构成框图
选用伺服控制系统是基于它的转矩控制模式在收卷方面具有控制简单、精度高的特点。在转矩模式下，不需要对收卷的速度进行控制，只需给出一个速度限制值即可使收卷轴的角速度根据转矩的大小而自动浮动，并实现恒线速度收卷。同时伺服控制器的内部转矩检测功能可以精确的检测输出电流，从而实现转矩的高精度控制。
系统的转矩、速度指令及收卷的半径等参数通过plc系统内部计算得出，使系统得到进一步的简化。
系统控制原理
系统的控制模型如2所示，整个收卷系统主要由三菱mr-j2s伺服系统、三菱a系列plc系统、proface触摸屏构成。
图2 系统的控制模型图
其中速度、转矩指令在触摸屏上设定，然后传送到plc中，经过plc的计算后通过a1s68dav形成0～10v的模拟信号，传送给伺服系统。伺服系统接受信号后再经过内部单元转换成电机的速度、转矩控制信号，从而控制电机精确运转。在伺服电机运转过程，伺服电机的旋转编码器(pg)将瞬时转速经a1s64ad模块转换成数字信号输入plc中，然后计算出瞬时卷径，再根据计算卷径的大小变化输出转矩，从而实现张力稳定有规律的控制。
伺服系统设计
三菱mr-j2s伺服系统有位置控制模式、速度控制模式、转矩控制模式三种控制方式，本系统选用的是转矩控制模式。
(1)转矩控制模式的接线图如图3所示
图3 转矩控制模式的接线图
(2)转矩控制指令
模拟量转矩指令输入电压和伺服电机输出转矩间的关系如图4所示。
图4 模拟量转矩指令的输入电压和伺服电机输出转矩间的特性
±8v对应最大转矩，±8v输入时所对应的输出转矩可用在伺服系统no.26#参数改变，例如：no.26=50%,表示当输入电压为±8v时，对应的输出转矩=最大转矩×50%。
由于受系统精度限制，在输入电压低于0.05v时，系统将会无法准确地设定输出转矩。
在使用时，可以通过设定输出电压的极性来控制电机的正反转。
(3)速度限制指令
当伺服电机处在转矩模式时，其最大角速度将会受到模拟量速度输入电压的限制，并且伺服系统将会根据检测的转矩电流大小(负载)而自动调节速度。模拟量速度限制电压与伺服电机速度的关系如图5所示。
图5 模拟量速度限制电压与伺服电机速度特性
(4)伺服参数设定
转矩模式下的主要伺服参数设定如表1所示。
表1 转矩模式下的主要伺服参数设定
plc系统设计
plc系统采用三菱a系列模块构建，其中a1s68dav及a1s64ad作为plc系统与伺服系统之间的信息接口，触摸屏通过rs232与plc相连。如图6所示。由于a系列中每16点为一个模块位置号，因此a1s68dav在程序中的位置编号为4#、5#、a1s68ad在系统中的位置号为6#、7#。
图6 plc系统采用三菱a系列模块构建图
(1)a1s68dav数模转换模块
转矩、速度模拟信号都是通过plc系统中的8通道a1s68dav模数转换模块向伺服控制器输出的，a1s68dav的性能规格如表2所示，
表2 a1s68dav的性能规格
表3 a1s64ad的性能规格
其中模拟输出值(v)=最大分辨率(v)×数字输入值，其中模拟输出值为模块向伺服控制器输出的扭矩、转速等控制电压，而对应的数字输入值则通过plc程序内部计算后得出。
在plc程序中的初始化模块的语句如图7所示。
图7 plc程序中的初始化模块的语句
其中h4为a1s68dav模块在plc系统中的位置号，第1条指令是将16进制数“00000000”放到模块缓冲储存期0#地址上，表示允许模拟输出;第2条指令的是将16进制数值“11111111”以组传送的方式送到模块的内部y软元件上(50为开始的y输出编号)，表示1#～8#通道均允许d/a转换数值输出。
(2)a1s64ad模数转换模块
伺服电机的转速信号是通过plc系统中4通道a1s64ad模块来转换的，a1s64ad的性能规格如表3所示。其中数字输出值(v)=最大分辨率(mv)×模拟输入值，而模拟输入值为伺服控制器将旋转编码器脉冲转换后的电压值，上表中当电机速度为额定速度时，输入到plc系统中的数字值为4000。
在plc程序中的初始化语句如图8所示。
图8 plc程序中的初始化的语句
其中h6为a1s64ad模块在plc系统中的位置号，第1条指令是将16进制数值“0011”放到模块缓冲储存区0#地址上，表示允许1#、2#通道a/d变换允许;第2条指令与第3条指令是将通道1#、2#的数值按20次进<
