基于離散pid和錐度張力控制的薄膜分切機張力調節(jié)方法

技術領域

1.本發(fā)明屬于張力調節(jié)技術領域，尤其涉及基于離散pid和錐度張力控制的薄膜分切機張力調節(jié)方法。

背景技術：

2.隨著手持終端、移動設備的不斷發(fā)展，對高集成化的要求越來越高，對器件體積要求越來越小，對作為電子行業(yè)主要元件的電容同樣提出很高的要求，其中薄膜電容由于其穩(wěn)定，無極性，自愈性，成為電子行業(yè)電容的主流產品。薄膜電容小型化的基礎在于其原料金屬化薄膜的小規(guī)格化。而小規(guī)格產品的開發(fā)中，高精度分切機就成為關鍵設備，原料金屬化薄膜需通過高精度分切機分隔成超小塊。目前國內的薄膜電容都集中在3.8μm以上，大多數都是4.8～6.8μm的薄膜電容為主，這部分市場早已飽和，而相對的2μm厚度以下的薄膜電容，為國外主導，國產化率極低，這部分產品年需求量約2萬噸，國內目前只有少數幾家可以生產，采用的是全套進口設備，年產能不足千噸，且質量不穩(wěn)定，成品率較低，造成這一情況主要是由于國內無法生產滿足2μm厚度以下薄膜電容分切的高精度分切機。

3.從分切機整體功能出發(fā)，整個設備包括開卷、分切和收卷三部分組成，其主要是將整張的料金屬化薄膜縱向分切和復卷，張力控制是整臺設備中最關鍵的控制技術，卷繞過程中薄膜徑向的伸張程度即卷繞張力，張力偏高容易引起材料形變，嚴重時將直接斷裂；張力偏低，收卷過程無法實現統一處理，生產質量下降；而張力失去穩(wěn)定性時，容易造成薄膜線速度受到影響，松緊性出現差異，帶來更多的次品或者廢品。也就是說分切機張力控制的穩(wěn)定性決定了分切后產品的質量，現有技術的分切機無法滿足這一要求。

技術實現要素：

4.為解決上述問題，本發(fā)明的目的是提供基于離散pid和錐度張力控制的薄膜分切機張力調節(jié)方法，該方法使得張力控制穩(wěn)定、可靠性高。

5.為實現上述目的，本發(fā)明的技術方案為：

6.基于離散pid和錐度張力控制的薄膜分切機張力調節(jié)方法，包括如下步驟：

7.s1：測得薄膜的實時張力值f；

8.s2：測得收卷軸的實時直徑d；

9.s3：通過分段錐度張力模型得到最佳張力值f0；

10.s4：通過磁粉制動器控制放卷軸扭矩，使所述放卷軸和牽引軸之間的所

11.述薄膜實時張力值f調整到所述最佳張力值f0；

12.s5：將所述實時張力值f與最佳張力值f0進行差值比較得到張力偏移值δf，將所述張力偏移值δf信號傳入離散pid控制器，通過所述離散pid控制器控制收卷電機扭矩，使所述牽引軸與所述收卷軸之間的所述薄膜實時張力值f調整到所述最佳張力值f0。

