基于SIMOTION D425的毛箔機(jī)直接張力控制系統(tǒng)

萬(wàn)筱劍，萬(wàn)昭瑩，劉星宇

（1.深圳市唯川科技有限公司，廣東深圳 518108；2.周口師范學(xué)院，河南周口 466001）

0 引言

隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，多層線路板PCB 制造的層數(shù)越來(lái)越多，印制電路也越來(lái)越密集和精細(xì)，對(duì)制作印制電路板的主要材料銅箔的要求也越來(lái)越高，不僅要求越來(lái)越薄，而且要求各項(xiàng)物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。銅箔的生產(chǎn)需要先進(jìn)的技術(shù)裝備，成熟的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，先進(jìn)的技術(shù)工藝，是一種有較強(qiáng)技術(shù)含量的行業(yè)。在銅箔收卷過(guò)程中，需要保持一定的張力，張力的大小以及穩(wěn)定性對(duì)銅箔產(chǎn)品質(zhì)量起重要作用。張力太大，可能會(huì)出現(xiàn)斷箔，從而導(dǎo)致停機(jī)，影響生產(chǎn)效率，張力太小可能會(huì)出現(xiàn)褶皺，串卷等問(wèn)題，影響銅箔產(chǎn)品質(zhì)量[1-5]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者根據(jù)卷繞系統(tǒng)的特點(diǎn)提出了多種張力控制方案，文獻(xiàn)[6]提出了在收卷控制系統(tǒng)中采用張力控制器驅(qū)動(dòng)磁粉離合器帶動(dòng)收卷輥運(yùn)轉(zhuǎn)的方式來(lái)保證張力和速度穩(wěn)定；文獻(xiàn)[7]提出了基于力矩平衡原理設(shè)計(jì)的無(wú)傳感器張力控制方法，避免了使用張力傳感器帶來(lái)的測(cè)量延遲；文獻(xiàn)[8]提出了以收卷輥控制速度，放卷輥控制張力的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)恒張力恒速度控制效果；文獻(xiàn)[9]提出了以磁粉離合器、張力傳感器、矢量變頻器實(shí)現(xiàn)恒張力控制；文獻(xiàn)[10]在恒張力控制的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了卷繞的雙閉環(huán)、串極、動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)，以三相力矩電機(jī)為主執(zhí)行機(jī)構(gòu)，結(jié)合轉(zhuǎn)速、張力雙閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)了卷繞可控的張力設(shè)備；文獻(xiàn)[11-13]分析了不同PID控制策略對(duì)張力控制的影響，不同的控制策略適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景，均有效提高了張力控制的精度。以上研究推動(dòng)了張力控制的發(fā)展，但是在實(shí)際生產(chǎn)中，影響毛箔張力以及控制精度的因素有很多，卷徑計(jì)算的精度和實(shí)時(shí)性、張力傳感器的精度、錐度的實(shí)際效果、張力閉環(huán)的穩(wěn)定性等，都會(huì)影響毛箔成品。

為解決這些問(wèn)題，在銅箔生產(chǎn)中，必須要保持張力穩(wěn)定，線速度恒定，銅箔的生產(chǎn)設(shè)備中應(yīng)該具備恒張力恒速度控制系統(tǒng)[2-5]。因此，本文基于毛箔收卷的工作原理提出一種直接張力閉環(huán)控制方法。以陰極輥?zhàn)鳛樗俣然鶞?zhǔn)，以收卷輥?zhàn)鳛閺埩?，并?duì)閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行分析。采用積分分離的PID 控制器，實(shí)現(xiàn)毛箔收卷輥啟動(dòng)、加速、恒速運(yùn)行、減速、剎車等工作狀態(tài)，并且在這些工作狀態(tài)下保持張力恒定。

1 毛箔機(jī)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

毛箔機(jī)是一種利用電解技術(shù)制備毛箔的設(shè)備。它使用電解銅或同等純度的電線返回料作為原料，在含有硫酸銅的溶液中進(jìn)行溶解。電解槽中有一個(gè)旋轉(zhuǎn)的陰極輥?zhàn)鳛殛帢O，用不溶性材料制成，它恒速旋轉(zhuǎn)并浸泡在硫酸銅電解液中。在電解過(guò)程中，溶液中的銅會(huì)沉積在陰極輥表面，形成銅箔。銅箔的厚度由陰極電流密度和陰極輥的轉(zhuǎn)速控制。當(dāng)銅箔隨著輥筒轉(zhuǎn)出液面后，可以連續(xù)地從陰極輥上剝離，并經(jīng)過(guò)卷取過(guò)程形成毛箔[5]。

