高精度光纖張力控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與改進(jìn)

程志遠(yuǎn)，李維嘉，何宇航，單福林

(1.華中科技大學(xué)，湖北 武漢 430074；2.九江四元科技有限公司，江西 九江 332000)

0 引言

光纖陀螺儀具有動(dòng)態(tài)范圍寬、啟動(dòng)時(shí)間短、抗干擾性強(qiáng)、體積小、重量輕、功耗低和成本低等優(yōu)點(diǎn)[1]，在軍民兩用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中受到廣泛應(yīng)用。光纖環(huán)繞制過程中光纖張力的大小及其波動(dòng)，是影響光纖環(huán)附加相位誤差和輸出信號偏移量的關(guān)鍵因素。實(shí)現(xiàn)光纖張力的高精度控制，是開發(fā)出高品質(zhì)光纖陀螺儀的前提[2]。

1 現(xiàn)有光纖張力控制系統(tǒng)

1.1 張力產(chǎn)生原理

光纖繞制工藝中，光纖張力產(chǎn)生的方式主要有摩擦或阻力矩產(chǎn)生張力、直接產(chǎn)生張力、速度差間接產(chǎn)生張力等[3]。由于現(xiàn)有光纖張力控制系統(tǒng)的張力控制范圍在0.098～0.196 N之內(nèi)，而通過摩擦或阻力矩產(chǎn)生張力的方式與通過復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)直接產(chǎn)生張力的方式，均難以滿足高精度變張力控制要求。速度差產(chǎn)生張力只需要控制放線輪和收線輪之間的速度差，該方式具有結(jié)構(gòu)簡單便于控制的特點(diǎn)[4]，現(xiàn)有設(shè)備采用的就是速度差產(chǎn)生張力的方式。速度差產(chǎn)生張力的原理如圖1所示。

圖1 張力產(chǎn)生原理

若收線輪和放線輪之間存在速度差，即V2>V1時(shí)，張力就會產(chǎn)生，張力與速度差之間是正相關(guān)。由胡克定律可得光纖張力與速度差的數(shù)學(xué)關(guān)系式為

(1)

S為光纖的截面面積；E為光纖的彈性模量;L為張力為0時(shí)兩輪之間的光纖長度;V1為放線輪點(diǎn)1處的線速度;V2為收線輪點(diǎn)2處的線速度;t1為光纖上某點(diǎn)離開放線輪上點(diǎn)1時(shí)的時(shí)刻;t2為光纖上該點(diǎn)到達(dá)收線輪上點(diǎn)2時(shí)的時(shí)刻。

1.2 現(xiàn)有張力控制設(shè)備

現(xiàn)有的光纖張力測控系統(tǒng)分為4大部分：主控單元、執(zhí)行單元、物理運(yùn)動(dòng)單元和測量反饋單元。其中，主控單元負(fù)責(zé)讀取并分析傳感器數(shù)據(jù)、計(jì)算控制量、給出控制命令。設(shè)備中的主控單元是一個(gè)PID控制儀模塊貨架產(chǎn)品。執(zhí)行單元由Elmo驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)組成，該電機(jī)帶有剎車和絕對值編碼器，電機(jī)輸出軸與放線輪采用直接連接的傳動(dòng)方式。物理運(yùn)動(dòng)單元?jiǎng)t是由機(jī)架、放線輪、滑輪組、彈簧以及光纖組成，光纖一端由放線輪引出，另一端連接收線輪。如圖2所示的張力傳感器是系統(tǒng)的測量反饋單元，負(fù)責(zé)測量光纖張力的實(shí)時(shí)變化，并反饋給主控單元。光纖張力控制系統(tǒng)工作原理為：在某一時(shí)刻，傳感器測得的光纖張力數(shù)據(jù)傳給主控單元，主控單元根據(jù)輸入數(shù)據(jù)計(jì)算出放線輪需要的轉(zhuǎn)速后，發(fā)出控制指令給執(zhí)行單元，執(zhí)行單元驅(qū)動(dòng)物理運(yùn)動(dòng)單元進(jìn)行放線輪和收線輪之間的速度匹配，從而保證光纖張力穩(wěn)定在預(yù)設(shè)值的規(guī)定范圍之內(nèi)，達(dá)到張力控制的目的。