13.根據本發(fā)明一實施例，s1中通過張力傳感器測得所述薄膜的所述實時張力值f。

14.根據本發(fā)明一實施例，s5中：

15.當所述張力傳感器所測角度在0°至20°之間時，使用所述離散pid控制器中第一段補償所述收卷電機伺服驅動器脈沖頻率；

16.當所述張力傳感器所測角度在20°至40°之間時，使用所述離散pid控制器中第一段補償所述收卷電機伺服驅動器脈沖頻率；

17.所述伺服驅動器將控制信號發(fā)送給所述收卷電機以改變其扭矩。

18.根據本發(fā)明一實施例，s2中，測得收卷線速度v、收卷電機轉速n、牽引軸直徑d，設兩個收卷周期為n1和n2，所述收卷軸的實時直徑d通過如下公式得到：

[0019][0020][0021]其中，t為當前時刻；dn為第n個收卷周期輸出的收卷軸直徑；tn為第n個收卷周期輸出收卷軸直徑的時刻。

[0022]根據本發(fā)明一實施例，通過測得所述牽引軸轉速和直徑d測得所述收卷線速度v。

[0023]根據本發(fā)明一實施例，所述收卷電機轉速n和所述牽引軸轉速均通過轉速傳感器測得。

[0024]根據本發(fā)明一實施例，s2中，當所述收卷軸的實時直徑d＝1.5d0時，進行s3?s5步驟，d0為所述收卷軸的初始直徑。

[0025]本發(fā)明由于采用以上技術方案，使其與現有技術相比具有以下的優(yōu)點和積極效果：

[0026](1)本發(fā)明通過s1?s5步驟，實現了薄膜收放卷過程中穩(wěn)定的張力控制，防止了薄膜卷產生褶皺，可靠性高。

[0027](2)本發(fā)明當張力傳感器所測角度在0°至20°

之間、在20°至40°之間時分別采用離散pid控制器中的兩端補償控制，實現在不同張力數值下，進行更精確的計算，以實現盡可能快的改正偏移量，提高系統的準確性和可靠性，實現分段錐度張力控制。

附圖說明

[0028]

下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作進一步詳細說明，其中：

[0029]

圖1為本發(fā)明的整體架構示意圖；

[0030]

圖2為本發(fā)明的架構連接結構框圖；

[0031]

圖3為本發(fā)明的放卷部分張力控制流程圖；

[0032]

圖4為本發(fā)明的收卷部分張力控制流程圖；

[0033]

圖5為本發(fā)明的張力控制方法流程圖；

[0034]

圖6為本發(fā)明的收卷張力分段曲線；

[0035]

圖7為本發(fā)明的采用分段錐度控制后內張力分布曲線。

[0036]

附圖標記說明：

[0037]

1：薄膜；2：收卷軸；3：放卷軸；4：磁粉制動器；5：牽引軸；6：離散pid控制器；7：收卷電機；8：轉速傳感器。

具體實施方式

[0038]

以下結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。根據下面說明和權利要求書，本發(fā)明的優(yōu)點和特征將更清楚。需說明的是，附圖均采用非常簡化的形式且均使用非精準的比率，僅用以方便、明晰地輔助說明本發(fā)明實施例的目的。

[0039]

需要說明，本發(fā)明實施例中所有方向性指示(諸如上、下、左、右、前、后

……

)僅用于解釋在某一特定姿態(tài)(如附圖所示)下各部件之間的相對位置關系、運動情況等，如果該特定姿態(tài)發(fā)生改變時，則該方向性指示也相應地隨之改變。

[0040]

參看圖1至7，本發(fā)明的核心是提供一種基于離散pid和錐度張力控制的薄膜分切機張力調節(jié)方法，包括如下步驟：

[0041]

s1：測得薄膜1的實時張力值f；

[0042]

具體的，通過張力傳感器測得薄膜1的實時張力值f，測得的實時張力值f傳輸至控制器。

[0043]

s2：測得收卷軸2的實時直徑d；

[0044]

具體的，薄膜1分切機在正常工作過程中，各工位的薄膜1實時線速度保持一致，用比率計算方法根據牽引軸5與收卷軸2和放卷軸3的線速度相同、角速度與直徑成正比之一特點，通過建立兩者的比率關系方程得到實時直徑d。通過分別在牽引軸5、收卷軸2和放卷軸3上安裝計數脈沖用的編碼器和基準脈沖用編碼器，在單位時間內得到計數脈沖個數和基準脈沖個數，將脈沖數轉化為角速度從而建立比例關系：

[0045][0046]

式中，m代表基準脈沖編碼器旋轉一周產生的脈沖個數；n代表計數脈沖個數；n為計數脈沖編碼器旋轉一周產生的脈沖個數；d代表牽引軸5直徑。

[0047]

比例計算方法利用了薄膜1收卷過程中線速度與角速度的比率關系來求解實時直徑d，不需要檢測材料厚度，因此求解精度較高。

[0048]

但是利用比率計算直徑時，以單個脈沖作為采樣基準，由于采樣時間太短，計算所得前后直徑變化不明顯。同時機械制造與裝配誤差、張力的突變、外部環(huán)境因素等都會對計算結果產生影響。為了提高計算準確，采用積分算法進行優(yōu)化。由于在實際工作過程中，薄膜1傳送的線速度與收放卷角速度不是定值，因此對其進行積分優(yōu)化，積分優(yōu)化后得到收放卷長度與收卷軸2轉動弧度的關系式：

[0049][0050]

式中，s為收放卷薄膜1長度。

[0051]

