光纤绕线机张力控制系统的研究_赵晋洪

文章编号:100525630(2005)022*******光纤绕线机张力控制系统的研究Ξ赵晋洪,舒晓武,牟旭东,刘　承(浙江大学现代光学仪器国家重点实验室,浙江杭州310027) 摘要:光纤环是光纤陀螺的传感核心,一个长期稳定并且比较小的张力值是评价光纤环品质高低的最基本的因素。

通过光纤绕线机在绕纤过程中对光纤上的张力进行控制的方法,可以获得期望的张力值,使得光纤环的性能有了比较好的改善。

关键词:光纤绕线机;张力控制;P I D中图分类号:TN 25 文献标识码:AThe research of the ten sion con trol syste m of optica l f iber co il wi nd i ng mach i neZH A O J in 2hong ,S H U X iz o 2w u ,M OU X u 2d ong ,L IU Cheng(State Key L abo rato ry of M odern Op tical Instrum entati on ,Zhejiang U niversity ,H angzhou 310027,Ch ina ) Abstract :T he op tical fiber co ils is the sen se co re of the op tical fiber gyro scope .A m in i m al and steady ten si on is the m ain facto r to evaluate the quality of the op tical fiber co ils .Con tro ling the ten si on of the op tical fiber in the p rocess of the w inding w ith the w indm ach ine ,w e can get the expected value of ten si on .T he p erfo r m ance of the op tical fiber co ils can be i m p roved .Key words :op tical fiber w inding m ach ine ,ten si on con tro l ,P I D1　引　言光纤陀螺具有结构简单、无运动部件、启动快、寿命长、体积小、重量轻、耐冲击、抗电磁干扰、无加速度引起的漂移、精度高、动态范围大、成本低等优越的性能,是航天、航空、航海等各种民用和工业领域中的应用发展方向。

在众多影响光纤陀螺性能的因素中,光纤环的绕制品质的高低是最重要的因素之一。

光纤环性能的好坏直接影响到光纤陀螺的精度和稳定。

环上光纤的应力大小对光纤环品质的影响非常重要。

如何获得期望的张力值是提升光纤环品质的关键。

2　光纤环上光纤的张力分析光纤环所处的环境因素,如温度、应力引起的非互易性相位噪声,直接影响着光纤陀螺的精度和性能,因此怎样降低或者消除环境因素带给光纤环的非互易性相位噪声是光纤陀螺向高精度、实用化发展过程中急需解决的问题。

外界应力对光纤参数(例如折射率)产生影响,当两束相向传输光波在光纤中传输时,在光纤环的某一局部位置处,在不同的时间里,经受了同一应力效应的影响,这时两束光波间将产生非互易性相位,该相位第27卷　第2期2005年4月 光　学　仪　器O PT I CAL I N STRUM EN T S V o l .27,N o.2A p ril,2005Ξ收稿日期:2004207228作者简介:赵晋洪(19782),男,山东济南人,硕士研究生,主要从事光纤绕线机的开发与研究。

作为误差对因旋转Sagnac 相位产生影响,光纤环因应力产生的非互易性相位∃5s 可以用下式来表示:∃5s =K (d n c d s +C s n c )n c c (2I -L )∫L 0d I ∆S (1,t )∆t (1)式中,C s 为光纤压缩系数;d n cd s 为光纤折射率应力变化率;S (1,t )为光纤环应力分布函数;I 为光纤环上的光纤长度所以根据上式可以得出,如果想保证应力造成的非互易性相位值非常小的话,必须要使得光纤环应力分布函数变化幅度不大,最好可以保证一个恒定的值。

光纤环上的光纤在绕制过程中,由于外部环境和绕制方式的影响会造成多种不同因素的应力的产生。

例如外界应力、缠绕的压应力、弯曲应力和扭曲应力等。

外界应力可以通过保持光纤绕线过程中外部环境来消除。

因此,环上的光纤所受的张力最主要是来源于缠绕过程中的绕制应力和预备光纤环上本身自带的应力。

由此可见,对绕纤过程中的光纤进行张力控制,是保证光纤环的光纤应力稳定最关键的方法。

光纤的张力控制也就成为光纤绕线机研制过程中一个重要因素。

也是文中所要探讨的关键。

3　光纤绕线机的张力控制系统的设计现讨论的光纤的张力控制系统是光纤绕线机系统的关键组成部分。

需要说明的是,张力控制系统并不是脱离光纤绕线机系统而单独存在的,现只是将该子系统单独进行阐述。

311　控制系统的实现方法图1　张力控制系统流程图进行绕纤时,光纤从预备环支架导出,经过舞蹈轮、张力传感器、滑轮,最后根据引导滑轮的位置来精确绕制到光纤环架上。

当光纤上的张力值恒定时,舞蹈轮主要受本身的重力、与绕纤方向相同的主轴电机的拉力、与绕纤方向相反的张力控制电机的拉力和光纤上自身的张力这几个力的作用,而始终保持在水平方向的位置。

如果光纤上的张力值变化时,舞蹈轮上的平衡被破坏,而不能保持在水平位置。

此时,张力传感器检测到张力的变化,并将其转换为电压变化值,该值经过AD 采样电路转化为数字信号,传送到主控制电路并通过P I D 算法,计算获取到一个相应的用于施加到张力控制电机的电压值,来调整张力控制电机的旋转速度以间接地改变电机的输出力矩,并最终使得舞蹈轮上的平衡恢复,舞蹈轮返回到水平位置,光纤上的张力值被控制在一个稳定的范围内。

