CN105022423A

CN105022423A - 一种面向带张力控制的测试装置及其测试方法

Info

Publication number: CN105022423A
Application number: CN201510468933.8A
Authority: CN
Inventors: 李琳; 林炯辉; 邹焱飚
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2015-07-31
Filing date: 2015-07-31
Publication date: 2015-11-04

Abstract

本发明公开了一种面向带张力控制的测试装置，包括机械本体模块、张力检测模块、控制模块。机械本体模块包括支撑台和张力执行模块；张力检测模块包括张力传感器、精密型传感器信号变送器、A/D转换模块和L型支撑座；控制模块包括实时控制单元和人机交互单元。张力检测模块检测多楔带的张力值，控制模块根据张力控制算法验证张力检测模块检测结果，具有实现了对带张力控制算法的验证、改进和优化的目的等优点。

Description

一种面向带张力控制的测试装置及其测试方法

技术领域

本发明涉及张力控制技术，特别涉及一种面向带张力控制的测试装置及其测试方法，本发明是一种面向带张力控制算法的验证、改进和优化的专用测试装置。

背景技术

张力控制广泛应用于轧钢、印刷、线切割、带等生产领域，是许多控制设备的基础技术之一。张力控制的性能决定着产品的质量。比如，在带的成型工序中，抗拉体的成型张力决定带的质量，强力层中抗拉体张力的恒定性和均匀性决定了带的抗拉强度。而在带的所有失效形式中，带体疲劳断裂是主要的失效形式。因此，需要对带进行张力控制，减少张力的波动，提高产品的质量。

由于传统的PID控制算法结构简单，容易实现，已广泛应用于实际的张力控制领域。但是，张力控制系统的各参数之间存在着是非线性、强耦合、不确定、时变的关系，难以对其进行精确的建模。而传统的PID控制算法的控制性能跟模型的精确度有很大关系，因此传统的PID控制难以达到响应快速、精度高的要求。随着生产设备向着高速发展，将复杂的智能算法应用于实际的张力控制领域成为了当前研究的热点问题。

为解决上述问题，本发明通过研制一套专用测试装置，对带张力控制算法进行评估和验证，并分析误差产生的原因，从而不断优化带张力控制算法，使得实现高精度的带张力控制要求。

发明内容

本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种面向带张力控制的测试装置，该测试装置使得在此平台上能实现带张力的检测，并对检测结果进行评估和验证，分析误差产生的原因。

本发明的另一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种应用于面向带张力控制的测试装置的测试方法，该测试方法不断优化带张力控制算法，使得实现高精度的带张力控制目的。

本发明的首要目的通过以下技术方案实现：一种面向带张力控制的测试装置，包括：机械本体模块、张力检测模块和控制模块。

所述机械本体模块包括：支撑台和张力执行模块，所述支撑台采用60×60铝型材构建，整体尺寸为600×320×200mm；所述张力执行模块包括多楔带、多楔带轮、电机支座和交流伺服电机。多楔带采用的是PH型的带，其有效长度为985mm。伺服电机采用韩国乐星迈克彼恩公司的APM-SB04AEK1G103型交流伺服电机。

所述张力检测模块包括张力传感器、信号变送器、A/D转换模块和L型支撑座。其中传感器采用的是龙鼎金陆有限公司的LDZL-AS型张力传感器，测量范围是0-50N，灵敏度为1.5Mv/V；传感器信号变送器采用龙鼎金陆有限公司的LDST-I(V)-SP型传感器信号变送器，输出信号为0-10V电压。

所述控制模块包括实时控制单元和人机交互单元。

所述实时控制单元包括计算机、嵌入式控制器、交流伺服驱动器。其中计算机采用联想的Y460型笔记本电脑，嵌入式控制器采用德国倍福公司的CX9020型嵌入式控制器，交流伺服驱动器采用韩国乐星迈克彼恩公司的L7NA004BAA型伺服驱动器。

