一种高精度张力控制系统及控制方法技术领域
本发明涉及张力控制技术领域，具体地，涉及一种高精度张力控制系统及控制方
法。
背景技术
目前的张力控制控制技术分为三类，第一类是采用磁粉离合器加张力控制器构成
的张力控制技术，该技术的缺点是，价格高，系统寿命较短，功能较为单一，基本没有可扩展
性，优点是控制方法成熟，维护方便；第二类是采用变频器加异步电机构成的张力控制技
术，该技术的缺点是异步电机响应速度较慢，在主轴加减速较大时，张力波动较大，优点是
维护方便、调试简单；第三类是采用伺服驱动器加伺服电机构成的张力控制系统，该技术的
缺点是在卷径估算不准确的情况下，张力波动较大，甚至出现张力发散的情况，优点在于张
力响应速度快，鲁棒性强，具有较大的优化空间。目前市场上也存在张力控制伺服系统产
品，其存在的技术缺陷在于，在卷径不确定的情况下，张力波动较大，甚至出现张力发散的
情况。另外，在小张力设定或者主轴加减速较大时，也容易出现较大的张力波动。
材料张力由电机旋转速度决定，电机反向拉料速度越大，张力越大。理想情况下，
如果电机旋转速度跟随主轴走比例联动，那么张力不发生变化，也就是张力波动为零。为了
使张力波动接近该理想情况，必须计算出一个精确的电子齿轮比从而减少张力波动。
发明内容
为了克服现有技术中存在的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种高精度张力
控制系统及控制方法，能精确的计算出电子齿轮比，提高张力控制的精度及稳定性。
本发明的技术方案如下：
一种高精度张力控制系统，包括上位机控制系统、张力控制伺服驱动器、主轴伺服
驱动器、主轴电机、张力传感器和收/放卷轴电机，上位机监控系统通过RS485总线分别与张
力控制伺服驱动器和主轴伺服驱动器电性连接，用于与张力控制伺服驱动器和主轴伺服驱
动器进行通信；张力控制伺服驱动器的信号输出端连接至收/放卷轴电机的信号输入端，用
于驱动收/放卷轴电机旋转；主轴伺服驱动器的信号输出端连接至主轴电机的信号输入端，
用于驱动主轴电机旋转；张力传感器连接在收/放卷轴电机和主轴电机之间，用于检测主轴
电机的张力信号；所述的上位机控制系统采用HMI触摸屏。
所述张力控制伺服驱动器内部设置有卷径滤波模块、层厚补偿模块、卷径PI调节
模块和卷径评估模块，所述卷径滤波模块、层厚补偿模块和卷径PI调节模块分别输出卷径
滤波信号和层厚补偿信号及需要增加的卷径值至卷径评估模块进行卷径评估，最终得到电
子齿轮比。
其中，所述张力控制伺服驱动器包括TMS320F2407芯片和STM32芯片，TMS320F2407
芯片用于实现张力闭环调节和收/放卷轴电机控制功能；STM32芯片用于完成卷径评估功
能，并将评估后的卷径转化为电子齿轮比输入至TMS320F2407芯片，从而对收/放卷电机进
行控制。
其中，所述张力控制伺服驱动器还包括张力放大器，该张力放大器用于对差分的
张力信号进行放大，将放大后的张力信号输入给TMS320F2407芯片和STM32芯片。
其中，该系统张力波动<±0.5N，该系统卷径精度≥100um。
本发明的一种高精度张力控制系统，主轴伺服驱动器提供整个系统的运动参考，
进料速度由主轴电机速度决定，收/放卷轴电机主要跟随主轴电机的脉冲走电子齿轮比，电
子齿轮比由STM32芯片评估出来的卷径换算得到,评估出来的卷径由3部分叠加得到，第一
部分是卷径滤波器模块的输出值，第二部分是层厚补偿模块的输出值，第三部分是卷径PI
调节模块的输出值，最终用以调节张力。使系统的张力得到高精度的控制，提高张力控制的
精度及稳定性。
一种高精度张力控制方法，包括以下步骤：
S1：采集收/放卷轴电机转动一周内主轴电机输出的主轴进料脉冲信号，计算出实
时卷径；计算公式是其中X为主轴电机转一周之内采集到的主轴进料脉冲的个数。
a为主轴的进料每米脉冲数，Dr为实时卷径；
S2：实时卷径分别经过先入先出(FIFO)队列和卷径滤波模块后得到均值滤波后平
