基于SIMOTION D425的毛箔機直接張力控制系統

萬筱劍，萬昭瑩，劉星宇

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

0 引言

隨著微電子技術的飛速發展，多層線路板PCB 制造的層數越來越多，印制電路也越來越密集和精細，對制作印制電路板的主要材料銅箔的要求也越來越高，不僅要求越來越薄，而且要求各項物理化學性質穩定。銅箔的生產需要先進的技術裝備，成熟的技術經驗，先進的技術工藝，是一種有較強技術含量的行業。在銅箔收卷過程中，需要保持一定的張力，張力的大小以及穩定性對銅箔產品質量起重要作用。張力太大，可能會出現斷箔，從而導致停機，影響生產效率，張力太小可能會出現褶皺，串卷等問題，影響銅箔產品質量[1-5]。

國內外學者根據卷繞系統的特點提出了多種張力控制方案，文獻[6]提出了在收卷控制系統中采用張力控制器驅動磁粉離合器帶動收卷輥運轉的方式來保證張力和速度穩定；文獻[7]提出了基于力矩平衡原理設計的無傳感器張力控制方法，避免了使用張力傳感器帶來的測量延遲；文獻[8]提出了以收卷輥控制速度，放卷輥控制張力的方法來實現恒張力恒速度控制效果；文獻[9]提出了以磁粉離合器、張力傳感器、矢量變頻器實現恒張力控制；文獻[10]在恒張力控制的基礎上，設計了卷繞的雙閉環、串極、動態控制系統，以三相力矩電機為主執行機構，結合轉速、張力雙閉環控制，實現了卷繞可控的張力設備；文獻[11-13]分析了不同PID控制策略對張力控制的影響，不同的控制策略適用于不同的應用場景，均有效提高了張力控制的精度。以上研究推動了張力控制的發展，但是在實際生產中，影響毛箔張力以及控制精度的因素有很多，卷徑計算的精度和實時性、張力傳感器的精度、錐度的實際效果、張力閉環的穩定性等，都會影響毛箔成品。

為解決這些問題，在銅箔生產中，必須要保持張力穩定，線速度恒定，銅箔的生產設備中應該具備恒張力恒速度控制系統[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控制方法。以陰極輥作為速度基準，以收卷輥作為張力輥，并對閉環系統穩定性進行分析。采用積分分離的PID 控制器，實現毛箔收卷輥啟動、加速、恒速運行、減速、剎車等工作狀態，并且在這些工作狀態下保持張力恒定。

1 毛箔機系統方案設計

1.1 系統構成

毛箔機是一種利用電解技術制備毛箔的設備。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行溶解。電解槽中有一個旋轉的陰極輥作為陰極，用不溶性材料制成，它恒速旋轉并浸泡在硫酸銅電解液中。在電解過程中，溶液中的銅會沉積在陰極輥表面，形成銅箔。銅箔的厚度由陰極電流密度和陰極輥的轉速控制。當銅箔隨著輥筒轉出液面后，可以連續地從陰極輥上剝離，并經過卷取過程形成毛箔[5]。

對于實現恒張力控制的先進方法，目前有以下2 種常見方案。

（1）采用交流伺服電機。該方法使用交流伺服電機以力矩模式運行，并根據卷曲直徑的變化來調整電機的控制指令，以維持恒定的張力，這樣可以通過調整電機的輸出力矩來保持恒定的張力，本質是一種張力開環的控制方式。

（2）采用力矩電機和張力傳感器。這種方法使用力矩電機，并通過張力傳感器來測量實際的張力。傳感器的輸出信號被送入張力調節器，以控制力矩電機從而實現恒定的張力控制。根據傳感器的反饋信號調整力矩電機的輸出，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用，以實現精確的張力控制，確保毛箔的收卷質量和一致性。毛箔收卷控制如圖1所示，展示了方案2以張力閉環實現張力的恒定控制。

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銅箔的張力，而是對收卷系統的數學模型進行靜態、動態分析，找出影響張力的物理量，數字化后通過程序進行控制，從而達到恒張力控制的目的。使用交流伺服電機并根據卷徑變化調整控制指令，通過動態轉矩補償來間接地保持張力近似不變。雖然這種方法相對容易實現且系統穩定，但控制精度較直接張力閉環控制差。

