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124_092-008BP-TW

發佈日期 : 2009-04-30
發明專利說明書
　 ※申請案號：
　 ※申請日期：　　　　　　　　　　※ＩＰＣ分類：
一、發明名稱：(中文/英文)
　 非傳統張力預估回授控制捲繞方法(全文下載)
二、申請人：共 人
　 指定為應受送達人
　  
三、發明人：
　  
　◎專利代理人：
　  
　
四、聲明事項
　  
　 □主張專利法第二十七條第一項國際優先權：
　 □主張專利法第二十九條第一項國內優先權：
　 □ 主張專利法第二十六條微生物：
　□ 熟習該項技術者易於獲得，不須寄存
五、中文發明摘要：
　 　　 本發明係關於一種非傳統張力預估回授控制捲繞方法 ，其分別由捲出及捲入馬達即時檢出其轉速，且配合捲物 初始半徑與厚度等資料換算出即時的捲出及捲入軸半徑， 並進一步產生捲物預估張力值，以回授方式分別控制捲出 及捲入馬達之扭矩及轉速，達成未使用任何張力量測元件 的狀態下，一方面維持捲物線速度，同時亦能控制捲物在 捲動中之實際張力；又配合慣性補償手段可在系統啟動 (start-up)或關閉(shut-down)過程中有效避免因系統加 減速慣性所造成的捲物斷裂或鬆脫。
　
六、英文發明摘要：
　  
　
七、指定代表圖：
　（一）本案指定代表圖為：
　（二）本代表圖之元件代表符號簡單說明：
　  
　
八、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式：
　  
　
九、發明說明：
　 [發明內容] 本發明係關於一種非傳統張力預估回授控制捲繞方法 ，尤指一種不使用張力量測元件而透過張力預估器達成張 力控制目的，並有效解決高速運轉下捲物與張力感測元件 間存在的接觸磨擦問題。
如第七圖所示者係利用自動化設備達成捲繞目的之捲 繞系統基本構造，主要係令呈帶狀或線狀的捲物(80) 同時繞設於由捲出及捲入馬達個別傳動的捲出軸(81) 及捲入軸(82)上，當捲出軸(81)及捲入軸(82 )分別以特定的扭矩及轉速運轉時，即令其上的捲物(8 0)達到自動捲繞之目的。
就前述捲繞系統而言，張力控制是個重要的課題，如 捲帶系統中可能包括：「清潔」、「刻印」、「電鍍」或 「乾燥」等加工站，而惟有作好張力控制始能令各個加工 步驟達到理想的作業品質。
前述捲繞系統在捲繞過程中，如捲出軸(81)的扭 矩與捲入軸(82)的轉速始終維持不變，則因捲物(8 0)半徑將隨時間而變化(捲出軸(81)端之捲物半徑 遞減，捲入軸(82)端之捲物半徑相對遞增)，造成捲 物(80)的線速度與張力亦隨時間而改變，由於捲物張 力處於不穩定狀態，故容易在捲繞過程中斷裂或鬆脫。
解決前述問題傳統方法可檢測捲物(80)在捲動中 的實際張力，以回授方式調整捲出軸(81)之扭矩，以 維持捲物張力不變，並避免捲物(80)在捲動過程中斷 裂或鬆脫。
而傳統回授方式張力控制大致有二：其中一種係如第 八圖所示，於捲出軸(81)與捲入軸(82)間設一具 荷重元(Load Cell)的張力感測器(83)，並令捲物( 80)繞經一組定向用的惰輪(Idle Roller)(86)及 張力感測器(83)，以測得捲物(80)之張力，另一 種控制方式則如第九圖所示，係於捲出軸(81)與捲入 軸(82)間設一擺動輪(DancerRoller)(84)以及 一組定向用的惰輪(86)，擺動輪(84)係與一電位 計(85)連接，又令擺動輪(84)輪面接觸捲物(8 0)表面，當捲物(80)張力與其參考值不同時，擺動 輪(84)則失去平衡，電位計(85)即可測得擺動輪 (84)之跳動程度，供回授控制捲出軸馬達扭矩之用。
前述兩種張力控制方式之優點在於：利用張力量測元 件(荷重元或電位計)可得到準確的相關數據作為張力控制 ，但因偵測之必要，張力感測器(83)或擺動輪(84 )必須緊貼於捲物(80)表面，而於二者間形成磨擦現 象。當捲物(80)以高速運轉時，將因磨損而影響捲物 (80)品質。
除前述磨擦問題外，採用張力量測元件所衍生的提高 成本問題亦須予以正視。且張力感測器(83)、擺動輪 (84)與捲物(80)間之相對關係亦存在量測技術上 的問題有持克服。由此可見，目前以接觸式張力量測元件 與回授方式控制捲物鬆緊度之設計，依然存在諸多缺失， 猶待進一步克服解決。
因此，本發明主要目的乃在於提供一種未具張力量測 元件的捲繞系統張力控制方法，藉由線上(on line)即時 預估捲物的半徑變化，並適時分別調整捲出馬達及捲入馬 達之扭矩及轉速，以控制捲物於捲動過程中之張力恆定， 其不僅可避免捲物斷裂或鬆脫，由於未使用接觸式張力量 測元件，亦同時解決了因磨擦現象而影響捲物品質之問題 。
本發明次一目的在於：前述張力控制方法透過慣性補 償手段可在系統啟動加速及關閉減速過程中仍維持捲物張 力之恆定，以有效防止捲物在捲動過程中可能的斷裂或鬆 脫。
為使貴審查委員進一步瞭解前述目的及本發明之技 術特徵，茲附以圖式詳細說明如后：
在說明本發明的張力控制方法之前，先針對捲繞系統 的動態進行數學分析“第一圖所示分別為具扭矩控制的伺 服驅動捲出軸(10)及具轉速控制的伺服驅動捲入軸( 20)，其中捲出及捲入馬達均為伺服馬達。在捲出軸( 10)部分，(z)bRZb依序代表馬達的角速度及輸出扭矩 。ωu及τu。則依序代表捲出軸(10)的角速度及扭矩， 而Gu則為馬達與捲出軸(10)的齒數比。前述各項條件 並具備如下之關係：

