CN106629191A

CN106629191A - 一种嵌入式张力控制器

Info

Publication number: CN106629191A
Application number: CN201710041056.5A
Authority: CN
Inventors: 肖艳军; 袁成浩; 赵汉城; 陈朝朋; 许云鑫; 牛利超; 胡晓丹; 任雯
Original assignee: Hebei University of Technology
Current assignee: Hebei University of Technology
Priority date: 2017-01-17
Filing date: 2017-01-17
Publication date: 2017-05-10
Anticipated expiration: 2037-01-17
Also published as: CN106629191B

Abstract

本发明涉及一种嵌入式张力控制器，其特征在于该控制器包括编码器、MCGS触摸屏、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、电源模块和脉冲输入模块，所述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、WIFI模块、电源模块和脉冲输入模块集成在一块电路板上；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。

Description

一种嵌入式张力控制器

技术领域

本发明涉及张力控制相关实验装置技术领域，具体涉及一种嵌入式张力控制器。

背景技术

张力控制器被用于对长条材料的张力进行控制的设备，广泛应用于锂电池极片制造业，造纸业等行业。现有的张力控制器采用可控制编程器(PLC)进行控制，成本较高，并且需要专业人员进行操作维护。因此需要发明一款具有安全、开发性好、可实现远程控制、易于操作维护、人机界面良好的张力控制器。

申请号为201220189685.5的中国专利公开了一种嵌入式张力控制器，其控制器以欧姆龙PLC为核心，通过接近开关反馈的放卷机构的转速信号计算布卷的转动角速度、并结合伺服电机运行线速度、实时测量布卷半径。接近开关反馈的信号误差系数大，致使精度低，且没有涉及人机交互功能，工作人员操作难度大。

申请号为201620255289.6的中国专利公开了一种基于自动验布机的恒张力控制系统，其控制系统核心为PLC，能够实时地根据布卷惯量的变化而调节放卷制动力的大小，从而使布面张力恒定。结构较复杂，成本较高。该控制系统根据接近开关判断电机转速，以此确定卷径的大小，但是分辨率较低，并且利用齿轮传动，长时间使用会发生齿轮磨损，使精度降低。

在《基于ARM多功能张力控制器的实现》中提到的张力控制器是以STM32F103ZET6芯片为核心，进行模块化设计，成本较高，但该系统中的人机装置为LED显示屏，不能实现真正意义的人机交互；并且本系统未对远程控制方向进行研究。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明要解决的实际技术问题是，提供一种嵌入式张力控制器。该控制器利用Modbus协议将ARM cortex-M3微处理器与MCGS触摸屏进行通讯，利用MCGS触摸屏对控制器进行监测与控制，实现人机交互，本发明所要控制的对象的放卷与收卷的主轴分别由相应的伺服电机同轴控制，通过控制编码器的反馈信息，对收卷与放卷的转速进行控制，从而实现对控制对象张力大小的控制。同时本发明控制器带有WIFI模块，可将控制过程中的速度与扭矩的值，实时上传至服务器，以供远程客户端查看及对控制器进行控制。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：提供一种嵌入式张力控制器，其特征在于该控制器包括编码器、MCGS触摸屏、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、WIFI模块、电源模块和脉冲输入模块，所述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、WIFI模块、电源模块和脉冲输入模块集成在一块电路板上；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，ARMcortex-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，运算放大器通过伺服放大器模拟输入接口与伺服放大器的模拟量输入端口连接；所述电源模块与外部24V直流电源连接，将24V电源转换为12V、5V和3.3V电压，为控制器供电；所述编码器安装在收卷和放卷的主轴之间，且与张力控制对象滑动接触，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；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反馈接口连接，伺服放大器反馈接口与伺服放大器的反馈信息端口连接；所述伺服放大器与放卷和收卷的主轴上的伺服电机连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明嵌入式张力控制器对通讯模块进行优化，可以通过Modbus协议与MCGS触摸屏进行通讯，并且还可以通过USART协议与WIFI模块相通讯,可实现良好的人机交互与远程监控的效果；利用MCGS触摸屏可以根据实际情况所需对收卷与放卷的速度与转矩进行调节，以此到达最佳张力输出状态；利用WIFI通讯，将本系统的重要参数上传至服务器，远程的客户端可以读取与控制服务器中的数值，以此达到远程控制控制器的效应，这样既可以节约人力成本，更能调高张力控制器的智能水平，满足人们的人性化管理理念。