圖2 改進(jìn)前張力傳感器

1.3 存在的問題及分析

光纖張力控制系統(tǒng)具有控制張力小(0.098～0.196 N)、精度要求高(±0.004 9 N)的特點(diǎn)[5]。經(jīng)過分析，原設(shè)備無法達(dá)到這一精度的主要原因有：張力傳感器由彈簧和位移傳感器組成，如圖2所示，當(dāng)光纖上有張力時(shí)光纖會通過舞蹈輪壓縮彈簧產(chǎn)生位移，通過測量位移得到張力。實(shí)際運(yùn)行中，導(dǎo)軌與舞蹈輪的支架之間存在著較大的靜摩擦力，這導(dǎo)致張力的微小變化被靜摩擦力掩蓋而無法檢測出來，由于靜摩擦力大于滑動(dòng)摩擦力，微小的變化往往逐漸累積成一個(gè)較大的變化才被檢測到并反饋給控制器，使控制器誤以為在短時(shí)間內(nèi)張力變化很大，然后給出過大的控制量，導(dǎo)致張力忽高忽低變化，影響張力控制的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，張力控制很難達(dá)到要求的精度。電機(jī)帶負(fù)載能力和抗干擾性差，伺服電機(jī)通常工作在中高速區(qū)間，低速區(qū)間(40 r/min之內(nèi))的速度剛度低，控制效果差。原主控單元是PID控制儀貨架產(chǎn)品，只能調(diào)整增益、積分和微分3個(gè)系數(shù)，不能改變張力控制策略、無法根據(jù)需要改變采樣和控制頻率，自適應(yīng)能力差。

為了在光纖環(huán)繞制過程中對張力進(jìn)行高精度控制，本文采取了以下改進(jìn)措施：采用角度傳感器和滑輪組組合構(gòu)成張力傳感器，以減小靜摩擦力對張力測量的影響；電機(jī)與放線輪之間增加高減速比的減速器，提高執(zhí)行器的帶載能力和抗干擾能力；對主控單元進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，包括控制策略的調(diào)整和控制系統(tǒng)硬件電路部分的集成化設(shè)計(jì)。改進(jìn)后的張力控制系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 張力控制系統(tǒng)

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

2.1 張力測量機(jī)構(gòu)的改進(jìn)

因?yàn)榻嵌葌鞲衅鞴ぷ鲿r(shí)其內(nèi)部機(jī)械零件產(chǎn)生的靜摩擦非常小，可以忽略不計(jì)，所以反應(yīng)更加靈敏。這樣進(jìn)行重新設(shè)計(jì)后，張力傳感器不僅準(zhǔn)確性高，同時(shí)又能快速反饋光纖張力的變化，實(shí)時(shí)性很好。改進(jìn)后的張力測量機(jī)構(gòu)如圖4所示。

圖4 改進(jìn)后張力傳感器

2.2 電機(jī)傳動(dòng)方式的改進(jìn)

在原控制系統(tǒng)中，電機(jī)的傳動(dòng)方式為電機(jī)輸出軸直接與放線輪連接。改進(jìn)后電機(jī)的傳動(dòng)方式變?yōu)闇p速器傳動(dòng)。電機(jī)直驅(qū)的缺點(diǎn)是在低速狀態(tài)下伺服電機(jī)的速度誤差百分比大，電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器組成的速度閉環(huán)控制效果不好，帶載能力差。張力控制設(shè)備要求放線輪轉(zhuǎn)速最快為10 r/min，且放線輪隨著放線過程光纖越來越少，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是變化的。根據(jù)設(shè)備要求，伺服電機(jī)需要在低速狀態(tài)下有較小的速度變化和較強(qiáng)的帶載能力，符合這種要求的電機(jī)價(jià)格昂貴，且需要進(jìn)口，采購周期很長，設(shè)備的研發(fā)成本過高[6]。本設(shè)備使用的伺服電機(jī)在低于40 r/min的轉(zhuǎn)速下速度誤差百分比很大，在40 r/min以上具有較穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速。電機(jī)和放線輪通過減速器傳動(dòng)時(shí)，設(shè)置減速比為19，則電機(jī)最大工作轉(zhuǎn)速為190 r/min，在這個(gè)轉(zhuǎn)速下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速誤差百分比很小，且電機(jī)具有更大的功率輸出，帶載能力強(qiáng)。這種傳動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)是電機(jī)避開了工況不好的速度階段，系統(tǒng)不要求電機(jī)具備優(yōu)良的低速穩(wěn)定性能，可以降低研發(fā)成本，且電機(jī)帶載能力強(qiáng)。減速器傳動(dòng)如圖5所示。