3.2　控制系统的结构设计光纤绕线机的张力控制系统的结构图如图2所示。

由图2所示,光纤绕线机的张力控制系统由以下几部分组成:张力传感器及放大电路、张力控制电机、舞蹈轮、预备环支架、引导滑轮和A D 采样及反馈控制电路。

张力传感器的实质就是一个单臂电桥。

它与一个定滑轮相连接,然后放置在舞蹈轮与引导滑轮之间。

光纤绕制时经过该定滑轮,因此可以视为光纤上的张力直接作用在传感器上。

光纤上的张力变化会造成电桥两端的不平衡,而导致张力传感器的输出端会产生一个毫伏级的电压信号。

张力控制用的电机采用的是直流伺服电机。

该电机的特点是控制方式简单、性能稳定、反应速度快。

使・83・　光　学　仪　器第27卷用脉宽调制(PWM )控制方式,通过调整电压脉冲的占空比来改变直流电机的电枢电压,以达到改变电机速度的目的。

通过电机与预备环之间的摩擦力来间接的改变于绕纤方向相反位置上的拉力。

舞蹈轮用于向绕环光纤上施加一定的张力值,使得光纤环上的光纤张力能保持一个平稳值。

预备环支架则用于放置预备光纤环。

供出纤时使用。

引导滑轮用于引导光纤绕制到光纤环上。

因为光纤环上的光纤必须要每层排列紧密,之间不能有空隙和重叠,否则会导致环上每一层光纤的应力不同,所以绕纤过程中,当每层光纤绕制完毕后,引导滑轮也必须相应的移过1根光纤宽度的距离,以此来保证不同层的光纤之间排列整齐。

采样及反馈控制电路。

用于采集张力传感器的输出值,并进行反馈来控制张力电机的运行。

来实现控制张力系统。

图2　张力控制系统结构图3.3　控制系统的硬件电路设计硬件电路的设计包括张力传感器的信号放大电路、AD 采样及反馈控制电路。

这是整个张力控制系统中最重要的部分。

如何能将张力传感器采集到的张力变化值准确无误的转换为相对应的数字信号,以及如何进行直流伺服电机的控制是设计所关心的。

图3是张力控制系统的电路框图。

图3　张力控制系统电路流程图张力传感器将检测到的张力变化值转化为毫伏级电压,经过信号放大电路的放大,由D SP 进行AD 采样及反馈控制算法的处理。

并通过电机驱动电路来控制直流伺服电机的运行。

AD 采样及反馈控制电路的核心处理器采用T I 公司的TM S 320F 24XX 芯片,该D SP 芯片主要面向数字马达控制领域,具有2路10位的AD 模块,12路脉冲宽度调制(PWM )通道,3个通用定时器,光电编码器接口,串行通信接口。

单指令周期为50n s ,非常适合进行实时控制和信号处理。

电机驱动电路采用内含两个H 桥驱动器的L 298,其工作电压高,输出电流大,能驱动直流电动机和步进电机等感性负载。

因此将D SP 输出的PWM 信号,通过L 298转变为电机的电枢两端电压值控制电机转速。

・93・第2期赵晋洪等:　光纤绕线机张力控制系统的研究　3.4　系统的软件设计张力控制系统的软件部分的核心内容是P I D 算法系统。

流程图如图4所示。

该算法具有稳态误差小,动态性能好,控制精度高等特点。

图4　P I D 张力控制流程图根据图4,可以得到P I D 算法的表达式:U (t )=k p [e (t )+1T i ∫t 0e (t )d t +T d d e (t )d t ](2) 式(2)和图4中,k p 为比例系数,T i 为积分常数,T d 为微分常数;r (t )表示预先期望的光纤上的张力值,e (t )表示期望的张力与实际的光纤张力之间的偏差值,y (t )表示实际的光纤张力值,u (t )表示经过P I D 算法所获得的需要施加在张力控制电机上的电压值。

其中:e (t )=y (t )-r (t )(3) 实际的光纤张力值由于外部干扰等原因会导致跳变点产生,所以在AD 采样转换过程中,采取算数平均值法这种数字滤波方法,来减弱或者消除干扰。

当通过P I D 算法获得所需要的电机上电枢电压值时,可以通过调节PWM 波的占空比来实现电压值的改变。

4　结　论通过应力分析仪,可以得到增加张力控制子系统前后,光纤环上应力分析图。

其中,纵坐标表示的是光纤环上应力值的大小,横坐标为采集的光纤环上10000个连续点。

图5是没有张力控制系统时,光纤环上张力的变化值。

图6是增加张力控制系统之后,光纤环上的张力变化值。

图5　没有张力控制系统时光纤环上张力变化分析图 图6　有张力控制系统时光纤环上的张力变化分析图对比两幅图,可以明显的看出增加张力控制系统后的光纤环上的张力变化的幅度要明显小于没有任何张力控制系统时的光纤环。

综上所述,通过在光纤绕线机上增加该张力控制子系统,在绕制光纤时,光纤上的张力得到了有效的・04・　光　学　仪　器第27卷的性能具有非常重要的意义。