一种基于fpga的薄膜收卷张力控制系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于塑料工业的多层共挤吹塑机技术领域，具体涉及一种基于FPGA的薄膜收卷张力控制系统及方法。
【背景技术】
[0002]吹塑成型技术是塑料成型工艺的一种重要的方式，其生产的塑料产品在塑料产品中所占的比重越来越大。而国内使用多层共挤吹塑设备进行薄膜的生产也较为普遍。在薄膜生产过程中，最后一道工序是对生产的薄膜进行收卷，薄膜收卷质量的好坏直接影响后续加工质量。而薄膜收卷过程中张力控制系统的精度可靠性和快速性直接影响薄膜的质量及最终的卷取效果。而影响薄膜收卷质量的主要因素是薄膜收卷过程中的张力，张力过大，会导致薄膜变形，甚至会使得薄膜断裂；张力过小，会导致薄膜收卷过程中出现褶皱、不平，严重时，会导致薄膜松卷，无法完成收卷，张力控制不稳，也会造成切断长度不稳定等现象。所以，薄膜收卷中要维持薄膜张力大小合适，并维持恒定，难点和关键就在于设计一套高精度的张力控制系统来保持薄膜上张力的稳定。
[0003]薄膜收卷机构主要由牵引辊、导辊、张力辊、收卷辊组成如图1所示。生产的薄膜由牵引辊进入收卷机构，经由导辊引导，张力辊进行张力检测，最后由收卷辊收卷为薄膜卷筒。牵引辊和收卷辊之间的线速度差，决定了薄膜上张力的大小。收卷过程中，一般保持牵引辊的速度不变，调节收卷辊的速度，进而调节薄膜收卷过程中的张力。因此，张力控制系统控制的直接对象是收卷辊的转速，保持收卷辊和牵引辊的线速度差恒定。
[0004]目前，多层共挤吹塑设备的张力控制系统种类很多，应用的比较多的是采用国外高端的PLC作为控制器，以变频器和变频电机作为执行器，以张力传感器直接对张力进行检测并反馈给控制器，形成的张力控制系统。在控制策略上采用传统PID控制算法，通过选取比例系数Kp、积分系数K1、微分系数Kd进行控制。PID控制方法以其算法简单、鲁棒性好、可靠性高而得到广泛的应用。但是，在张力系统中，常常有很多干扰因素，收卷辊的卷径、收卷辊的线速度、力矩在时刻变化，所以张力系统是一个非线性、时变的系统，其精确的数学模型无法建立。虽然在给定张力的情况下，将PID控制过程的参数调整到合适的值时，在一定条件下，可以满足要求，但是，但外条件发生改变时，就需要重新调整控制参数，不能实现自动控制，这样费时费力，而且在工作过程中会出现不稳定的情况，很难达到很高的控制精度。同时，现有的张力控制系统，采用PLC等进行控制，为了提高控制精度，大多采用的是进口的设备，这就使得设备的成本大大提高，其控制效果不稳定，造价高，控制周期长，对操作人员的要求很高。因此，改变薄膜收卷张力控制的控制方法，对薄膜收卷张力实现实时采集并快速响应，实现薄膜收卷张力的稳定控制成为设计薄膜收卷张力控制系统亟待解决的问题。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服现有控制方法的不足，提供一种基于FPGA的薄膜收卷张力控制系统及方法，该方法是一种闭环模糊自适应PID控制的系统，采用模糊控制与传统PID控制相结合构成的张力控制方法，具有算法简单、实时性强、鲁棒性好、稳态性能好等优点。
[0006]为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是:
[0007]一种基于FPGA的薄膜收卷张力控制系统，包括用于检测薄膜收卷张力的张力信号采集模块、带有FPGA控制芯片的薄膜收卷张力控制模块、带有无刷直流电机的薄膜收卷模块以及用于设定系统初始值并用于薄膜张力显示的上位机操作面板；
[0008]张力信号采集模块的输出端与薄膜收卷张力控制模块的信号输入端相连，薄膜收卷张力控制模块分别与薄膜收卷模块和上位机操作面板交互；FPGA控制芯片用于实现模糊PID控制和无刷直流电机双闭环控制。
[0009]所述薄膜收卷张力控制模块包括用于转换薄膜收卷张力信号的A/D转换电路、用于与上位机操作面板进行通信的通信电路、FPGA控制芯片以及用于控制收卷辊收卷速度的无刷直流电机控制模块；其中，A/D转换电路的输入端与张力信号采集模块的输出端相连，A/D转换电路的输出端与FPGA控制芯片的信号输入端相连，无刷直流电机控制模块分别与FPGA控制芯片和薄膜收卷模块相交互。