再測得收卷線速度v、收卷電機7轉速n、牽引軸5直徑d，通過測得牽引軸5轉速和直徑d測得收卷線速度v，收卷電機7轉速n和牽引軸5轉速均通過轉速傳感器8測得。設兩個收卷周期為n1和n2，積分算法中得到的每個計算周期內的實時直徑d，是利用計算周期n1內收卷軸2轉過的弧度與角度的比值計算而來，如下公式得到：

[0052]

[0053][0054]

其中，t為當前時刻；d

n

為第n個收卷周期輸出的收卷軸2直徑；t

n

為第n個收卷周期輸出收卷軸2直徑的時刻。

[0055]

這種方法算法結構簡單、實用性強；計算值線性變化，穩(wěn)定性高；直徑輸出是周期內的平均值，計算結果精度高，可以滿足薄膜1分切機的張力控制要求。

[0056]

收卷部分的收卷電機7轉速收到私服放大器的信號改變電機扭矩，使薄膜1張力穩(wěn)定符合分段錐度張力在設定值允許的范圍內。

[0057]

當收卷軸2的實時直徑d＝1.5d0時，進行s3

?

s5步驟，d0為收卷軸2的初始直徑。

[0058]

s3：通過分段錐度張力模型得到最佳張力值f0；

[0059]

具體的，為防止相同的收卷張力時，隨著收卷軸2直徑的逐漸增大，對收卷軸2的扭矩正比例增加，導致了材料層間的位移力加大，薄膜1層的位移力大于最大靜摩擦力時，層間將會滑移，從而導致了材料起皺、端面出現凹凸、軸向竄動等質量問題。因此，為了減少收卷過程中的褶皺發(fā)生頻率高的問題，需要通過分段錐度張力模型得到最佳張力值f0，即在不同卷徑時采用與之對應的收卷張力曲線，最大限度地減小因為設備穩(wěn)定性及原材料厚薄不均等偶然因素對收卷造成的影響。

[0060]

同時，在為了保證收卷質量而提高初始收卷張力的情況下，較為平穩(wěn)的內部張力避免了恒力矩收卷時內部張力過大而造成的薄膜1拉伸及摩擦因數上升問題，同時也不會出現因為結束張力過小而導致膜面竄卷的現象。

[0061]

采用錐度張力收卷有一個特點，即在靠近卷芯的地方通常會出現一個內張力最低點，這個位置的薄膜1在收卷時，一旦出現一些偶然因素，如原材料蕩邊、機器張力不穩(wěn)定等，就可能導致收卷變松，從而產生皺折。恒力矩收卷則存在初始張力過大、張力下降過快、結束張力過小等問題，會導致卷膜內部拉伸、摩擦因數上升、復合膜表面竄卷等問題，實用應用也存在一定局限性，這就要求隨收卷軸2直徑的增大，卷曲張力要遞減，實時直徑d在1d0～1.5d0處褶皺發(fā)生的概率最高，以d＝1.5d0作為減張力和減力矩的分界點，進行分段錐度張力控制，以保證收卷出的薄膜1無褶皺。實時直徑d從d0增加到1.5d0時，薄膜1內張力均保持較為平穩(wěn)的水平，和恒力矩相比并沒有發(fā)生劇烈下降；當實時直徑d達到1.5d0后，薄膜1的內張力開始下降，實現所謂“內緊外松"的收卷效果，卷內張力分布如圖6所示。

[0062]

此時，由于收卷后的薄膜1靠近卷芯的地方具有較大內張力，可以最大限度地減小因設備穩(wěn)定性及原材料厚薄不均等偶然因素對收卷造成的影響。同時，在為了保證收卷質量而提高初始收卷張力的情況下，較為平穩(wěn)的內部張力避免了恒力矩收卷時內部張力過大而造成的薄膜1拉伸及摩擦因數上升問題，同時也不會出現因為結束張力過小而導致膜面竄卷的現象，使用分段錐度張力控制后卷內張力分布如圖7所示。

[0063]

s4：通過磁粉制動器4控制放卷軸3扭矩，使放卷軸3和牽引軸5之間的薄膜1實時張力值f調整到最佳張力值f0；

[0064]

具體的，基于張力傳感器測得的實時張力值f與最佳張力值f0對比，放卷時張力f是主動力，若原料進給速度恒定，由于放卷軸3的卷徑和轉動慣量隨時間而減小，而放卷軸3的角速度逐漸增大，張力就會增大，因此要保證張力恒定，必須引入張力反饋，使用磁粉制動器4產生一個反向阻力緩沖放卷軸3在高速運行中產生的慣性，使張力穩(wěn)定在設定值允許

的范圍內。控制器根據張力傳感器所測得的薄膜1實時張力值f與最佳張力值f0對比來判斷是否進行張力矯正。如張力出現偏差，則通過設置磁粉制動器4驅動和放卷電機驅動來改變磁粉制動阻力和放卷電機扭矩，來實現錐度張力控制?；诒∧?實時張力值f與最佳張力值f0的差值，利用磁粉制動器4，產生阻力來緩沖放卷軸3在高速運行中產生的慣性，磁粉制動器4根據電磁原理，利用磁粉來傳遞扭矩，制動扭矩mz與勵磁電流在一定范圍內成正比例，可以看做是一種接近線性的調節(jié)裝置。將其安裝在放卷軸3上，可以產生一個反向阻力矩來緩沖放卷軸3在高速運行中產生的慣性，因此可以通過控制磁粉制動器4的阻力矩(即控制電流)來調節(jié)放卷軸3的張力大小。通過張力傳感器獲得薄膜1實時張力值f數據，通過張力放大器后再與最佳張力值f0進行比較的得到張力偏移δf，通過磁粉驅動器控制磁粉制動器4對薄膜1張力進行修正。

[0065]

s5：將實時張力值f與最佳張力值f0進行差值比較得到張力偏移值δf，將張力偏移值δf信號傳入離散pid控制器6，通過離散pid控制器6控制收卷電機7扭矩，使牽引軸5與收卷軸2之間的薄膜1實時張力值f調整到最佳張力值f0。

[0066]

具體的，張力執(zhí)行部件是收卷電機7，收卷電機7為伺服電機，以扭矩控制方式進行張力控制。薄膜1收卷過程實時張力值f由張力傳感器轉換為電量并放大信號反饋到離散pid控制器6的輸入端，最佳張力值f0與實時張力值f經過比較運算后得到偏差值δf，伺服驅動器將偏差值δf轉換為頻率指令傳給收卷電機7，收卷電機7通過調節(jié)收卷軸2的卷曲速度實現張力的補償控制。

[0067]

為了防止非線性系統的強耦合、非線性與實時性，本文采用基于積分分離的pid控制算法。當被控制量與設定值的誤差較大時，取消積分環(huán)節(jié)，抑制超調量，提高了系統的穩(wěn)定性；當被控量與設定值相近時，積分算法可以用來消除靜差，提高了張力控制系統的精準度。

[0068][0069]

式中：e(k)是k時刻輸入輸入的差值，t1是采樣周期，k

p

、k

i

、k

d

分別為比例、積分、微分系數，υ是積分想的開關系數，ε為實際系統設定的閾值。

[0070][0071]

為了進一步提高控制系統的穩(wěn)定性，減少收卷過程中的張力波動，我們再引入離散pid控制，具體方法如下：

[0072]

當張力傳感器所測角度在0°

至20°

之間時，使用所述離散pid控制器6中第一段補償收卷電機7伺服驅動器脈沖頻率；

[0073][0074]

為張力傳感器所測角度在0°

至20°

之間時離散pid控制器6的增益值，通過實驗測定好的張力—轉速增益表獲得。

[0075]

當張力傳感器所測角度在20°

至40°

之間時，使用離散pid控制器6中第一段補

償收卷電機7伺服驅動器脈沖頻率；

[0076][0077]

為張力傳感器所測角度在20°

至40°

之間時離散pid控制器6的增益值，通過實驗測定好的張力—轉速增益表獲得。

[0078]

然后將計算獲得的偏移量δf，傳送給伺服驅動器，伺服驅動器將控制信號發(fā)送給收卷電機7以改變其扭矩，以對張力進行補償控制，實現了在不同張力數值下，進行更精確的計算，以實現盡可能快的改正偏移量δf，提高系統的準確性和可靠性。然后將計算獲得的數據，傳送給伺服驅動器，修正收卷電機7扭矩對張力進行補償控制，實現分段錐度張力控制。

[0079]

本發(fā)明張力傳感器實時張力值f、收卷線速度v、收卷電機7轉速n為輸入，磁粉制動器4驅動信號和收卷電機7控制器信號為輸出，適用于不同材質薄膜1在不同張力下的張力穩(wěn)定控制，放卷側使用磁粉制動，中和放卷軸3在高速運行中產生的慣性，調節(jié)放卷部分薄膜1的張力大小，收卷側利用張力傳感器對薄膜1張力進行檢測，使用比率計算積分算法計算出收卷軸2實時張力值f，采用離散pid控制算法對收卷電機7轉矩進行修正，實現薄膜1張力錐度控制，達到在不同薄膜1張力偏移下，薄膜1張力的快速修正。提高薄膜1張力控制的準確性和可靠性，從而提高金屬化薄膜1電容器產品的合格率。