圖5 電機(jī)減速器

3 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)字PID控制策略與數(shù)字濾波

國內(nèi)外普遍采用PID控制張力系統(tǒng)并取得了一定的成果[6]。PID控制，即比例積分微分控制，是一種算法簡單、適應(yīng)性強(qiáng)、可靠性高的經(jīng)典控制器，在工業(yè)控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，本文使用PID控制算法實(shí)現(xiàn)光纖張力的高精度控制?，F(xiàn)有光纖張力控制設(shè)備的PID控制儀的反饋只考慮張力的誤差，而忽略了收線輪與放線輪的速度。由式(1)可知，張力與兩輪的速度密切相關(guān)，因此，本文重新設(shè)計(jì)的張力控制系統(tǒng)，不僅接收張力的反饋數(shù)據(jù)，而且測量收線輪的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速?？刂七^程如圖6所示。

圖6 改進(jìn)PID控制策略

根據(jù)式(1)，在控制過程中，控制器輸出量由2部分組成：根據(jù)目標(biāo)張力和收線輪的實(shí)時(shí)速度計(jì)算出輸出量uout1；根據(jù)張力誤差利用PID算法計(jì)算出的輸出量uout2。二者共同組成了控制器的輸出uout。

在電路系統(tǒng)中，傳感器的模擬量信號經(jīng)常包含干擾信號，濾除這些干擾，除了在硬件中加入濾波電路外，還需要在軟件中進(jìn)行數(shù)字濾波。本文采用剔除野值干擾加數(shù)據(jù)平均的濾波算法，達(dá)到濾除隨機(jī)脈沖，減少誤判的發(fā)生幾率[7]。

3.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張力控制策略如圖7所示，根據(jù)該控制策略，硬件電路的設(shè)計(jì)如圖8所示。硬件系統(tǒng)由MCU、供電模塊、升壓模塊、隔離變送器和光電隔離器組成。其中，MCU是STM32主控芯片，負(fù)責(zé)處理傳感器數(shù)據(jù)、計(jì)算控制器輸出量、給出控制命令，是主控板的大腦。供電模塊負(fù)責(zé)把主控板接入的24 V直流電降壓后分配給各個(gè)子模塊。升壓模塊負(fù)責(zé)把STM32輸出的控制信號放大。圖8中隔離變送器1把張力傳感器0～10 V的電壓信號線性轉(zhuǎn)換為0～3.3 V，然后接入MCU；隔離變送器2功能是把經(jīng)放大后的控制信號線性轉(zhuǎn)換為-10～10 V的電壓信號接入Elmo驅(qū)動(dòng)器。收線輪編碼器的AB相是±5 V差分信號，這個(gè)信號含有高頻干擾和毛刺信號，不能直接接入MCU，因此經(jīng)過光電隔離器濾除這些干擾后，再進(jìn)入MCU就可以采集到較為準(zhǔn)確的脈沖信號。

圖7 張力控制系統(tǒng)

圖8 主控板電路原理示意

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 電機(jī)轉(zhuǎn)速誤差試驗(yàn)