本发明嵌入式张力控制器采用无传感器控制形式，仅通过伺服放大器对两个伺服电机进行控制，实现收卷与放卷的速度、转矩调节，通过编码器反馈的数值对卷径进行判断，利用PID算法调节转速与转矩，达到恒张力输出的效果，相对于利用齿轮传动，传感器输出控制来说，成本大大降低，不会因机械磨损造成精度降低，并且编码器的分辨率相对于接地开关精度更高，因此对收、放卷的转速反馈值更加精确，以此能够实现精确的转速与转矩的输出，实现张力的准确控制。

附图说明

图1为本发明嵌入式张力控制器的结构框图；

图2为本发明嵌入式张力控制器的MCGS触摸屏的人机界面示意图。

图中，1.编码器、2.MCGS触摸屏、3.ARM cortex-M3微处理器、4.模拟输入模块、5.USB模块、6.232模块、7.DA模块、8.运算放大器、9.电源模块、10.脉冲输入模块、11.24V直流电源、12.智能设备、13.计算机、14.伺服放大器模拟输入接口、15.伺服放大器反馈接口、16.WIFI模块。

具体实施方式

下面结合实施例及附图进一步解释本发明，但并不以此作为对本申请权利要求保护范围的限定。

本发明嵌入式张力控制器(简称控制器，参见图1-2)包括编码器1、MCGS触摸屏2、ARM cortex-M3微处理器3、模拟输入模块4、USB模块5、232模块6、DA模块7、运算放大器8、WIFI模块16、电源模块9和脉冲输入模块10，所述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、WIFI模块、电源模块和脉冲输入模块集成在一块电路板上；所述ARM cortex-M3微处理器的输出端通过USART(通用同步/异步串行接收/发送器)分别与WIFI模块16、USB模块和232模块连接，所述232模块通过RS232(异步传输标准接口)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12连接；所述USB模块通过USB数据线与外部计算机13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，并通过伺服放大器模拟输入接口14与伺服放大器的模拟量输入端口连接；所述电源模块与外部24V直流电源11连接，将24V电源转换为12V、5V和3.3V电压，根据各模块需求为各模块供电；所述编码器安装在收卷和放卷的主轴之间，且与张力控制对象滑动接触，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反馈接口15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，伺服放大器反馈接口与伺服放大器的反馈信息端口连接；所述伺服放大器与放卷和收卷的主轴上的伺服电机连接。

模拟输入模块为分压电路，将伺服放大器输出的0～10V和0～8V电压转化为0～3.3V和0～2.6V，控制放卷和收卷的两个伺服电机对应两个伺服放大器，其中一个伺服放大器的反馈信息接口输出0～10V电压信号，另一个伺服放大器的反馈信息接口输出0～8V电压信号，ARM cortex-M3微处理器读取相应伺服电机的当前转矩和速度。

232模块和USB模块构成通讯模块，与ARM cortex-M3微处理器相连，基于Modbus协议与外部计算机和MCGS触摸屏(工业触摸屏)通讯，ARM cortex-M3微处理器控制MCGS触摸屏上相关参数显示并读取参数修改值。

DA模块和运算放大器构成输出模块，通过I²C与ARM cortex-M3微处理器连接，输出转矩、速度限制、速度、转矩限制四路模拟控制信号至伺服放大器完成控制。

所述MCGS触摸屏的人机界面中包括主控窗口、设备状态、张力曲线、线速曲线和开发人员等信息；其中主控窗口内可以设定张力与线速度的值，并且能实时查看张力与线速度的值；设备状态界面中可以对收放卷的参数进行设定，具体参数有，转速、转矩、卷径、线速度、张力；张力曲线与线速曲线界面用于显示张力与线速度的实时曲线；开发人员界面展示了本发明控制器的开发人员的具体信息。且人机界面中能够看到稳定速度开卷(放卷)和稳定张力收卷控制张力过程中各主轴伺服电机的转动方向。