對(duì)于實(shí)現(xiàn)恒張力控制的先進(jìn)方法，目前有以下2 種常見(jiàn)方案。

（1）采用交流伺服電機(jī)。該方法使用交流伺服電機(jī)以力矩模式運(yùn)行，并根據(jù)卷曲直徑的變化來(lái)調(diào)整電機(jī)的控制指令，以維持恒定的張力，這樣可以通過(guò)調(diào)整電機(jī)的輸出力矩來(lái)保持恒定的張力，本質(zhì)是一種張力開(kāi)環(huán)的控制方式。

（2）采用力矩電機(jī)和張力傳感器。這種方法使用力矩電機(jī)，并通過(guò)張力傳感器來(lái)測(cè)量實(shí)際的張力。傳感器的輸出信號(hào)被送入張力調(diào)節(jié)器，以控制力矩電機(jī)從而實(shí)現(xiàn)恒定的張力控制。根據(jù)傳感器的反饋信號(hào)調(diào)整力矩電機(jī)的輸出，可以確保保持恒定的張力。

以上2 種方法在毛箔收卷控制中被廣泛應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)精確的張力控制，確保毛箔的收卷質(zhì)量和一致性。毛箔收卷控制如圖1所示，展示了方案2以張力閉環(huán)實(shí)現(xiàn)張力的恒定控制。

圖1 銅箔收卷控制示意

目前的銅箔收卷是采用間接張力控制的，這種控制方式不檢測(cè)銅箔的張力，而是對(duì)收卷系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行靜態(tài)、動(dòng)態(tài)分析，找出影響張力的物理量，數(shù)字化后通過(guò)程序進(jìn)行控制，從而達(dá)到恒張力控制的目的。使用交流伺服電機(jī)并根據(jù)卷徑變化調(diào)整控制指令，通過(guò)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償來(lái)間接地保持張力近似不變。雖然這種方法相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)且系統(tǒng)穩(wěn)定，但控制精度較直接張力閉環(huán)控制差。

1.2 公共直流母線供電方式

毛箔機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)由陰極輥電機(jī)系統(tǒng)和收卷輥電機(jī)系統(tǒng)組成，這2臺(tái)電機(jī)由雙軸驅(qū)動(dòng)單元控制。在同一時(shí)刻，系統(tǒng)中收卷輥電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向與轉(zhuǎn)矩同向，電機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)，陰極輥電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向與轉(zhuǎn)矩反向，電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)。處于發(fā)電狀態(tài)的電機(jī)由于被動(dòng)地被拖動(dòng)從而產(chǎn)生電能，產(chǎn)生的能量如果不加以處理，就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)過(guò)壓保護(hù)。本文系統(tǒng)采用公共直流母線供電方式，可以將發(fā)電產(chǎn)生的電能通過(guò)回饋單元返回至直流母線，以供電動(dòng)狀態(tài)的電機(jī)使用，過(guò)多的能量回饋電網(wǎng)。

2 控制策略分析

2.1 收卷輥轉(zhuǎn)矩限制張力閉環(huán)控制

在此恒張力控制系統(tǒng)中，線速度保持不變，收卷電機(jī)的卷徑會(huì)隨著卷材的增加變大，轉(zhuǎn)速減小，轉(zhuǎn)速跟卷徑成反比，是始終在變化的。卷徑通過(guò)實(shí)際的線速度與收卷電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度計(jì)算得到，同時(shí)由于銅箔上的張力保持不變，換算到電機(jī)軸端的扭矩與卷徑成正比。轉(zhuǎn)矩限制模式張力閉環(huán)控制如圖2所示。

電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的變化會(huì)影響銅箔上的張力，而陰極輥驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與銅箔線速度密切相關(guān)。如果控制不穩(wěn)定，銅箔張力和電機(jī)轉(zhuǎn)矩會(huì)相互影響，系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩，無(wú)法正常生產(chǎn)。因此，對(duì)收卷電機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制非常重要。此外，隨著收卷半徑的增大，收卷輥的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也增大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的變化會(huì)對(duì)張力的穩(wěn)定產(chǎn)生影響。尤其是在整個(gè)系統(tǒng)啟動(dòng)、加速、減速、制動(dòng)停機(jī)的過(guò)程中，銅箔張力均會(huì)有變化，從而影響銅箔的生產(chǎn)質(zhì)量[1]。

張力控制的數(shù)學(xué)模型如圖3 所示，通過(guò)這個(gè)模型可以方便地分析張力變化的過(guò)程[4]。模型中T為銅箔的張力；Dt為收卷輥的當(dāng)前卷徑；ω為收卷輥的當(dāng)前角速度；Mt為產(chǎn)生張力T的等效拖動(dòng)力矩，則建立的張力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡方程有：

