CN113247678B - 一种基于数字电位器的卷绕物放卷张力自动控制电路 - Google Patents
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Abstract
本发明属于工业测控领域，涉及一种电路，特别涉及一种基于数字电位器的卷绕物放卷张力自动控制电路，适用于各类卷绕物放卷张力控制的场合。本发明包括磁粉制动器、霍尔开关、磁钢、功率调节模块、稳压模块、分频器、数字电位器、施密特反相器、选择开关、DIP开关、初始电位器等。本发明根据恒张力放卷控制中的放卷轴制动力矩与卷径成正比的原理，利用放卷轴上安装霍尔开关的输出脉冲信号经可预置分频器后控制数字电位器的输出信号作为磁粉制动器功率驱动模块的指令，以按卷径递减规律递减磁粉制动器的输出制动力矩，实现间接的恒张力放卷控制。该方案电路简单、成本低、可产品化，应用范围广。
Description
技术领域
本发明属于工业测控领域，涉及一种电路，特别涉及一种基于数字电位器的卷绕物放卷张力自动控制电路，适用于各类卷绕物放卷张力控制的场合。
背景技术
在诸如塑料薄膜、纺织物、纸、金属箔膜、带料、线缆等各类卷绕物生产加工过程中，张力控制是关键技术。目前，以磁粉制动器为放卷张力控制系统执行部件的卷绕物放卷张力控制方案主要有两种：第一种张力闭环控制方案，最常用的是采用力传感器检测装置检测卷绕物张力，以高性能MCU(嵌入式单片机、DSP等)为控制器核心，其优点是控制精度高，不足之处在于系统结构复杂，尤其张力检测装置复杂(需要在一根浮动导辊的两端分别安装力传感器，且还需前邻辊、后邻辊等组成)，体积大、成本高，张力检测装置需定期校准，系统维护较麻烦。第二种是张力间接控制方案，其特点是：不直接检测张力，而是检测放卷轴上的料卷半径，通过以PLC系统或高性能MCU(嵌入式单片机、DSP等)为核心的控制器使磁粉制动器输出的制动力矩随着生产过程放卷半径的减小而减小，以间接控制放卷张力，其控制精度不如张力闭环控制方案但能满足很多生产过程的要求，但放卷半径检测也较麻烦，系统成本较高仅次于张力闭环控制方案。因此，提出一种基于完全由电路实现的、简单可靠的放卷张力间接控制电路，具有很好的应用前景。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提出一种基于数字电位器的卷绕物放卷张力自动控制电路方案，该方案利用恒张力放卷控制中的放卷轴制动力矩与卷径成正比的原理，在放卷轴上安装霍尔开关的感应磁钢，使霍尔开关输出脉冲信号经可预置分频器后控制数字电位器的输出信号作为磁粉制动器功率驱动模块的指令，以按卷径递减规律递减磁粉制动器的输出制动力矩，实现间接的恒张力放卷控制。该方案电路简单、成本低、可产品化。
一种基于数字电位器的卷绕物放卷张力自动控制电路，包括磁粉制动器MBK、霍尔开关NS1、磁钢MS1、功率调节模块IC1、稳压模块IC2、分频器IC3、数字电位器IC4、施密特反相器IC5、选择开关K1、DIP开关K2、初始电位器RP1、使能电阻R1、调节电阻R2、上电电阻R3、脉冲电阻R4、第四电阻R5、第三电阻R6、第二电阻R7、第一电阻R8、稳压管WD1、续流二极管D1、肖特基二极管D2、滤波电感L1、稳压电感L2、电源电容C1、升压电容C2、滤波电容C3、稳压电容C4、上电电容C5、脉冲电容C6，电路供电端Us与功率调节模块IC1的输入端IN端、稳压模块IC2的输入端IN端、电源电容C1的正端、使能电阻R1的一端连接，使能电阻R1的另一端与稳压管WD1的阴极、选择开关K1的常闭端NC端连接，电源电容C1的负端、稳压管WD1的阳极均接地，稳压模块IC2的地端GND端接地，稳压模块IC2的输出端OUT端与肖特基二极管D2的阴极、稳压电感L2的一端连接，稳压模块IC2的反馈端FB端与稳压电感L2的另一端、稳压电容C4的正端、控制电源端+VCC端连接，肖特基二极管D2的阳极与稳压电容C4的负端均接地，选择开关K1的常开端NO端接地，选择开关K1的公共端O端与功率调节模块IC1的使能端ON/OFF端连接，功率调节模块IC1的输出端OUT端与续流二极管D1的阴极、滤波电感L1的一端、升压电容C2的一端连接，升压电容C2的另一端与功率调节模块IC1的升压端CB端连接，功率调节模块IC1的地端GND端接地，功率调节模块IC1的反馈端FB端与调节电阻R2的一端、初始电位器RP1的一端及其中心端连接，初始电位器RP1的另一端与数字电位器IC4的输出电阻中心端RW端及输出电阻下端RL端连接，调节电阻R2的另一端接地，滤波电感L1的另一端与滤波电容C3的正端、数字电位器IC4的输出电阻上端RH端、磁粉制动器MBK的一端连接，续流二极管D1的阳极、滤波电容C3的负端、磁粉制动器MBK的另一端均接地，磁粉制动器MBK的转轴与料卷轴心连接并在转轴上贴有磁钢MS1，磁钢MS1与霍尔开关NS1配合工作，霍尔开关NS1的电源端VCC端与控制电源端+VCC端连接，霍尔开关NS1的地端GND端接地，霍尔开关NS1的输出端OUT端与脉冲电阻R4的一端连接，脉冲电阻R4的另一端与脉冲电容C6的一端、施密特反相器IC5的输入端IN端连接，脉冲电容C6的另一端接地，施密特反相器IC5的地端GND端接地，施密特反相器IC5的电源端VCC端与控制电源端+VCC端连接，施密特反相器IC5的输出端OUT端与分频器IC3的时钟端CP端连接，分频器IC3的电源端VCC端与控制电源端+VCC端、上电电容C5的一端连接，分频器IC3的复位端R端与上电电容C5的另一端、上电电阻R3的一端连接，分频器IC3的地端GND端、上电电阻R3的另一端均接地，分频器IC3的第1数据端D1端与第四电阻R5的一端、DIP开关K2的第1常开端1端连接，分频器IC3的第2数据端D2端与第三电阻R6的一端、DIP开关K2的第2常开端2端连接，分频器IC3的第3数据端D3端与第二电阻R7的一端、DIP开关K2的第3常开端3端连接，分频器IC3的第4数据端D4端与第一电阻R8的一端、DIP开关K2的第4常开端4端连接，DIP开关K2的公共端O端接地，第四电阻R5的另一端、第三电阻R6的另一端、第二电阻R7的另一端、第一电阻R8的另一端均与控制电源端+VCC端连接，分频器IC3的信号输出端OC端及允许端PE端均与数字电位器IC4的上升输入端UP端连接，数字电位器IC4的电源端VCC端与控制电源端+VCC端连接，数字电位器IC4的地端GND端、片选端/CS端均接地。
本发明的有益效果如下：
本发明完全利用电子电路和放卷轴上霍尔开关信号的简单方案，实现了按卷径递减规律递减磁粉制动器的输出制动力矩，实现了间接的恒张力放卷控制。该方案电路简单、成本低、可产品化，应用范围广。
附图说明
图1为本发明的电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种基于数字电位器的卷绕物放卷张力自动控制电路，包括磁粉制动器MBK、霍尔开关NS1、磁钢MS1、功率调节模块IC1、稳压模块IC2、分频器IC3、数字电位器IC4、施密特反相器IC5、选择开关K1、DIP开关K2、初始电位器RP1、使能电阻R1、调节电阻R2、上电电阻R3、脉冲电阻R4、第四电阻R5、第三电阻R6、第二电阻R7、第一电阻R8、稳压管WD1、续流二极管D1、肖特基二极管D2、滤波电感L1、稳压电感L2、电源电容C1、升压电容C2、滤波电容C3、稳压电容C4、上电电容C5、脉冲电容C6，电路供电端Us与功率调节模块IC1的输入端IN端、稳压模块IC2的输入端IN端、电源电容C1的正端、使能电阻R1的一端连接，使能电阻R1的另一端与稳压管WD1的阴极、选择开关K1的常闭端NC端连接，电源电容C1的负端、稳压管WD1的阳极均接地，稳压模块IC2的地端GND端接地，稳压模块IC2的输出端OUT端与肖特基二极管D2的阴极、稳压电感L2的一端连接，稳压模块IC2的反馈端FB端与稳压电感L2的另一端、稳压电容C4的正端、控制电源端+VCC端连接，肖特基二极管D2的阳极与稳压电容C4的负端均接地，选择开关K1的常开端NO端接地，选择开关K1的公共端O端与功率调节模块IC1的使能端ON/OFF端连接，功率调节模块IC1的输出端OUT端与续流二极管D1的阴极、滤波电感L1的一端、升压电容C2的一端连接，升压电容C2的另一端与功率调节模块IC1的升压端CB端连接，功率调节模块IC1的地端GND端接地，功率调节模块IC1的反馈端FB端与调节电阻R2的一端、初始电位器RP1的一端及其中心端连接，初始电位器RP1的另一端与数字电位器IC4的输出电阻中心端RW端及输出电阻下端RL端连接，调