所述人机交互单元包括显示界面和算法执行器，其具体的实现方式如下：

显示界面通过Microsoft Visual Studio 2005软件实现，所述的显示界面分为四个层次，第一个层次为驱动程序库，由各设备供应商提供；第二个层次为通讯与监控程序，它负责应用程序各模块之间的实时通讯与运行监控；第三个层次为控制程序层,它由运动控制模块、人机交互模块两部分部分组成，它是非实时模块的核心。第四层为主控程序层，它由主控模块和文件与数据管理模块两部分组成。显示界面主要完成人机交互功能。包括显示张力值和电机速度、保存数据、启动和停止控制系统运行。

所述算法执行器通过TwinCAT软件实现，所述的TwinCAT软件使用可编程序控制器编程语言的国际标准IEC61131-3开发，主要完成控制系统中输入信号采集，包括张力传感器信号输入、增量式编码器信号输入和数字量输入信号获得，以及输出交流伺服电机的速度控制信号。其中，在计算机上的TwinCAT软件完成张力控制算法的编写、编译，并通过以太网总线下载到CX9020运动控制器上运行。

所述显示界面和算法执行器通过ADS(Automation Device specification)自动化设备规范通讯协议交互。

本发明的另一目的通过以下技术方案实现：一种应用于面向带张力控制的测试装置的测试方法，包括以下步骤：

(1)在计算机的TwinCAT软件完成控制算法的编写、编译，设置所需的张力值T_r和控制参数，通过以太网总线下载到CX9020嵌入式控制器；

(2)在Microsoft Visual Studio 2005的人机交互界面启动嵌入式控制器，并显示张力与速度；

(3)嵌入式控制器根据张力控制算法计算交流伺服电机的速度值，并将速度值输出到交流伺服驱动器，交流伺服驱动器驱动交流电机达到所需的速度；

(4)张力传感器采集多楔带在运动过程中产生的张力值T，张力值T经A/D模块输入到嵌入式控制器中，嵌入式控制器根据所需张力值T_r，调整交流伺服电机的速度，使得多楔带的张力值T跟踪所需张力值T_r；

(5)显示界面与算法执行器通过ADS通讯协议传输数据，并通过人机交互单元保存数据；

(7)通过比较T_r和T，判断该算法所获得的张力结果是否满足|T-T_r|<ΔT，ΔT为张力控制允许的误差。若满足精度要求，则可将该算法应用于实际的带张力控制系统中；否则，应该对算法进行改进和优化，从而提高张力控制系统的控制精度。

本发明相对于现有技术具有如下优点和有益效果:

(1)本装置采用德国倍福公司的高性能嵌入式控制器和TwinCAT控制软件，结合高速工业以太网总线EtherCAT通讯系统，控制系统采样周期最小可达到50微秒，满足张力控制的实时性要求。

(2)研制一套专用测试装置，对带张力控制算法进行评估和验证，并分析误差产生的原因，从而不断优化带张力控制算法，使得实现高精度的带张力控制要求。

附图说明

图1是本发明面向带张力控制的测试装置总体结构示意图；其中，1为第一交流伺服驱动器，2为第二交流伺服驱动器，3为A/D转换模块，4为精密型传感器信号变送器，5为运动控制器，6为电源开关，7为24V直流电源，8为第一交流电机，10为第二交流电机，9为张力传感器，11为第一多楔带轮，13为第二多楔带轮，12为多楔带，14为支撑台。

图2是本发明面向带张力控制的测试装置的人机交互单元。

图3是本发明面向带张力控制的测试装置的显示界面。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合附图对本发明作进一步地描述。

实施例

如图1所示，为面向带张力控制的测试装置的总体结构示意图，该面向带张力控制的测试装置包括：机械本体模块、张力检测模块和控制模块；具体包括第一交流伺服驱动器1，第二交流伺服驱动器2，A/D转换模块3，精密型传感器信号变送器4，运动控制器5，电源开关6，24V直流电源7，第一交流电机8，第二交流电机10，张力传感器9，第一多楔带轮11，第二多楔带轮13，多楔带12，支撑台14。

所述机械本体模块包括：支撑台14和张力执行模块；所述支撑台14采用60×60铝型材构建，整体尺寸为600×320×200mm。所述张力执行模块包括：多楔带12、多楔带带轮、电机支座和交流伺服电机2。多楔带轮通过顶丝直接与交流伺服电机2的输出轴连接，交流伺服电机通过电机支座固定在支撑台上。

