第五节 纸张张力控制电路

　　保证卷筒纸带有一恒定的张力，是卷筒纸印刷机能正常印刷的关键问题，通常在卷筒纸印刷机的输纸装置中，安装有张力控制系统，以保证印刷压力均匀适中，印品字迹清晰及折切位置准确。本节将结合实例对卷筒纸印刷机中纸张张力控制电路进行介绍。

一、张力控制系统概述

　　1．系统结构。为自动调节纸带的张力，常采用各种不同的结构系统。系统结构基本都由弹性缓冲辊、阻尼机构和电气控制装置三大部分组成。其中电气控制装置包括控制电路、传感器与磁粉制动器等。图3－56所示为JJ201型卷筒纸胶印机给纸机带张力自动调节系统工作原理图。其各部分作用如下：



图3－56 张力自动调节系统工作原理图

　　（1）弹性缓冲辊。由于纸卷的松紧程度不同，纸卷本身不规则及机器拖动的不稳定，会产生纸带松飘或拉紧，从而使张力不断变化。设置弹性缓冲辊可吸收瞬时变化的能量，使张力变化得到缓冲减弱。

　　（2）阻尼机构。阻尼机构的摆动辊在纸带张力作用下产生摆动并使传感器动作。传感器将张力变化转换成电压信号，然后反馈至控制电路的输入端，以调节张力。阻尼能够吸收张力瞬时变化，对频率较高的小信号进行缓冲和滤除，对摆动辊起到阻尼减振作用；可使纸张在经弹性缓冲辊之后，张力得到又一次的稳定调节。

　　（3）电气控制装置。由于张力控制系统不同，所采用控制电路、传感器及磁粉制动器也不相同。如传感器元件有电位器、负重传感器及差动变压器等种类。又如磁粉制动器有单机和双机工作方式，冷却方法有自然冷却和水冷等。

　　2．控制原理。尽管张力控制系统结构各异，但其控制原理基本相同，都设有“手动”与“自动”两种控制状态。开机前，将系统置“手动”位，此时系统为开环控制，磁粉制动器的励磁电流可进行手动调节，即进行纸张张力值预选。开机时，置“自动”位，系统为闭环控制，即由摆动辊及传感器将检测出的张力变化信号反馈到控制电路输入端，与给定信号综合后的差值信号经比例积分，功率放大可控整流电路，使磁粉制动器的励磁电流不断改变，其制动力矩也随之变化，从而使纸张张力维持恒定。

　　图3－57为张力自动调节系统方框图。系统控制作用可表示为：

　　张力F↑→U_f↑→U_入（U_g-U_f）↓→I_励↓→M↓→F↓→F回到预选给定值。



图3－57 张力自动调节系统方框图

　　当纸张张力变小时，系统将发生与上述相反的控制作用。

二、电器控制系统

　　1．磁粉制动器。国产JJ201型卷筒纸胶印机纸带张力自动调节系统中纸带张力的改变是靠制动器来调节的。磁粉制动器是一种电磁离合器和制动器，在卷筒纸胶印机的纸张张力控制系统中用来对纸卷进行制动控制。

　　（1）结构。磁粉制动器结构如图3－58所示。图中2为磁粉，由铁钴镍粉或铁铬铝粉等材料组成。将其填充在内定子7和转子3之间，内定子可通水冷却，图中8、9为进出水口。图中6为转子冷却风扇。轴1与纸卷机构作联接。



图3－58 磁粉制动器结构

1－轴 2－磁粉 3－转子 4－外定子 励磁线圈 6－风扇 7－内定子 8、9－进出水管头

　　（2）工作原理。当磁粉制动器的励磁线圈未通入直流电流时，定子转子及磁粉间不存在磁力相互作用，磁粉呈松散状态，因而不产生制动力矩。当励磁线圈通入直流电源时，内外定子、转子和磁粉间形成磁场，磁粉受磁化形成链条状。此磁粉链将内定子与转子进行连结，产生拉力即形成对转子的制动作用。励磁电流越大，制动器转子力矩也越大。励磁电流I与M的关系可以表示为图3－59所示的力矩特性曲线。

