CN106629191B - 一种嵌入式张力控制器 - Google Patents

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    • G05D15/00Control of mechanical force or stress; Control of mechanical pressure
    • G05D15/01Control of mechanical force or stress; Control of mechanical pressure characterised by the use of electric means

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
[0001]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
[0002]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。
[0003] 申请号为2〇1220189685.5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。
[0004] 申请号为2〇162〇255289.6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。
[0005] 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宄。
发明内容
[0006] 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。
[0007] 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 C〇rtex-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,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 C〇rteX-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 c〇rtex-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。
[0008] 与现有技术相比,本发明的有益效果是:
[0009] 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。
[0010] 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
[0011]图1为本发明嵌入式张力控制器的结构框图;
[0012]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。 [0013]图中,1.编码器、2.]^68触摸屏、3.八1«1£;〇1^1-10微处理器、4.模拟输入模块、 5.USB模块、6_232模块、7.DA模块、S.运算放大器、9•电源模块、10.脉冲输入模块、11.24V直 流电源、I2•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.WIH 模块。
具体实施方式
[0014]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。
[0015]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l、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I6、电源模块9和脉冲输入模块1〇,所述ARM cortex-M3微处理器、模拟输入模块、 USB模块、2M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 C〇rtex-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 c〇rtex-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 C〇rteX-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 C〇rteX-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。
[0016] 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 c〇rtex-M3微处理器读取相应伺服电机的当前转矩和速度。
[0017] 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。
[0018] DA模块和运算放大器构成输出模块,通过I2C与ARM C〇rteX-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。
[0019] 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。
[0020] 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。 [0021]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。
[0022] 本发明控制器的工作原理及过程是:本发明控制器将ARM C〇rteX-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。
[0023]控制器的工作流程为:
[0024] 1)开启电源,首先匹配ARM C〇rteX-M3微处理器硬件资源,包括对内部时钟、中断、 I/0、ADC、USART的配置以及对Modbus协议通讯进行配置;
[0025] 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;
[0026] 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;
[0027] 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 C〇rteX-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; [0028] 5)ARM C〇rtex-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;
[0029] 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。
[0030] 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。
[0031]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。
[0032]本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (4)

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、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 C〇rtex-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,同时WIFI模块连接云端服务器;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 C〇rteX-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 C〇rtex-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)。
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