[發明專利]一種基于FPGA的薄膜收卷張力控制系統及方法

有效

• 申請號: 201510012805.2
• 申請日: 2015-01-09
• 公開（公告）號: CN104709748A
• 公開（公告）日: 2015-06-17
• 發明（設計）人: 尚春陽;鄢明;莊健;李澤清;張虹虹
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: B65H23/198
• 分類號: B65H23/198
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 陸萬壽

技術領域

本發明屬于塑料工業的多層共擠吹塑機技術領域，具體涉及一種基于FPGA的薄膜收卷張力控制系統及方法。

背景技術

吹塑成型技術是塑料成型工藝的一種重要的方式，其生產的塑料產品在塑料產品中所占的比重越來越大。而國內使用多層共擠吹塑設備進行薄膜的生產也較為普遍。在薄膜生產過程中，最后一道工序是對生產的薄膜進行收卷，薄膜收卷質量的好壞直接影響后續加工質量。而薄膜收卷過程中張力控制系統的精度可靠性和快速性直接影響薄膜的質量及最終的卷取效果。而影響薄膜收卷質量的主要因素是薄膜收卷過程中的張力，張力過大，會導致薄膜變形，甚至會使得薄膜斷裂；張力過小，會導致薄膜收卷過程中出現褶皺、不平，嚴重時，會導致薄膜松卷，無法完成收卷，張力控制不穩，也會造成切斷長度不穩定等現象。所以，薄膜收卷中要維持薄膜張力大小合適，并維持恒定，難點和關鍵就在于設計一套高精度的張力控制系統來保持薄膜上張力的穩定。

薄膜收卷機構主要由牽引輥、導輥、張力輥、收卷輥組成如圖1所示。生產的薄膜由牽引輥進入收卷機構，經由導輥引導，張力輥進行張力檢測，最后由收卷輥收卷為薄膜卷筒。牽引輥和收卷輥之間的線速度差，決定了薄膜上張力的大小。收卷過程中，一般保持牽引輥的速度不變，調節收卷輥的速度，進而調節薄膜收卷過程中的張力。因此，張力控制系統控制的直接對象是收卷輥的轉速，保持收卷輥和牽引輥的線速度差恒定。

目前，多層共擠吹塑設備的張力控制系統種類很多，應用的比較多的是采用國外高端的PLC作為控制器，以變頻器和變頻電機作為執行器，以張力傳感器直接對張力進行檢測并反饋給控制器，形成的張力控制系統。在控制策略上采用傳統PID控制算法，通過選取比例系數Kp、積分系數Ki、微分系數Kd進行控制。PID控制方法以其算法簡單、魯棒性好、可靠性高而得到廣泛的應用。但是，在張力系統中，常常有很多干擾因素，收卷輥的卷徑、收卷輥的線速度、力矩在時刻變化，所以張力系統是一個非線性、時變的系統，其精確的數學模型無法建立。雖然在給定張力的情況下，將PID控制過程的參數調整到合適的值時，在一定條件下，可以滿足要求，但是，但外條件發生改變時，就需要重新調整控制參數，不能實現自動控制，這樣費時費力，而且在工作過程中會出現不穩定的情況，很難達到很高的控制精度。同時，現有的張力控制系統，采用PLC等進行控制，為了提高控制精度，大多采用的是進口的設備，這就使得設備的成本大大提高，其控制效果不穩定，造價高，控制周期長，對操作人員的要求很高。因此，改變薄膜收卷張力控制的控制方法，對薄膜收卷張力實現實時采集并快速響應，實現薄膜收卷張力的穩定控制成為設計薄膜收卷張力控制系統亟待解決的問題。

發明內容

本發明的目的在于克服現有控制方法的不足，提供一種基于FPGA的薄膜收卷張力控制系統及方法，該方法是一種閉環模糊自適應PID控制的系統，采用模糊控制與傳統PID控制相結合構成的張力控制方法，具有算法簡單、實時性強、魯棒性好、穩態性能好等優點。

為了解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案是：

一種基于FPGA的薄膜收卷張力控制系統，包括用于檢測薄膜收卷張力的張力信號采集模塊、帶有FPGA控制芯片的薄膜收卷張力控制模塊、帶有無刷直流電機的薄膜收卷模塊以及用于設定系統初始值并用于薄膜張力顯示的上位機操作面板；

張力信號采集模塊的輸出端與薄膜收卷張力控制模塊的信號輸入端相連，薄膜收卷張力控制模塊分別與薄膜收卷模塊和上位機操作面板交互；FPGA控制芯片用于實現模糊PID控制和無刷直流電機雙閉環控制。

所述薄膜收卷張力控制模塊包括用于轉換薄膜收卷張力信號的A/D轉換電路、用于與上位機操作面板進行通信的通信電路、FPGA控制芯片以及用于控制收卷輥收卷速度的無刷直流電機控制模塊；其中，A/D轉換電路的輸入端與張力信號采集模塊的輸出端相連，A/D轉換電路的輸出端與FPGA控制芯片的信號輸入端相連，無刷直流電機控制模塊分別與FPGA控制芯片和薄膜收卷模塊相交互。

所述張力信號采集模塊包括張力傳感器及信號調理電路；張力傳感器的信號輸出端通過A/D轉換電路與薄膜收卷張力控制模塊中的FPGA控制芯片相連。