圖3 數(shù)學(xué)模型示意

式中：J為收卷輥的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；β為等效阻尼系數(shù)。

對(duì)于銅箔生產(chǎn)工藝要求來(lái)說(shuō)，機(jī)列的運(yùn)行速度較低，收卷輥的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量隨時(shí)間變化緩慢，則可以認(rèn)為在短時(shí)間內(nèi)是一個(gè)恒量，在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下，可以忽略阻尼系數(shù)的變化。因此，得到卷繞系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)力矩平衡方程：

通過(guò)變換式（2）得出實(shí)時(shí)卷徑與張力的關(guān)系：

從式（3）中可以看出張力與卷徑成反比，隨著收卷卷徑的變化，收卷驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩也要隨之改變，才能保持機(jī)列上銅箔張力的恒定。因此只要求出實(shí)時(shí)卷徑值，同時(shí)控制好Mt-βω，使其隨著卷徑的改變而動(dòng)態(tài)調(diào)整，即可保證銅箔運(yùn)行張力恒定。

根據(jù)以往的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，如果采取恒定的張力值進(jìn)行整個(gè)正產(chǎn)過(guò)程，會(huì)使卷繞的成品銅箔內(nèi)部受力不均，外層銅箔張力遠(yuǎn)大于內(nèi)層銅箔張力，收卷輥上的銅箔會(huì)出現(xiàn)外緊內(nèi)松，甚至內(nèi)部出現(xiàn)褶皺的現(xiàn)象，影響產(chǎn)品質(zhì)量，嚴(yán)重的甚至成為無(wú)法使用的廢品。研究表明，在張力控制系統(tǒng)中添加錐度控制，可以有效解決這些問(wèn)題，提高產(chǎn)品質(zhì)量[14-16]。

根據(jù)張力錐度控制概念[4]，可以用圖4表示實(shí)時(shí)卷徑與張力的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖4 錐度控制示意

那么，任意卷徑時(shí)的張力可以通過(guò)以下公式來(lái)計(jì)算[5]：

式中：T0為初始張力，是卷取開(kāi)始時(shí)的張力值；Tmin為終止張力，是最大卷徑時(shí)的張力值，最大卷徑是卷完所有銅箔時(shí)的卷徑，當(dāng)前卷徑是當(dāng)前所卷取的銅箔實(shí)時(shí)卷徑。

這個(gè)公式可以根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)實(shí)際生產(chǎn)中的需求。通過(guò)對(duì)張力進(jìn)行錐度控制，可以保證卷繞的質(zhì)量，避免發(fā)生銅箔張力不均、產(chǎn)生褶皺等問(wèn)題。

2.2 陰極輥恒速度控制

陰極輥驅(qū)動(dòng)電機(jī)為主速度控制電機(jī)，由于銅箔的厚度很薄，陰極輥上只有一層銅箔，所以直徑可以認(rèn)為是保持恒定的，只要保證陰極輥恒速運(yùn)行，就能保持銅箔的線速度恒定。在張力建立的初始階段以及停機(jī)張力保持階段，由于陰極輥直徑較大，不能忽略慣量，需要對(duì)加減速轉(zhuǎn)矩和摩擦轉(zhuǎn)矩進(jìn)行補(bǔ)償。放卷恒速控制如圖5所示。

圖5 放卷恒速控制示意

陰極輥驅(qū)動(dòng)電機(jī)在正常運(yùn)行階段轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的方向是相反的，電機(jī)運(yùn)行在第二象限，處于發(fā)電狀態(tài)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)器的速度和電流雙閉環(huán)來(lái)保證速度穩(wěn)定。

2.3 收卷張力PID控制

普通PID 控制中引入積分環(huán)節(jié)的主要目的是消除靜差并提高控制精度。然而，在一些情況下，系統(tǒng)輸出會(huì)在啟動(dòng)、結(jié)束或大幅度增減設(shè)定值時(shí)出現(xiàn)較大偏差，這會(huì)導(dǎo)致PID 控制中的積分項(xiàng)大幅累積，當(dāng)累積的積分項(xiàng)超過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)所允許的最大動(dòng)作范圍時(shí)，會(huì)引起系統(tǒng)的超調(diào)和振蕩。為避免這種情況的發(fā)生，可以采用積分分離控制算法[17]，具體步驟如下。