1.2 公共直流母線供電方式

毛箔機傳動系統由陰極輥電機系統和收卷輥電機系統組成，這2臺電機由雙軸驅動單元控制。在同一時刻，系統中收卷輥電機的旋轉方向與轉矩同向，電機處于電動狀態，陰極輥電機的旋轉方向與轉矩反向，電機處于發電狀態。處于發電狀態的電機由于被動地被拖動從而產生電能，產生的能量如果不加以處理，就會導致系統過壓保護。本文系統采用公共直流母線供電方式，可以將發電產生的電能通過回饋單元返回至直流母線，以供電動狀態的電機使用，過多的能量回饋電網。

2 控制策略分析

2.1 收卷輥轉矩限制張力閉環控制

在此恒張力控制系統中，線速度保持不變，收卷電機的卷徑會隨著卷材的增加變大，轉速減小，轉速跟卷徑成反比，是始終在變化的。卷徑通過實際的線速度與收卷電機的旋轉速度計算得到，同時由于銅箔上的張力保持不變，換算到電機軸端的扭矩與卷徑成正比。轉矩限制模式張力閉環控制如圖2所示。

電機轉速和轉矩的變化會影響銅箔上的張力，而陰極輥驅動電機的轉速與銅箔線速度密切相關。如果控制不穩定，銅箔張力和電機轉矩會相互影響，系統產生振蕩，無法正常生產。因此，對收卷電機轉矩進行控制非常重要。此外，隨著收卷半徑的增大，收卷輥的轉動慣量也增大，轉動慣量的變化會對張力的穩定產生影響。尤其是在整個系統啟動、加速、減速、制動停機的過程中，銅箔張力均會有變化，從而影響銅箔的生產質量[1]。

張力控制的數學模型如圖3 所示，通過這個模型可以方便地分析張力變化的過程[4]。模型中T為銅箔的張力；Dt為收卷輥的當前卷徑；ω為收卷輥的當前角速度；Mt為產生張力T的等效拖動力矩，則建立的張力系統的動態平衡方程有：

圖3 數學模型示意

式中：J為收卷輥的等效轉動慣量；β為等效阻尼系數。

對于銅箔生產工藝要求來說，機列的運行速度較低，收卷輥的等效轉動慣量隨時間變化緩慢，則可以認為在短時間內是一個恒量，在穩態運行下，可以忽略阻尼系數的變化。因此，得到卷繞系統的穩態力矩平衡方程：

通過變換式（2）得出實時卷徑與張力的關系：

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，收卷驅動電機的輸出轉矩也要隨之改變，才能保持機列上銅箔張力的恒定。因此只要求出實時卷徑值，同時控制好Mt-βω，使其隨著卷徑的改變而動態調整，即可保證銅箔運行張力恒定。

根據以往的生產經驗，如果采取恒定的張力值進行整個正產過程，會使卷繞的成品銅箔內部受力不均，外層銅箔張力遠大于內層銅箔張力，收卷輥上的銅箔會出現外緊內松，甚至內部出現褶皺的現象，影響產品質量，嚴重的甚至成為無法使用的廢品。研究表明，在張力控制系統中添加錐度控制，可以有效解決這些問題，提高產品質量[14-16]。

根據張力錐度控制概念[4]，可以用圖4表示實時卷徑與張力的對應關系。

圖4 錐度控制示意

那么，任意卷徑時的張力可以通過以下公式來計算[5]：

式中：T0為初始張力，是卷取開始時的張力值；Tmin為終止張力，是最大卷徑時的張力值，最大卷徑是卷完所有銅箔時的卷徑，當前卷徑是當前所卷取的銅箔實時卷徑。

這個公式可以根據具體情況進行調整，以適應實際生產中的需求。通過對張力進行錐度控制，可以保證卷繞的質量，避免發生銅箔張力不均、產生褶皺等問題。

2.2 陰極輥恒速度控制

陰極輥驅動電機為主速度控制電機，由于銅箔的厚度很薄，陰極輥上只有一層銅箔，所以直徑可以認為是保持恒定的，只要保證陰極輥恒速運行，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張力保持階段，由于陰極輥直徑較大，不能忽略慣量，需要對加減速轉矩和摩擦轉矩進行補償。放卷恒速控制如圖5所示。