根據前述公式，復以目前控制技術之水準，有關馬達 的參數可由回授及控制元件表示如下：
，其中Kτ為馬達的扭矩常數，ub代表馬達的輸

入電流。
至於捲出軸(10)的扭矩平衡則可由下列公式取得 其中，tw為捲動中捲物的張力，Jt為總轉動慣量，Ru 是捲出軸(10)含捲物的半徑，t則為絕對時間。以上 所述為捲出軸(10)在動態下的各項特性條件。
又關於捲入軸(20)部分，ωm及τm依序代表馬達 的角速度及輸出扭矩。又ωr代表捲入軸(20)的角速度 ，τr則代表捲入軸(20)的扭矩，而Gr則為馬達與捲 出軸(10)的齒數比。前述各項條件並具備如下之關係

當捲入軸(20)到達穩態時，伺服馬達在理想的速 度控制下，其速度常數Kw可表示如下：

再者，有關捲動中捲物(請參闆第二圖)之特性條件 ，可由質量守恆定律取得：

其中Lw表示捲物的長度，戶＊為捲物的密度，Aw為捲物的 截面積，Vu為捲出軸(10)捲物的切線速度，Vr則為捲 入軸(20)捲物的切線速度。
假設捲物的厚度很小，應變亦極小且呈均勻展開，在 此狀態下，捲物可視為完全的彈性體，由虎克定律可得： t=AwEwεw
其中Ew為捲物的楊式係數，εw則為捲物的應變度。根據 前述條件並考慮一微小捲物單元，則可合併前述兩公式得
其中to為捲物離開捲出端時之張力。
由上述可知，捲出軸(10)、捲入軸(20)及捲 動中捲物之動態特性，利用前述各特性條件可提供一無張 力量測元件之張力預估回授控制方法。
由前述公式中可知，當捲出軸(10) 維持以等速運轉時，馬達的扭矩等於捲物的張力與軸半徑 的乘積，因此可得如下之張力控制器：

其中tref為參考張力。
因此，當捲物軸半徑隨捲燒過程而改變時，馬達的扭 矩亦須隨之改變，以維持捲物的張力固定。然而前述控制 定律必須忽略轉動軸的轉動慣量始能成立，但在馬達運轉 的初始狀態下，並無法忽略前述控制定律中的轉動慣量， 因此該控制定律並不成立。
根據前述限制，本發明提出一具張力預估回授控制器 ，其方塊圖係如第三圖所示，其中虛線涵括範圍即本發明 之張力預估單元(30)，該預估單元(30)包括有一 伺服馬達扭矩控制器模式(31)、一捲出軸系統模式( 32)、一張力預估PI控制器(33)、一低通濾波微 分器(34)及一捲出軸捲物預估半徑導數(35)等。 虛線以外者為控制捲出軸馬達控制單元(40)，其包括 有一PI控制器(41)、一伺服馬達扭矩控制器(42 )及一捲出軸系統(43)(各方塊內所示為各對應元件 之數學式)。前述各方塊內所示者為各對應元件之數學式 ，其中Jto係表示捲出系統的總轉動慣性之預估值，張力 預估單元(30)之PI增益，Kpo和Kio可由下列的方程式 決定：