電機(jī)減速器減速比為19，則放線輪轉(zhuǎn)速為5 r/min時(shí)，無減速器和有減速器傳動(dòng)對應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速為5 r/min和95 r/min。測得的電機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速如圖9所示，對應(yīng)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速誤差百分比如圖10所示。圖9～圖10中，t為時(shí)間；n為電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速；e為電機(jī)轉(zhuǎn)速誤差百分比。

圖9 電機(jī)轉(zhuǎn)速測試曲線

圖10 電機(jī)轉(zhuǎn)速誤差百分比曲線

由圖9～圖10可知，放線輪轉(zhuǎn)速為5 r/min且空載時(shí)，使用減速器傳動(dòng)可使e減小為原來的1/4左右；而在同樣轉(zhuǎn)速下，滿載工作時(shí)e可以減小到原來的1/10左右。根據(jù)以上試驗(yàn)現(xiàn)象可以得出結(jié)論：讓伺服電機(jī)工作在40 r/min以上的速度階段，再通過減速器傳動(dòng)，可以有效減小放線輪的速度波動(dòng)，并且可以消除放線輪負(fù)載變化對轉(zhuǎn)速的影響。

4.2 張力控制的影響試驗(yàn)

為了測試改變傳動(dòng)方式前后系統(tǒng)的控制效果，分別測試低速和高速2種工況下光纖張力的變化情況。在10 s附近通過在放線輪上加入一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為67.009 kg/mm2的圓盤手動(dòng)增大放線輪的負(fù)載，以對比2種傳動(dòng)方式的抗干擾能力和帶負(fù)載能力。光纖張力隨時(shí)間的變化曲線如圖11和圖12所示。

從圖11～圖12中可以看出，有減速器傳動(dòng)方式下，無論在低速還是高速狀態(tài)下都能滿足張力誤差在±0.004 9 N之內(nèi)的要求，采用無減速器傳動(dòng)方式時(shí)則很難把張力控制在要求范圍內(nèi)。當(dāng)有外部擾動(dòng)導(dǎo)致負(fù)載變化時(shí)，由于擾動(dòng)通過減速器傳到電機(jī)時(shí)對電機(jī)的影響很小，電機(jī)可以根據(jù)控制器的要求達(dá)到特定的速度，且保持穩(wěn)定，從而保證光纖張力經(jīng)過短暫調(diào)整恢復(fù)到0.147 N左右；而無減速器傳動(dòng)方式下擾動(dòng)對電機(jī)的影響較大，電機(jī)在大負(fù)載下不易達(dá)到要求的速度，光纖張力波動(dòng)范圍擴(kuò)大。

圖11 5 r/min時(shí)光纖張力曲線

圖12 10 r/min時(shí)光纖張力曲線

4.3 改進(jìn)前后張力控制效果對比試驗(yàn)

從圖13～圖14中可以看出：原張力傳感器由于摩擦力的原因，測得的張力變化曲線有很多階梯，這驗(yàn)證了本文1.3節(jié)中提出的，由于張力傳感器存在的問題導(dǎo)致控制過程中張力忽高忽低變化的分析結(jié)果，改進(jìn)后的張力傳感器很好地解決了這一問題；改進(jìn)后的張力控制效果相對于原系統(tǒng)，無論是穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)還是受到干擾后，都更加優(yōu)異，除擾動(dòng)后的短暫調(diào)整時(shí)間內(nèi)，誤差基本在±0.004 9 N之內(nèi)。

圖13 5 r/min時(shí)改進(jìn)前后光纖張力曲線

圖14 10 r/min時(shí)改進(jìn)前后光纖張力曲線

5 結(jié)束語

本文在原有的光纖張力控制系統(tǒng)上進(jìn)行了改進(jìn)，通過改進(jìn)張力傳感器、改變電機(jī)傳動(dòng)方式、重新設(shè)計(jì)電控系統(tǒng)等措施，解決了張力測量不準(zhǔn)確、電機(jī)帶載能力差和控制策略不完善等問題，把光纖張力誤差從±0.014 7 N降低為±0.004 9 N。改進(jìn)后的張力控制系統(tǒng)穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)，可以滿足高精度光纖環(huán)繞制工藝的要求。