均卷径；计算公式是其中，Di为前i周的实时卷径,Davg为滤波后的平均卷径，N
为FIFO队列的大小；
S3：由于卷径滤波会产生滞后，因此，需要对滤波后的卷径进行层厚补偿，由于卷
径是依次递增(收卷)/递减(放卷)的，而滤波后的卷径反映的是周之前的卷径，所以层
厚补偿值为层厚与队列大小的乘积，层厚补偿值和滤波后卷径相加(收卷)/相减(放卷)就
得到当前的卷径。层厚补偿模块对对滤波后的卷径进行层厚补偿；计算公式为Dpre＝Davg±N
×b，其中b为层厚值，Dpre为滤波补偿后的当前卷径；
S4：为了进一步提高卷径的精度和稳定性，采用卷径PI调节模块对张力进行快速
控制，卷径PI调节模块对输入的张力给定和张力反馈进行函数运算得到需要增加的卷径
值；计算公式为Dpi＝Kp(Fref-Ffd)+Ki∫(Fref-Ffd)dt，其中，Dpi为卷径PI调节器的输出值，Fref
为张力给定值，Ffd为张力反馈值，Kp为PI调节器的比例增益，Ki为PI调节器的积分增益；所
述张力给定值是用户通过上位机控制系统输入的，张力反馈值为张力传感器输出的。卷径
PI调节模块的原理是，一旦张力出现长时间松料或紧料时，卷径调节根据张力波动值，通过
调节卷径，迅速将张力调到给定值，这样增大了张力的稳定性。
S5：卷径评估系统叠加接收到的层厚补偿后的卷径、卷径调节器的输出值得到最
终评估卷径值；计算公式是D＝Dpre+Dpi；
S6：根据最终评估卷径值计算出电子齿轮比，计算公式是D为最终评估卷
径，n为电子齿轮比，b为收/放卷轴电机轴每转脉冲数。最终评估卷径反算出电子齿轮比，调
节收/放卷轴电机转速，最终调节张力。
S7:张力控制伺服驱动器根据电子齿轮比，调节收/放卷轴电机的转速，实现张力
的调节。
本发明的有益效果：
本发明一种高精度张力控制系统及控制方法提供一种精确评估卷径的方法，评估
出来的卷径由滤波卷径、层厚补偿卷径以及卷径PI输出卷径组成。经过多个现场实施例验
证，卷径精度可以达到100微米。使用该卷径计算出的电子齿轮比，控制电机跟随主轴走比
例联动，可以最大程度的减小张力波动。在这个基础上，增加一个张力PI调节器，微调电机
的补偿速度，实现对张力的闭环控制。经过多个现场实施例验证，采用该张力控制方法，张
力波动能够控制在±0.5N之内。由于电机是主动跟随主轴运动的，因此，可以对小张力进行
控制，即使在主轴加减速的情况下，张力也不发生很大的波动。
附图说明
图1是本发明一种高精度张力控制系统的原理框图。
图2是本发明一种高精度张力控制系统的张力控制伺服驱动器的原理框图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例及附图对本发明作进一步的说
明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
如图1所示，一种高精度张力控制系统，包括上位机控制系统、张力控制伺服驱动
器、主轴伺服驱动器、主轴电机、张力传感器和收/放卷轴电机，上位机监控系统通过RS485
总线分别与张力控制伺服驱动器和主轴伺服驱动器电性连接，用于与张力控制伺服驱动器
和主轴伺服驱动器进行通信；张力控制伺服驱动器的信号输出端连接至收/放卷轴电机的
信号输入端，用于驱动收/放卷轴电机旋转；主轴伺服驱动器的信号输出端连接至主轴电机
的信号输入端，用于驱动主轴电机旋转；所述一种高精度张力控制系统还包括张力传感器，
张力传感器连接在收/放卷轴电机和主轴电机之间，用于张力信号，以便进行实时监测；所
述的上位机控制系统采用HMI触摸屏，方便操作。
如图2所示，所述张力控制伺服驱动器内部设置有卷径滤波模块、层厚补偿模块、
卷径PI调节模块和卷径评估模块，所述卷径滤波模块、层厚补偿模块和卷径PI调节模块分
别输出卷径滤波信号和层厚补偿信号及需要增加的卷径值至卷径评估模块进行卷径评估，
最终得到电子齿轮比。