所述张力检测模块包括张力传感器、信号变送器、A/D转换模块和L型支撑座。所述张力传感器是三辊轮式传感器，使用L型支撑座固定在支撑台上；信号变送器和A/D转换模块通过螺栓固定在支撑板上。

所述控制模块包括实时控制单元和人机交互单元。所述实时控制单元包括计算机、嵌入式控制器、交流伺服驱动器。其中嵌入式控制器和交流伺服驱动器通过螺栓固定在支撑板上。

所述面向带张力控制的测试装置人机交互单元包括显示界面和算法执行器。

所述显示界面通过Microsoft Visual Studio 2005软件实现，所述显示界面用于实现如图3所示的人机交互界面，所述人机交互界面用于显示张力值和电机速度，并且可以保存数据、启动和停止控制系统。

所述算法执行器运行于德国倍福的TwinCAT软件的实时核上，采用可编程序控制器编程语言的国际标准IEC61131-3开发，主要完成控制系统中输入信号采集，控制信号的输出以及张力控制算法的运行。

如图2所示，一种应用于面向带张力控制的测试装置的测试方法，具体包括以下步骤：

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种面向带张力控制的测试装置，其特征在于，包括机械本体模块、张力检测模块和控制模块；所述张力检测模块与机械本体模块连接；所述控制模块与张力检测模块连接；

所述机械本体模块：包括支撑台和张力执行模块；所述张力执行模块包括多楔带、多楔带轮、电机支座和交流伺服电机；交流伺服电机通过电机支座与支撑台连接，多楔带轮通过交流伺服电机的输出轴与交流伺服电机连接；多楔带与多楔带轮连接；

所述张力检测模块：包括张力传感器、传感器信号变送器、A/D转换模块和L型支撑座；所述的张力传感器与传感器信号变送器连接；所述的传感器信号变送器与A/D转换模块相连接；所述的L型支撑座与张力传感器连接；

所述控制模块：包括实时控制单元和人机交互单元；所述控制实时控制单元包括计算机、嵌入式控制器和交流伺服驱动器；所述人机交互单元包括显示界面和算法执行器；所述计算机通过以太网总线与嵌入式控制器连接；所述嵌入式控制器通过以太网总线与交流伺服驱动器连接；

所述张力检测模块检测张力执行模块的带张力，所述控制模块评估和验证张力检测模块检测的结果。

2.根据权利要求1所述的面向带张力控制的测试装置，其特征在于：所述支撑台由尺寸为60×60mm的铝合金型材制作而成，所述支撑台的尺寸为600×320×200mm；所述多楔带轮与交流伺服电机的输出轴固定连接；所述的交流伺服电机通过电机支座固定在支撑台上。

3.根据权利要求1所述的面向带张力控制的测试装置，其特征在于：所述的张力传感器为三辊轮式传感器，所述的张力传感器使用L型支撑座固定在支撑台上；所述的张力传感器根据多楔带的张力值的大小，测得多楔带的张力所对应的电压值，所述传感器信号变送器放大测得的电压值，放大的电压值通过A/D转换模块输入至嵌入式控制器。

4.根据权利要求1所述的面向带张力控制的测试装置，其特征在于：所述嵌入式控制器采用主频达到1GHz的ARM Cortex^TM A8处理器，所述嵌入式控制器配备有1GB的DDR3RAM、256M的microSD卡和100Mbit以太网口。

5.根据权利要求1所述的面向带张力控制的测试装置，其特征在于，所述的算法执行器采集多楔带张力值，所述的算法执行器运行人机交互单元中的张力控制算法，所述的算法执行器输出交流伺服电机的速度值；所述的显示界面用于显示与保存多楔带的张力值和交流伺服电机的速度值。

6.一种应用于权利要求1所述的面向带张力控制的测试装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在计算机的人机交互单元完成张力控制算法的编写、编译，设置所需的张力值T_r和控制参数，通过以太网总线将张力控制算法下载到嵌入式控制器；

(2)在人机交互界面启动嵌入式控制器，显示界面显示多楔带的张力值与交流伺服电机的速度值；

(5)人机交互单元保存多楔带的张力值T，通过比较T_r和T，分析张力误差产生的原因，对张力控制算法进行优化和改进，使得|T-T_r|<ΔT，ΔT为张力控制允许的误差。