节电阻R2的另一端接地，滤波电感L1的另一端与滤波电容C3的正端、数字电位器IC4的输出电阻上端RH端、磁粉制动器MBK的一端连接，续流二极管D1的阳极、滤波电容C3的负端、磁粉制动器MBK的另一端均接地，磁粉制动器MBK的转轴与料卷轴心连接并在转轴上贴有磁钢MS1，磁钢MS1与霍尔开关NS1配合工作，霍尔开关NS1的电源端VCC端与控制电源端+VCC端连接，霍尔开关NS1的地端GND端接地，霍尔开关NS1的输出端OUT端与脉冲电阻R4的一端连接，脉冲电阻R4的另一端与脉冲电容C6的一端、施密特反相器IC5的输入端IN端连接，脉冲电容C6的另一端接地，施密特反相器IC5的地端GND端接地，施密特反相器IC5的电源端VCC端与控制电源端+VCC端连接，施密特反相器IC5的输出端OUT端与分频器IC3的时钟端CP端连接，分频器IC3的电源端VCC端与控制电源端+VCC端、上电电容C5的一端连接，分频器IC3的复位端R端与上电电容C5的另一端、上电电阻R3的一端连接，分频器IC3的地端GND端、上电电阻R3的另一端均接地，分频器IC3的第1数据端D1端与第四电阻R5的一端、DIP开关K2的第1常开端1端连接，分频器IC3的第2数据端D2端与第三电阻R6的一端、DIP开关K2的第2常开端2端连接，分频器IC3的第3数据端D3端与第二电阻R7的一端、DIP开关K2的第3常开端3端连接，分频器IC3的第4数据端D4端与第一电阻R8的一端、DIP开关K2的第4常开端4端连接，DIP开关K2的公共端O端接地，第四电阻R5的另一端、第三电阻R6的另一端、第二电阻R7的另一端、第一电阻R8的另一端均与控制电源端+VCC端连接，分频器IC3的信号输出端OC端及允许端PE端均与数字电位器IC4的上升输入端UP端连接，数字电位器IC4的电源端VCC端与控制电源端+VCC端连接，数字电位器IC4的地端GND端、片选端/CS端均接地。
本发明所使用的包括霍尔开关NS1、功率调节模块IC1、稳压模块IC2、分频器IC3、数字电位器IC4、施密特反相器IC5等在内的所有器件均采用市场上可购得的现有器件产品。例如：霍尔开关采用JK8002C，功率调节模块采用LM2578ADJ，稳压模块采用LM2575，分频器采用CD4522，数字电位器采用X9319，施密特反相器采用CD40106等。
本发明中的主要电路参数配合关系如下：
设：U0、U0N分别为磁粉制动器励磁电压及其额定值(单位：V)，VFB为功率调节模块IC1片内参考电压(单位：V)，RHL为数字电位器IC4额定输出阻值(单位：Ω)，r0max、r0min分别为卷绕物料卷最大半径与卷芯半径(单位：mm)，h为卷绕物厚度(单位：mm)，N为分频器IC3与DIP开关K2设置的分频数，M为数字电位器IC4的输出电阻可调级数。
本发明工作过程如下：
由于磁粉制动器轴每转一圈，卷绕物放卷机构上的料卷半径r0就减少一个卷绕物材料的厚度h，因此，放卷过程中，料卷半径r0是按每次递减一个h值而逐级减小的。为保持张力F不变，则磁粉制动器输出制动力矩T＝F×r0∝r0，即，T要随放卷过程中的料卷半径逐渐减小而减小。因稳态时，T∝I0∝U0，其中，I0为磁粉制动器励磁电流。所以，通过使U0按一定的参数配合关系随r0逐级减少可间接控制放卷过程中的卷绕物张力F。
如图1所示，以高效率的开关型功率调节模块IC1作为磁粉制动器MBK的驱动装置，并对磁粉制动器励磁电压U0构成闭环控制，其闭环反馈系数由数字电位器IC4的输出阻值RHW决定，如式(3)所示。霍尔开关NS1输出脉冲经R4C6滤波并经施密特反相器IC5整形后脉冲频率fi正比于磁粉制动器转速n，再经可预置的分频器IC3后输出脉冲频率为f0＝fi/N，分频数N根据式(2)由DIP开关K2设置。设：数字电位器IC4可调级数为M，当其上升输入端UP端每接收一个来自分频器IC3的输出脉冲时，则其输出电阻RHW就减小M分之一，则，磁粉制动器的励磁电压也随之随卷径的递减而递减，从而使放卷过程中的卷绕物张力F基本不变。
Claims (2)