[0010]所述张力信号采集模块包括张力传感器及信号调理电路；张力传感器的信号输出端通过A/D转换电路与薄膜收卷张力控制模块中的FPGA控制芯片相连。
[0011]所述无刷直流电机控制模包括用于检测无刷直流电机电流的电流检测电路、用于检测无刷直流电机位置的位置检测电路以及用于驱动无刷直流电机的驱动电路及三相桥式逆变器；无刷直流电机驱动电路的输入端与FPGA控制芯片的6路PWM输出端相连，无刷直流电机驱动电路的输出端与三相桥式逆变器的输入端相接，同时三相桥式电路的输出端与无刷直流电机及电流检测电路的输入端相接，位置检测电路的输入端与无刷直流电机相连，电流检测电路和位置检测电路的信号输出端与FPGA控制芯片的信号输入端相接。
[0012]所述FPGA控制芯片包括模糊PID控制器、无刷直流电机双闭环控制系统以及用于输出PWM波的PWM输出模块；其中，模糊PID控制器用于实现电机转速设定；无刷直流电机双闭环控制系统用于实现无刷直流电机双闭环控制的PI速度调节控制和PI电流调节控制;
[0013]FPGA控制芯片的ROM中存储有模糊控制查找表，通过VHDL将用于实现电机转速设定的模糊PID控制算法、用于实现无刷直流电机双闭环控制的PI速度调节控制算法、PI电流调节控制算法以及PWM波输出算法固化到FPGA中。
[0014]所述模糊控制查找表是使用Matlab工具对系统数学模型进行Simulink仿真，在确定了量化因子、基本论域、模糊论域，根据专家经验和仿真调试建立模糊控制规则表，进行模糊推理并采用重心法解模糊后查询得到的。
[0015]所述薄膜收卷张力控制模块还包括用于实现复位操作的复位电路、用于参考信号的时钟电路。
[0016]所述薄膜收卷模块包括用于收卷薄膜并安装在收卷辊上的卷筒以及用于控制卷筒转速的无刷直流电机；无刷直流电机的输出轴与卷筒的转轴连接。
[0017]一种基于FPGA的薄膜收卷张力控制方法，包括以下步骤:
[0018]a)系统初始化
[0019]通过上位机控制面板输入薄膜收卷张力值及控制算法初始值；
[0020]b)信号采集
[0021]张力信号采集模块采集薄膜收卷过程中薄膜上的张力值；
[0022]c)控制输出量的调整
[0023]由FPGA控制芯片中的模糊PID控制器和无刷直流电机双闭环控制系统实现，将步骤b)中采集到的张力值通过A/D转换为数字量的张力信号，输入到模糊PID控制器中，与步骤a)中输入的设定张力值比较，经处理器计算得到张力偏差e和偏差变化率ec其中ec = de/dt ;将e和ec模糊量化得出编码值E、Ec，输入到ROM中的模糊控制查找表查询得到PID参数的修正量Λ kp、Ak1、Akd，然后结合PID初始参数值，在线自整定得到调整后的PID三个参数，将整定后的Kp、K1、Kd输入到增量式PID控制算法计算，得到无刷直流电机速度设定值；速度设定值与无刷直流电机位置检测电路得到的无刷直流电机实际转速值，经过处理得到速度偏差V，输入到速度PI算法模块，计算得到无刷直流电机的电流参考值；无刷直流电机电流参考值与无刷直流电机电流检测电路得到的无刷直流电机三相实际电流值经计算得到电流偏差，经过PI算法输出控制量，再经过PWM控制器输出得到6路PWM波；
[0024]d)控制信号输出
[0025]6路PWM波经无刷直流电机驱动电路输出给三相桥式逆变器，控制功率管的开断，从而实现无刷直流电机的速度调节，无刷直流电机驱动收卷辊，调节收卷辊的转速，实现薄膜收卷张力的恒定控制；
[0026]e)重复步骤b)?d)，如果设定的张力值发生改变，则系统会自动调节收卷速度，最后实现薄膜收卷张力在设置值及允许的波动范围内，维持稳定。
[0027]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:
[0028]本发明基于FPGA的薄膜收卷张力控制系统以FPGA作为核心控制芯片，开发成本低、开发