摘要：基于印刷行业张力控制原理，分析了张力控制系统组成，并介绍了以STM32为主控芯片及外围电路开发而成的闭环张力控制系统，该系统不仅控制精度高，响应速度快，而且操作简单，有合理的PID控制功张力控制；收卷；放卷；PID调节

    张力控制系统广泛应用于印刷等轻工业领域中，在收取和放卷材料时，为保证生产的质量及效率，保持恒定的张力是很重要的。在印刷过程中或者是印刷完成之后，*后的一道工序一般就是将加工物卷绕成筒状。在这一过程中，卷绕的好坏将是决定产品质量的关键，卷得太紧，容易使材料变形、拉断，卷得太松又容易使材料不紧凑，不利于搬运和运输，因而为了达到使卷绕紧凑，保证产品的质量，都要求在卷绕过程中，在材料上建立一定的张力，并保持张力为恒定值。有时恒定的张力值与材料卷绕的直径必须保持对应关系，因为不同材料的柔韧度也各不相同，而当以固定张力卷绕比较柔的材料时，内层材料就会被外层压至变形。为了避免这种情况的发生，系统需要测量出卷绕材料的直径，实时控制材料受到的张力。

    随着印刷行业逐步结构化与系统化，对材料张力的控制有了越来越高的要求，由于印刷工艺流程各不相同，张力控制方法也就千差万别。目前应用的张力控制系统，根据其测量控制的原理结构，主要有以下3种：间接法张力控制系统；直接法张力控制系统；兼有间接法和直接法的复合张力控制系统。间接张力控制不需要安装张力传感器，降低了控制设备成本。然而间接张力控制只

    由此可知，若需控制张力，就必须控制牵引辊与放卷筒的速度差，可见张力控制系统实际上也是线速度跟踪系统。材料的张力在控制过程是一个积分环节。一般情况下，在设备启动时卷材的放卷速度是小于牵引轴的工作速度，以使材料中产生张力，当张力达到我们要求合适时，我们就稳定材料的放卷速度，这样，材料就可在此张力下稳定运行了。材料的收卷过程也与此类似。我们控制速度的执行机构为磁粉，放卷过程中，选用磁粉制动器，收卷过程中，则选用磁粉离合器。

1．2 张力的测量

    由图1所示，张力的测量主要是通过张力传感器获得。为了准确测量材料的张力，材料必须以120的包角经过张力传感器上的滚轴。通过力的合成计算原理(平行四边形原则)，张力传感器上的所受的力则为材料的张力与滚轴的重力之和。我们通过计算方法去掉滚轴的重力信号，而采集到的张力信号参与后面的控制过程。

2 实现方案

    市场上张力传感器，也叫压力传感器。根据测量的压力而反馈电压的量程范围，它有两种型号，分别叫应变式压力传感器和差动式压力传感器。应变式压力传感器的电压量程通常为0～13 mV，而差动式压力传感器的电压量程通常为0～150 mV。为了满足用户的不同选择，信号放大电路中必须要有两种放大倍数，使系统可以正常的运行。

    为了使采得的模拟电压可以比较**的放大，放大电路必须有较高的性3个12位*高的1 MHz的ADC外设、两个12位DAC、从256 K至512 K字节的大容量程序存储器、64 K的SRAM等等；它的*高工作频率可以达到72 MHz。在程序的设计方面，ST公司提供了一套完善的固件库，将各个寄存器操作用函数封装起来，操作方式非常规范，程序设计较其他控制芯片也就相对容易。在STM32众多芯片型号中，STM32F103RCT6是*合适的一款，它不仅包含所有需求的外设，而且价格低廉。在张力控制过程中，实时采样放大的模拟电压量可以用12位高性一种叫磁粉离合器，另一种叫磁粉制动器，它们分别是用在卷材收卷和放卷的过程。磁粉通过万向联轴器与收卷筒和放卷筒相连，磁粉里填入的是微细铁磁粉末。在额定扭矩下，磁粉的特性公式Ma=K*If(K为常数，If为接入的激磁电流)，由此可知，磁粉的扭矩与接入的激磁电流成线性关系。磁粉离合器有主动端和从动端，在没有激磁电流的情况下，从动端不随主动端转动，在通有一定的激磁电流时，里面的磁粉磁化，将主动端的扭矩按照一定的比率耦合到从动端。磁粉离合器只有一个输出轴，当没有接入激磁电流时，磁粉没有磁化，输出轴的扭矩很大，而接入了激磁电流后，磁粉离合器的输出轴就会有线性的扭矩输出。

    市场上经常用到的磁粉供电电压在24 V左右，满载电流可达4 A到6 A。这给恒流输出电路提高了难度。STM32控制输出的PWM波通过恒流模块的放大供给磁粉工作。这里就必须用到耐压36 V以上的场效应管，控制器输出的PWM波也必须经过一定的电压和电流的放大才有预备阶段，启动阶段，运行阶段，停机阶段。t0以前为预备阶段，t0到t1为启动阶段，t1到t2为运行阶段，t2到t3为停机阶段，t3时间过后系统又重新进入了预备阶段，而T0为用户设定张力。用户可以通过设置表中的参数完成控制过程，预备阶段可以说是等待阶段，用户此时要把卷料准备好，而系统有一定的预备输出预热磁粉。在满足启动条件时，系统就进入了启动阶段，这里有两种启动方法，一是电平启动，即用户可以用开关开启系统；二是速度启动，即当滚轴速度达到一定值时，系统自行进入启动阶段，用户按需求设定的启动输出使设备开始运转。经过启动时间，系统就进入运行阶段，此时STM32控制器进行PID调节自动跟踪，当所测张力调节到设定值时，输出基本保持稳定状态。当卷材收取或放出完毕后，若是电平启动，则可以关闭开关停机系统，若是速度启动，则当速度降为设定值时自动停机。停机时的停机增益是指运行阶段输出值的增加倍数。

    除了以上自动张力控制外，还有另一个控制方法，即可以人为给定输出值。人为给定输出值是只在特殊情况下才会用到。然而做作为输出的一种手段，也是必不可缺的功能。在张力控制过程中，也必须满足在手动和自动的切换过程中，不会对输出值有太大的变化，不然会至使卷料拉断或松弛，造成巨大的损失。

4 结论

    基于STM32闭环张力控制系统可以**的控制张力，在印刷等轻工业中有着非常广阔的前景。它不仅在信号的采集时有较高的精度，在控制过程中也有极强的稳定性和可靠性。在配置参数时也非常灵活，可以满足多种用户的需求。在精度要求高的张力控制系统中，值得推广应用。