1.一种基于数字电位器的卷绕物放卷张力自动控制电路，其特征在于，包括：磁粉制动器MBK、霍尔开关NS1、磁钢MS1、功率调节模块IC1、稳压模块IC2、分频器IC3、数字电位器IC4、施密特反相器IC5、选择开关K1、DIP开关K2、初始电位器RP1、使能电阻R1、调节电阻R2、上电电阻R3、脉冲电阻R4、第四电阻R5、第三电阻R6、第二电阻R7、第一电阻R8、稳压管WD1、续流二极管D1、肖特基二极管D2、滤波电感L1、稳压电感L2、电源电容C1、升压电容C2、滤波电容C3、稳压电容C4、上电电容C5、脉冲电容C6；
电路供电端Us与功率调节模块IC1的输入端IN端、稳压模块IC2的输入端IN端、电源电容C1的正端、使能电阻R1的一端连接，使能电阻R1的另一端与稳压管WD1的阴极、选择开关K1的常闭端NC端连接，电源电容C1的负端、稳压管WD1的阳极均接地，稳压模块IC2的地端GND端接地，稳压模块IC2的输出端OUT端与肖特基二极管D2的阴极、稳压电感L2的一端连接，稳压模块IC2的反馈端FB端与稳压电感L2的另一端、稳压电容C4的正端、控制电源端+VCC端连接，肖特基二极管D2的阳极与稳压电容C4的负端均接地，选择开关K1的常开端NO端接地，选择开关K1的公共端O端与功率调节模块IC1的使能端ON/OFF端连接，功率调节模块IC1的输出端OUT端与续流二极管D1的阴极、滤波电感L1的一端、升压电容C2的一端连接，升压电容C2的另一端与功率调节模块IC1的升压端CB端连接，功率调节模块IC1的地端GND端接地，功率调节模块IC1的反馈端FB端与调节电阻R2的一端、初始电位器RP1的一端及其中心端连接，初始电位器RP1的另一端与数字电位器IC4的输出电阻中心端RW端及输出电阻下端RL端连接，调节电阻R2的另一端接地，滤波电感L1的另一端与滤波电容C3的正端、数字电位器IC4的输出电阻上端RH端、磁粉制动器MBK的一端连接，续流二极管D1的阳极、滤波电容C3的负端、磁粉制动器MBK的另一端均接地，磁粉制动器MBK的转轴与料卷轴心连接并在转轴上贴有磁钢MS1，磁钢MS1与霍尔开关NS1配合工作，霍尔开关NS1的电源端VCC端与控制电源端+VCC端连接，霍尔开关NS1的地端GND端接地，霍尔开关NS1的输出端OUT端与脉冲电阻R4的一端连接，脉冲电阻R4的另一端与脉冲电容C6的一端、施密特反相器IC5的输入端IN端连接，脉冲电容C6的另一端接地，施密特反相器IC5的地端GND端接地，施密特反相器IC5的电源端VCC端与控制电源端+VCC端连接，施密特反相器IC5的输出端OUT端与分频器IC3的时钟端CP端连接，分频器IC3的电源端VCC端与控制电源端+VCC端、上电电容C5的一端连接，分频器IC3的复位端R端与上电电容C5的另一端、上电电阻R3的一端连接，分频器IC3的地端GND端、上电电阻R3的另一端均接地，分频器IC3的第1数据端D1端与第四电阻R5的一端、DIP开关K2的第1常开端1端连接，分频器IC3的第2数据端D2端与第三电阻R6的一端、DIP开关K2的第2常开端2端连接，分频器IC3的第3数据端D3端与第二电阻R7的一端、DIP开关K2的第3常开端3端连接，分频器IC3的第4数据端D4端与第一电阻R8的一端、DIP开关K2的第4常开端4端连接，DIP开关K2的公共端O端接地，第四电阻R5的另一端、第三电阻R6的另一端、第二电阻R7的另一端、第一电阻R8的另一端均与控制电源端+VCC端连接，分频器IC3的信号输出端OC端及允许端PE端均与数字电位器IC4的上升输入端UP端连接，数字电位器IC4的电源端VCC端与控制电源端+VCC端连接，数字电位器IC4的地端GND端、片选端/CS端均接地。
2.根据权利要求1所述的一种基于数字电位器的卷绕物放卷张力自动控制电路，其特征在于电路参数配合关系如下：
设：U0、U0N分别为磁粉制动器励磁电压及其额定值(单位：V)，VFB为功率调节模块IC1片内参考电压(单位：V)，RHL为数字电位器IC4额定输出阻值(单位：Ω)，r0max、r0min分别为卷绕物料卷最大半径与卷芯半径(单位：mm)，h为卷绕物厚度(单位：mm)，N为分频器IC3与DIP开关K2设置的分频数，M为数字电位器IC4的输出电阻可调级数，R2为调节电阻R2的阻值(单位：Ω)，(RP1)、(RP1)max分别为初始电位器RP1的当前阻值与最大阻值(单位：Ω)，RHW为数字电位器IC4的输出阻值(单位：Ω)，其中：
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