（1）定義一個(gè)設(shè)定閾值ε＞0，當(dāng)偏差超過(guò)這個(gè)閾值時(shí)，取消積分作用，使用PD控制。這樣可以避免產(chǎn)生過(guò)大的超調(diào)，同時(shí)保持較快的系統(tǒng)響應(yīng)。

（2）當(dāng)偏差在設(shè)定閾值內(nèi)時(shí)，引入積分控制，使用PID控制來(lái)消除靜差并提高控制精度。

具體地，積分分離控制算法可以表示為：

式中：Kp、Ki、Kd分別為比例、積分和微分項(xiàng)的系數(shù)；t為采樣周期；β為積分項(xiàng)的開(kāi)關(guān)系數(shù)。

通過(guò)積分分離控制算法，可以在需要時(shí)引入積分控制，以消除靜差并提高控制精度，在偏差較大時(shí)取消積分作用，以避免系統(tǒng)穩(wěn)定性降低和超調(diào)量增大的問(wèn)題。

張力傳感器測(cè)量張力實(shí)際值并通過(guò)變送器送回SIMOTION，與設(shè)定的錐度張力比較，其差值通過(guò)積分分離的PID 調(diào)節(jié)后作為電機(jī)的扭矩限制值，形成張力閉環(huán)。當(dāng)實(shí)際張力值與設(shè)定值的偏差小于閾值時(shí)，積分累加起作用，當(dāng)偏差值大于閾值時(shí)，取消積分累加作用。這樣既保證了張力系統(tǒng)無(wú)靜差，又使系統(tǒng)有足夠的穩(wěn)定性[15-17]。

3 應(yīng)用驗(yàn)證與效果分析

根據(jù)毛箔機(jī)的工藝要求，系統(tǒng)采用Profibus-DP 總線實(shí)現(xiàn)主從工作方式。主站采用SIMOTION D425 作為中心控制器，從站采用TP270 觸摸屏實(shí)現(xiàn)分布式控制輸入。收卷卷徑計(jì)算、錐度控制、張力閉環(huán)、動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償、轉(zhuǎn)速控制均在中心控制器中完成。毛箔的張力、運(yùn)行速度、生產(chǎn)的長(zhǎng)度以及傳感器的狀態(tài)均在從站顯示，同時(shí)在從站還可以輸入工藝參數(shù)。

采用上述方案對(duì)毛箔機(jī)進(jìn)行控制，取得了良好的效果。實(shí)際收卷電機(jī)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)監(jiān)控圖如圖6～7 所示。由圖可知，轉(zhuǎn)速波動(dòng)為0.34%，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)為1.75%，收卷電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，收卷的轉(zhuǎn)速精度以及扭矩精度均優(yōu)于張力開(kāi)環(huán)運(yùn)行狀態(tài)。

圖6 收卷電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)

圖7 收卷電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)

分析毛箔機(jī)的工作過(guò)程，根據(jù)控制模型設(shè)計(jì)整套控制方案，并對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)的恒速恒張力控制，成功應(yīng)用于銅箔廠，其速度可達(dá)到12 m/min，最大可控張力為150 kg，可生產(chǎn)銅箔的規(guī)格為10～105 μm。經(jīng)生產(chǎn)驗(yàn)證，該設(shè)備使用效果良好，毛箔不起皺，不串卷，不僅達(dá)到了該廠的技術(shù)指標(biāo)，而且提高了銅箔的質(zhì)量。該設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行無(wú)故障，維護(hù)簡(jiǎn)單，可替代國(guó)外同水平進(jìn)口設(shè)備，降低設(shè)備維護(hù)成本，增強(qiáng)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)毛箔收卷的工作原理提出了一種直接張力閉環(huán)控制方法，以陰極輥?zhàn)鳛樗俣然鶞?zhǔn)，以收卷輥?zhàn)鳛閺埩?，并?duì)閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，采用積分分離的PID 控制器，實(shí)現(xiàn)了毛箔收卷輥啟動(dòng)、加速、恒速運(yùn)行、減速、剎車等工作狀態(tài)，并且在這些工作狀態(tài)下保持張力恒定。以西門子SIMOTION D425 為控制平臺(tái)進(jìn)行卷徑計(jì)算、錐度調(diào)節(jié)、張力閉環(huán)PID 離散化實(shí)現(xiàn)。實(shí)際生產(chǎn)證明，該控制系統(tǒng)在線速度改變時(shí)候，銅箔上的張力保持在設(shè)定值，即可以實(shí)現(xiàn)不同線速度和不同張力下都能穩(wěn)定運(yùn)行，不受設(shè)定參數(shù)變化的影響，滿足銅箔生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)張力和速度的誤差要求。