[0080]

上面結合附圖對本發(fā)明的實施方式作了詳細說明，但是本發(fā)明并不限于上述實施方式。即使對本發(fā)明作出各種變化，倘若這些變化屬于本發(fā)明權利要求及其等同技術的范圍之內，則仍落入在本發(fā)明的保護范圍之中。

技術特征：

1.基于離散pid和錐度張力控制的薄膜分切機張力調節(jié)方法，其特征在于，包括如下步驟：s1：測得薄膜的實時張力值f；s2：測得收卷軸的實時直徑d；s3：通過分段錐度張力模型得到最佳張力值f0；s4：通過磁粉制動器控制放卷軸扭矩，使所述放卷軸和牽引軸之間的所述薄膜實時張力值f調整到所述最佳張力值f0；s5：將所述實時張力值f與最佳張力值f0進行差值比較得到張力偏移值δf，將所述張力偏移值δf信號傳入離散pid控制器，通過所述離散pid控制器控制收卷電機扭矩，使所述牽引軸與所述收卷軸之間的所述薄膜實時張力值f調整到所述最佳張力值f0。2.根據權利要求1所述的基于離散pid和錐度張力控制的薄膜分切機張力調節(jié)方法，其特征在于，s1中通過張力傳感器測得所述薄膜的所述實時張力值f。3.根據權利要求2所述的基于離散pid和錐度張力控制的薄膜分切機張力調節(jié)方法，其特征在于，s5中：當所述張力傳感器所測角度在0°

至20°

之間時，使用所述離散pid控制器中第一段補償所述收卷電機伺服驅動器脈沖頻率；當所述張力傳感器所測角度在20°

至40°

之間時，使用所述離散pid控制器中第一段補償所述收卷電機伺服驅動器脈沖頻率；所述伺服驅動器將控制信號發(fā)送給所述收卷電機以改變其扭矩。4.根據權利要求1所述的基于離散pid和錐度張力控制的薄膜分切機張力調節(jié)方法，其特征在于，s2中，測得收卷線速度v、收卷電機轉速n、牽引軸直徑d，設兩個收卷周期為n1和n2，所述收卷軸的實時直徑d通過如下公式得到：，所述收卷軸的實時直徑d通過如下公式得到：其中，t為當前時刻；d

n

為第n個收卷周期輸出的收卷軸直徑；t

n

為第n個收卷周期輸出收卷軸直徑的時刻。5.根據權利要求4所述的基于離散pid和錐度張力控制的薄膜分切機張力調節(jié)方法，其特征在于，通過測得所述牽引軸轉速和直徑d測得所述收卷線速度v。6.根據權利要求5所述的基于離散pid和錐度張力控制的薄膜分切機張力調節(jié)方法，其特征在于，所述收卷電機轉速n和所述牽引軸轉速均通過轉速傳感器測得。7.根據權利要求1所述的基于離散pid和錐度張力控制的薄膜分切機張力調節(jié)方法，其特征在于，s2中，當所述收卷軸的實時直徑d＝1.5d0時，進行s3

?

s5步驟，d0為所述收卷軸的初始直徑。

技術總結

本發(fā)明公開了基于離散PID和錐度張力控制的薄膜分切機張力調節(jié)方法，包括如下步驟：S1：測得薄膜的實時張力值F；S2：測得收卷軸的實時直徑D；S3：通過分段錐度張力模型得到最佳張力值F0；S4：通過磁粉制動器控制放卷軸扭矩，使所述放卷軸和牽引軸之間的所述薄膜實時張力值F調整到所述最佳張力值F0；S5：將所述實時張力值F與最佳張力值F0進行差值比較得到張力偏移值ΔF，將所述張力偏移值ΔF信號傳入離散PID控制器，通過所述離散PID控制器控制收卷電機扭矩，使所述牽引軸與所述收卷軸之間的所述薄膜實時張力值F調整到所述最佳張力值F0。該方法使得張力控制穩(wěn)定、可靠性高?？煽啃愿摺？煽啃愿?。

技術研發(fā)人員：郝英奇 謝鯤 丁新 劉征宇

受保護的技術使用者：上海應用技術大學

技術研發(fā)日：2021.02.08

技術公布日：2021/6/7