　　由图可知，当励磁电流控制在I₁与I₂之间时，曲线为直线，M与I为线性关系。因此，改变励磁电流的大小，可使磁粉制动器的制动力矩得到改变。在印刷中，随着纸卷半径的不断减小，纸卷阻力矩会变小，为了使纸带张力保持恒定，要求磁粉制动器的制动力矩M的大小作相应改变，即使励磁电流I实现自动跟踪控制。



图3－59 力矩特性曲线



图3－60 传感器结构图

1－滑动臂 2－弹性金属片 3－电刷 4－电阻丝

　　2．传感器。多数卷筒纸胶印机都采用电位器为传感器，以实现纸带张力自动控制。图3－60为该传感器结构图。滑动臂由张力摆动辊、阻尼机构等驱动。正常印刷时，摆动辊所受张力与弹簧力平衡，张力发生变化与摆动辊位移相对应。于是，若使该机构中的扇形齿轮偏转一定角度，与扇形齿轮啮合的小齿轮也随之转动，并带动传感器的滑臂转动。滑动臂带动电刷在电阻丝上滑动，即在电阻丝上调节取得一电压数值，该电压值即作为张力反馈信号，该信号与给定信号综合后，其差值输入比例积分等控制电路。由于张力反馈信号为负反馈，从而使磁粉制动器的励磁电流、制动力矩发生变化，实现纸卷张力的稳定调节。

　　3．电路工作原理。

　　（1）直流稳压电源。如图3－61所示，电源变压器T的副边有5组线圈，由3、4端输出交流60V，该电压经二极管VD₁－VD₄桥式整流，为触发电路提供直流电源；由5、6端输出交流30V电压，为功率放大级的二极管VD₉、VD₁₀与晶闸管VT₁₁、VT₁₂组成的可控整流电路提供电源；由7、8端输出交流6．3V电压，为电源指示灯供电；9、10与11、12端输出两组交流20V电压，为两组串联型直流稳压电源提供交流电源。

　　串联型直流稳压电源的电路，由两组完全相同的电路串联组成。现以一组为例分析其电路工作原理。其中二极管VD₁₅－VD₁₈作桥式整流，电容C₈进行滤波。三极管V₄与V₅组成复合调整管，以提高放大倍数与减小基极控制电流。V₆和VZ₁₉提供基准电压，R₅₂为V₆的集电极电阻。电阻R₅₃、R₅₄与电位器RP₄组成取样电路。当电网电压降低负载电流增加时，C₈两端的输出电压下降，经R₅₃、R₅₄与RP₄的分压后，使V₆的基极电位下降。上于VZ₁₉的稳压作用，V₆的发射极电位保持不变，故U_be6下降，I_c6下降，U_c6上升，U_b5随之上升，V₄的集电极电流增加，使稳压电源输出电压恢复原值，即为15V直流稳定电压。另一组稳压电源以700端为公共点连接，由705与706端输出±15V直流稳定电压，向控制电路供电。



图3－61 直流稳压电源

　　（2）给定、比例积分、比例放大与反馈电路。控制系统电路原理图如图3－62所示。



图3－62 控制系统电路原理图

　　此系统分开环与闭环两种工作状态。通常按钮在“手动”位置时电路处于开环状态，在“自动”位置上时电路处在闭环工作状态。根据不同纸张张力有不同的要求，调试时先用“手动”进行张力预选。具体过程是将琴键开关SA₁置于“手动”位置，开关触点将N₁的输出端9与711端断开，将711端接于公共点700。此时，运算放大器N₁与反馈回路不起作用，系统为开环状态。调整时一般可根据操作者的工作经验用手摸试纸张张力大小，同时，手动顺序时针调整电位器RP₄，将负电压信号通过电阻R₁₀输入到运算放大器N₂的反向输入端1。经N₂的比例放大作用，其输出端9获得正极性电压U₀₂，U₀₂输入触发电路V₁₁的基极。晶闸管VT₁、VT₂被触发导通，磁粉制动器的励磁线圈获得直流控制电流，并由电流表显示出来。调整到张力合适为止，记下此时制动器电流表数值，此值即为预选张力值。