其中，所述张力控制伺服驱动器包括TMS320F2407芯片和STM32芯片，TMS320F2407
芯片用于实现张力闭环调节和收/放卷轴电机控制功能；STM32芯片用于完成卷径评估功
能，并将评估后的卷径转化为电子齿轮比输入至TMS320F2407芯片，从而对收/放卷轴电机
进行控制。
其中，所述张力控制伺服驱动器还包括张力放大器，该张力放大器用于对差分的
张力信号进行放大，将放大后的张力信号输入给TMS320F2407芯片和STM32芯片。
其中，该系统张力波动<±0.5N，该系统卷径精度≥100um。
本实施例的一种高精度张力控制系统，主轴伺服驱动器提供整个系统的运动参
考，进料速度由主轴电机速度决定，收/放卷轴电机主要跟随主轴电机的脉冲走电子齿轮
比，电子齿轮比由STM32芯片评估出来的卷径换算得到,评估出来的卷径由3部分叠加得到，
第一部分是卷径滤波器模块的输出值，第二部分是层厚补偿模块的输出值，第三部分是卷
径PI调节模块的输出值，最终用以调节张力。使系统的张力得到高精度的控制，提高张力控
制的精度及稳定性。
一种高精度张力控制方法，包括以下步骤：
S1：采集收/放卷轴电机转动一周内主轴输出的进料脉冲，计算出实时卷径；计算
公式是其中X为收/放卷轴电机转一周之内采集到的主轴进料脉冲的个数。a为主
轴的进料每米脉冲数，Dr为实时卷径；
S2：实时卷径分别经过先入先出(FIFO)队列和卷径滤波模块后得到均值滤波后平
均卷径；计算公式是其中，Di为前i周的实时卷径,Davg为滤波后的平均卷径，N
为FIFO队列的大小；
S3：由于卷径滤波会产生滞后，因此，需要对滤波后的卷径进行层厚补偿，由于卷
径是依次递增(收卷)/递减(放卷)的，而滤波后的卷径反映的是周之前的卷径，所以层厚
补偿值为层厚与队列大小的乘积，层厚补偿值和滤波后卷径相加(收卷)/相减(放卷)就得
到当前的卷径。层厚补偿模块对对滤波后的卷径进行层厚补偿；计算公式为Dpre＝Davg±N×
b，其中b为层厚值，Dpre为滤波补偿后的当前卷径；
S4：为了进一步提高卷径的精度和稳定性，采用卷径PI调节模块对张力进行快速
控制，卷径PI调节模块对输入的张力给定和张力反馈进行函数运算得到需要增加的卷径
值；计算公式为Dpi＝Kp(Fref-Ffd)+Ki∫(Fref-Ffd)dt，其中，Dpi为卷径PI调节器的输出值，Fref
为张力给定值，Ffd为张力反馈值，Kp为PI调节器的比例增益，Ki为PI调节器的积分增益；所
述张力给定值是用户通过上位机控制系统输入的，张力反馈值为张力传感器输出的。卷径
PI调节模块的原理是，一旦张力出现长时间松料或紧料时，卷径调节根据张力波动值，通过
调节卷径，迅速将张力调到给定值，这样增大了张力的稳定性。
S5：卷径评估系统叠加接收到的层厚补偿后的卷径、卷径调节器的输出值得到最
终评估卷径值；计算公式是D＝Dpre+Dpi；
S6：根据最终评估卷径值计算出电子齿轮比，计算公式是D为最终评估卷
径，n为电子齿轮比，b为收/放卷轴电机轴每转脉冲数。最终评估卷径反算出电子齿轮比，调
节收/放卷轴电机转速，最终调节张力。
S7：张力控制伺服驱动器根据电子齿轮比，调节收/放卷轴电机的转速，实现张力
的调节。
本发明的一种高精度张力控制系统及控制方法，在原有张力控制器伺服的基础上
增加卷径评估功能，能够精确计算出材料的卷径，能极大地减小了张力波动范围，提高了张
力控制的可靠性；即使在主轴电机加减速时，也能实现无明显的张力波动，进料速度可以大
幅度增大，提高了收/放卷效率。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保
护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应
当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实
质和范围。