其中，ζ和ωn為前述張力預估單元(30)響應的阻尼係 數及自然頻率。又前述阻尾係數及自然頻率與響應的 percent overshoot及起升時距tr有關：

本發明張力預估單元(30)需捲出軸馬達輸入電流 及馬達轉速檢出訊號，同時須取得捲物之初始軸半徑與厚 度等條件，換算出即時的捲出軸半徑。而該預估單元所產 生之張力預估值tobs與參考張力tref之差值送至馬達控制 單元(40)以調節馬達之扭矩，以維持捲物之張力於恆 定。
由上述可知，張力預估單元(30)須利用即時的捲 出軸半徑Ru，此一即時捲出軸半徑在預先取得該捲出軸的 初始半徑值，即可透過下列的方式取得：

其中，Ru(t)為捲出軸在時間t的瞬時半徑，hw為捲物的厚 度，△t為取樣的時距，Vu為捲出軸捲物的切線速度。
又關於捲入軸部分係由下列方式取得：

其中，Rr(t)為捲入軸在時間t的瞬時半徑，hW為捲物 的厚度，△t為取樣的時距，Vr為捲入軸捲物的切線速度ｓ 。
至於捲物之厚度及軸初始半徑值等資料係輸入至主控 裝置(50)作儲存及運算。
再者，為得到良好的轉動慣量訊號，前述張力預估單 元(30)中包括了一個低通濾波微分器(34)，該低 通濾波微分器(34)的時間常數為Jto/N，其中N通常在 3~10的範圍內。由捲出馬達所檢出之轉速經低通濾波 微分器(34)後的訊號可用來定義捲出軸的轉動慣量， 讓該轉動慣量訊號進一步如第四圖所示加入張力預估計算 ，用以在系統啟動加速及關閉減速過程中仍維持捲物張力 之恆定，而有效避免系統於啟動或關閉時捲物可能的斷裂 或鬆脫。
由上述可知，本發明張力預估回授控制方法之具體技 術內容，至於實施時之具體實施例，可如第五圖所示，其 包括有一主控裝置(50)、兩組轉速編碼器(51)( 52)、一捲物張力控制器(53)及一捲物線速控制器 (54)，其中主控裝置(50)可為微電腦控制器，以 利進行各數值之設定，兩轉速編碼器(51)(52)係 供檢出馬達的轉速，並配合即時捲物軸半徑之預估，分別 控制捲出馬達(100)之扭矩及捲入馬達(200)之 轉速，以進行捲物定張力與定線速之控制。
第六圖所示之捲物張力控制器(53)及捲物線速度 控制器(54)，係利用微電腦控制器計算捲出端捲物軸 ｓ半徑，而由半徑值估測出符合該張力條件的馬達扭矩，換 言之，即利用馬達的扭矩控制功能以維持或調節捲物張力 ，而不需藉由接觸式張力量測元件來完成張力控制。其中 捲物張力控制器(53)包括有一捲出馬達扭矩控制器( 42)及一捲出軸捲物半徑預估器(36)，又捲物線速 度控制器(54)則包括有一捲入馬達轉速控制器(44 )及一捲入軸捲物半徑預估器(37)。前述捲出馬達扭 矩控制器(42)之內部構造係如第三、四圖中之捲出軸 馬達控制單元(40)，又捲出軸捲物半徑預估器(36 )及捲入軸捲物半徑預估器(37)分別為：
其中Ru(t)及Rr(t)分別為捲出軸及捲入軸在t的瞬間 半徑，hw為捲物的厚度，Δt為取樣的時距，vu及Vr。分別 為捲出軸及捲入軸捲物的切線速度。
又在捲出馬達(100)部分係藉由捲出軸轉速編碼 器(51)量測馬達之轉速以預估捲出軸半徑，並將馬達 之轉速資料回傳至前述的捲物張力控制器(53)。
而對於捲入馬達(200)而言，其結構係藉由捲入 軸轉速編碼器(52)量測馬達之轉速並送入前述的捲物 線速度控制器(54)以預估捲入軸半徑，藉以調整捲入 軸之轉速，以達成捲物定線速度控制。
如前揭所述，捲出馬達之扭矩須隨捲出端捲物軸半徑 之改變而作即時調整，同時捲入馬達之轉速須隨捲入端捲 物軸半徑之改變而作即時調整，以達到捲物張力與線速同 步控制。
由上述可知，本發明主要在提出一種張力預估與回授 之張力控制方法，其可用於如捲布、捲線等捲繞設備捲物 張力與線速之同步控制，特別值得一提的是：本發明並未 採用任何接觸式的張力量測元件，因此，在捲繞過程中可 完全排除因張力量測元件與捲物接觸後產生的磨擦問題； 而由前述可知，本發明運用於捲繞系統時，係要求捲物張 力在捲繞過程中維持恆定，以確保加工步驟之作業品質， 惟利用相同方法，亦可視實際需要將捲物張力調整至要求 值，以符合加工或其他用途之實際需要。
再者，如第四圖所示，由於張力預估單元加入經過低 通濾波處理的轉動慣量訊號，張力預估器的輸出值將因系 統的啟動慣性而增加，因此減少捲出軸馬達的輸入電流， 並補償啟動慣性對捲物張力之影響，避免捲物斷裂。同理 ，當系統關閉時張力預估器的輸出值減少，因此增加捲出 軸馬達的輸入電流，以避免捲物鬆脫。藉前述設計可在系 統啟動加速及關閉減速的過程中仍維持捲物張力於恆定， 避免捲物斷裂或鬆脫。
故由上述可知，本發明張力預估回授控制不論在啟動 、在關閉、或在一般捲動過程中，均可獲致理想之張力控 制目的，且無傳統式捲物與張力感測元件間存在之接觸摩 擦問題，其具備高度的產業利用性，並符合發明專利之要 件，爰依法提起申請。