　　张力预选后，将电位器RP₄旋回零位，将琴键开关选择按在“调整”位置。由于709与711端接通反馈回路，N₁及N₂都投入工作（但积分电路并没起作用）。调整“给定”电位器RP₂正电压经R₁送至N₁反相输入端1，由于SA₂开关断开，积分电容C₁此时不作用，N₁只作比例放大而无积分作用。N₁对“给定”电压信号作比例放大后输出负电压U₀₁，U₀₁经R₉输入N₂，经N₂作比例放大后输出正电压U₀₂，U₀₂输入V₁₁基极，又经功放电路使磁粉制动器励磁线圈得到电流。调整RP₂使电流表指向预选值，“给定”信号就调整好了。调整工作状态虽是闭环系统，并具有自动调节作用，但由于N₁没有积分作用，因此，系统控制精度较低，但已能对纸卷由大变小或其它等原因所造成的张力不稳定作出自动调整。只有将选择开关置于“自动”档，积分电路通过开关SA₂闭合，将C₁接入N₁电路，使N₁成为比例积分调节器，系统将成为比例积分自动控制系统。其自动控制作用如下：机器运转输纸后，将选择开关置“自动”档，调节“给定”与“放大”电位器RP₂、RP₁使张力为预选值。该电位器调好后，在整个印刷过程中不要再调动，调节原理如图3－63所示。



图3－63 张力控制系统电路调节原理

　　由图可见，当“给定”电位器与“放大”电位器已调整好时，A、B点将固定不动。因电位器RP₃的C点基本不动，反馈电压U_f不变，给定电压U_g一定，所以，差值电压ΔU＝U_g－U_f也为定值。D点电位将确定。但此状态是瞬时的，当各种干扰引起张力发生变化时，将通过摆动辊、扇形齿轮及小齿轮作用，推动传感器上电刷移动，C点产生位移，U_g产生变化，导致D点电位改变，N₁随即进行比例积分运算，经电路控制作用，使励磁电流改变，即制动力矩变化，使张力稳定。

　　例如，当干扰使张力减小时，传感器RP₃上的C向右移动，反馈电压U_f增加，ΔU下降，D点电位也随之下降，励磁电流I减小，制动力矩M减小，使张力恢复原值，并维持恒定。

　　（3）触发与功率放大电路。电路如图3－62所示，触发电路主要由晶体三极管V₁₁、V₁₂、V₁₃和单结晶体管VU及偏置电阻组成。

　　当给定电压U_z与反馈电压U_f比较综合后的差值电压ΔU小于零时，N₁的输出U₀₁为正值，N₂的输出U₀₂为负值。U₀₂输入触发电路V的基极，触发电路无触发脉冲产生，功放电路不工作，磁粉制动器因无励磁电流而不能产生制动力矩。当U_g与U_f比较综合后的差值电压ΔU大于零时，U₀₁为负值，U₀₂为正值，V₁₁获得正偏置电压而导通，其集电极电位U_c11下降变负，V₁₂的基极电位U_b12也随之下降。由于V₁₂为PNP型三极管，V₁₂的U_be为正偏置，于是V₁₂导通，其集电极电流I_c12向电容C₆充电。当C₆上的电压U_c6充至单结晶体管VU的峰点电压U_P时，VU导通，在R₃₈上产生脉冲电压。

　　在一般的单结晶体管触发电路中，导通后将会很快关断，因此，脉冲输出为窄脉冲。若在此触发电路中增加PNP三极管V₁₃，当单结晶体管VU导通，其e、b₁之间的内阻及b₁、b₂之间的内阻都瞬间减小，流过b₁、b₂之间的电流增大，电阻R₃₇上产生的压降使V₁₃和U_be为正偏置，于是V₁₂偏置，V₁₃由截止变为导通，从而使VU的发射极电流增大并大于谷点电流，以维持VU继续导通。这样，使R₃₈上产生的电压脉冲增宽，此宽脉冲输入功放电路对晶闸管进行触发。

　　功率放大级主要由二极管VD₃₁、VD₃₂和晶闸管VT₁、VT₂组成单相桥式半控晶闸管整流电路。VD₃₃为续流二极管，电流表与磁粉制动器励磁一圈相串联，用于控制电流指示，熔断器FU₂作短路保护。电阻R₃₈上的宽脉冲信号，经电阻R₃₉、R₄₀分别触发晶闸管VT₁、VT₂并使其导通。整流输出直流经过电阻R₄₁通入励磁线圈，使制动器产生制动力矩。

[时间：2001-11-20  作者：杨皋 张长峰  来源：《印刷设备电路与控制》·第三章 印刷设备中常用的控制电路]