圖5 放卷恒速控制示意

陰極輥驅動電機在正常運行階段轉速與轉矩的方向是相反的，電機運行在第二象限，處于發電狀態，通過驅動器的速度和電流雙閉環來保證速度穩定。

2.3 收卷張力PID控制

普通PID 控制中引入積分環節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，系統輸出會在啟動、結束或大幅度增減設定值時出現較大偏差，這會導致PID 控制中的積分項大幅累積，當累積的積分項超過執行機構所允許的最大動作范圍時，會引起系統的超調和振蕩。為避免這種情況的發生，可以采用積分分離控制算法[17]，具體步驟如下。

（1）定義一個設定閾值ε＞0，當偏差超過這個閾值時，取消積分作用，使用PD控制。這樣可以避免產生過大的超調，同時保持較快的系統響應。

（2）當偏差在設定閾值內時，引入積分控制，使用PID控制來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、積分和微分項的系數；t為采樣周期；β為積分項的開關系數。

通過積分分離控制算法，可以在需要時引入積分控制，以消除靜差并提高控制精度，在偏差較大時取消積分作用，以避免系統穩定性降低和超調量增大的問題。

張力傳感器測量張力實際值并通過變送器送回SIMOTION，與設定的錐度張力比較，其差值通過積分分離的PID 調節后作為電機的扭矩限制值，形成張力閉環。當實際張力值與設定值的偏差小于閾值時，積分累加起作用，當偏差值大于閾值時，取消積分累加作用。這樣既保證了張力系統無靜差，又使系統有足夠的穩定性[15-17]。

3 應用驗證與效果分析

根據毛箔機的工藝要求，系統采用Profibus-DP 總線實現主從工作方式。主站采用SIMOTION D425 作為中心控制器，從站采用TP270 觸摸屏實現分布式控制輸入。收卷卷徑計算、錐度控制、張力閉環、動態轉矩補償、轉速控制均在中心控制器中完成。毛箔的張力、運行速度、生產的長度以及傳感器的狀態均在從站顯示，同時在從站還可以輸入工藝參數。

采用上述方案對毛箔機進行控制，取得了良好的效果。實際收卷電機的轉速波動和轉矩波動監控圖如圖6～7 所示。由圖可知，轉速波動為0.34%，轉矩波動為1.75%，收卷電機轉矩波動小，轉速穩定，收卷的轉速精度以及扭矩精度均優于張力開環運行狀態。

圖6 收卷電機轉速波動

圖7 收卷電機轉矩波動

分析毛箔機的工作過程，根據控制模型設計整套控制方案，并對控制系統進行優化，實現閉環的恒速恒張力控制，成功應用于銅箔廠，其速度可達到12 m/min，最大可控張力為150 kg，可生產銅箔的規格為10～105 μm。經生產驗證，該設備使用效果良好，毛箔不起皺，不串卷，不僅達到了該廠的技術指標，而且提高了銅箔的質量。該設備長時間運行無故障，維護簡單，可替代國外同水平進口設備，降低設備維護成本，增強企業的競爭力。

4 結束語

本文根據毛箔收卷的工作原理提出了一種直接張力閉環控制方法，以陰極輥作為速度基準，以收卷輥作為張力輥，并對閉環系統的穩定性進行了分析，采用積分分離的PID 控制器，實現了毛箔收卷輥啟動、加速、恒速運行、減速、剎車等工作狀態，并且在這些工作狀態下保持張力恒定。以西門子SIMOTION D425 為控制平臺進行卷徑計算、錐度調節、張力閉環PID 離散化實現。實際生產證明，該控制系統在線速度改變時候，銅箔上的張力保持在設定值，即可以實現不同線速度和不同張力下都能穩定運行，不受設定參數變化的影響，滿足銅箔生產過程中對張力和速度的誤差要求。