本发明的进一步特征在于所述ARM cortex-M3微处理器可以为HT32F1656芯片。

本发明嵌入式张力控制器被用于对长条材料的张力进行控制，即控制对象为长条材料，在进行张力控制时，长条材料置于收卷和放卷的主轴之间，且放卷与收卷的主轴分别由相应的伺服电机同轴控制；在放卷与收卷的主轴之间设置编码器，编码器与长条材料滑动接触，通过控制编码器的反馈信息，对收卷与放卷的转速进行控制，从而实现对控制对象张力大小的控制。

本发明控制器的工作原理及过程是：本发明控制器将ARM cortex-M3微处理器与MCGS触摸屏连接，并通过Modbus协议通讯，可实现与MCGS触摸屏的人机交互，形成良好的人机交互界面；利用WIFI模块将张力的相关数据上传到服务器(云端)，客户端(外部计算机或外部智能设备)可以对服务器中的数值进行检测与控制，服务器中的数值回传到控制器中，因此可达到远程监控控制器的作用，便于工作人员操作，实时检测张力数据，卷绕速度与卷径大小；基于I²C总线，实现多DA控制，以通过伺服放大器调节电机参数；并扩展有光电隔离(脉冲输入模块中设有光电隔离)的编码器读取接口，将编码器数据反馈给ARM cortex-M3微处理器，形成闭合回路，提高控制器精度。

控制器的工作流程为：

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(通过外部中断实现实时监控)以及上一周期卷径(卷径初始值为程序内置)，ARM cortex-M3微处理器会计算得到当前周期的卷径大小，根据卷径大小可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，根据特定的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。

本发明控制器中ARM cortex-M3微处理器启动(约30S)完成后，在MCGS触摸屏的人机界面上输入张力和线速度，启动伺服电机；观测伺服放大器上显示的电机转速和MCGS触摸屏显示的转速是否相等，如果不相等，关闭电源，排查故障，如果相等，可进行正常工作。伺服放大器显示的输入电压换算成转矩与MCGS触摸屏相比偏低，以及通过触摸屏观察张力情况也是比预设值偏低，这是由于伺服电机空载造成的，是正常现象。通过多次观察MCGS触摸屏的张力和速度曲线，张力和速度都在预设值上下低幅度振荡，表示控制基本稳定。

本发明控制器具有较强的抗电磁干扰的能力，对张力的控制精度也很高。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims

1.一种嵌入式张力控制器，其特征在于该控制器包括编码器、MCGS触摸屏、ARMcortex-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、WIFI模块、电源模块和脉冲输入模块，所述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、WIFI模块和脉冲输入模块集成在一块电路板上；所述ARMcortex-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，运算放大器通过伺服放大器模拟输入接口与伺服放大器的模拟量输入端口连接；所述电源模块与外部24V直流电源连接，将24V电源转换为12V、5V和3.3V电压，为控制器供电；所述编码器安装在收卷和放卷的主轴之间，且与张力控制对象滑动接触，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；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反馈接口连接，伺服放大器反馈接口与伺服放大器的反馈信息端口连接；所述伺服放大器与放卷和收卷的主轴上的伺服电机连接。

2.根据权利要求1所述的嵌入式张力控制器，其特征在于所述MCGS触摸屏的人机界面中包括主控窗口、设备状态、张力曲线和线速曲线；其中主控窗口内用来设定张力与线速度的值，并且能实时查看张力与线速度的值；设备状态界面中能对收放卷的参数进行设定，具体参数有，转速、转矩、卷径、线速度、张力；张力曲线与线速曲线界面用于显示张力与线速度的实时曲线。

3.根据权利要求1所述的嵌入式张力控制器，其特征在于所述ARM cortex-M3微处理器为HT32F1656芯片。

4.根据权利要求1所述的嵌入式张力控制器，其特征在于该控制器的工作流程为：

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，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；返回步骤2）。