[圖式簡單說明] 第一圖：係本發明之捲出、捲入系統數學模式分析圖。
第二圖：係本發明之捲物數學模式分析圖。
第三圖：係本發明一具張力預估回授控制之實施例方塊圖。
第四圖：係本發明一具張力預估回授及慣性補償控制之實施例方塊圖。
第五圖：係本發明之一實施例示意圖。
第六圖：係本發明控制系統結構之示意圖。
第七圖：係捲繞系統結構之示意圖。
第八圖：係一種利用荷重元作為張力量測元件之捲繞系統示意圖。
第九圖：係一種利用電位計配合擺動輪作為張力量測元件之捲繞系統示意圖。
　
十、申請專利範圍：
　 　　1.一種非傳統張力預估回授控制捲繞方法，其分別由捲出及捲入馬達即時檢出其轉速，利用該轉速資料配合捲物軸初始半徑與捲物厚度等資料換算出捲物軸半 徑的即時變化值，進而產生一預估張力值，以回授與慣性補償方式分別控制捲出及捲入馬達之扭矩及轉速，以維持在定線速度下，同時控制捲物在捲動中之實際張 力，且因未使用任何張力感測元件，故無磨擦問題。
2.如申請專利範圍第1項所述之非傳統張力預估回授控制捲繞方法，捲出軸及捲入軸半徑之即時變化值可由以下公式取得： 及 其中Ru(t)及Rr(t)分別為捲出軸及捲入軸在t的瞬間半徑，hw為捲物的厚度，△t為取樣的時距，Vu及Vr分別為捲出軸及捲入軸捲物的切線速度。
3.如申請專利範圍第1項所述之非傳統張力預估回授控制捲繞方法，該捲出及捲入馬達係分別透過一編碼器即時檢出其轉速，該轉速貧料分別送至一捲物張力 控制器、一捲物線速度控制器、以及一主控裝置，其中張力控制器及捲物線速度控制器分別包括有一馬達控制單元及一張力預估單元，該張力預估單元根據送入的馬 達轉速資料，預估捲物軸半徑以及捲物張力值，並與張力參考值比較，最後藉由主控裝置驅動馬達控制單元，以改變馬達之扭矩，令捲動中捲物張力維持於恆定。
4.如申請專利範圍第3項所述之非傳統張力預估回授控制捲繞方法，該張力預估單元中加入一低通濾波微分器，以取得經過濾波處理之轉動慣量補償訊號，並藉由補償控制的手段以避免系統啟動與關閉時捲物可能的斷裂與鬆脫。
5.如申請專利範圍第4項所述之非傳統張力預估回授控制捲繞方法，該低通濾波微分器之時間係數為Jto/N，其中N在3～10範圍內。
　
十一、圖式：
　  
　







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