矩形线圈绕制张力控制系统设计_许家忠.pdf

增刊 矩形线圈绕制张力控制系统设计许家忠 张泞铄 孙克伟（哈尔滨理工大学）摘 要：在线圈绕制过程中，矩形线圈的非等径几何特征导致缠绕导线的线速度发生非线性变化，从而产生较大的张力波动，影响线圈的绕制效率和质量。因此，为稳定矩形线圈绕制过程的张力波动，提高矩形线圈成型质量，本文建立收线与放线部分的动力学模型，分析矩形线圈绕制过程的动态特性。并将模糊控制理论与传统 算法相结合进行张力控制系统设计，从而提高矩形线圈的绕制质量。关键词：矩形线圈绕制；张力控制；模糊控制；控制系统 引言随着科学技术的快速发展，电机、变压器、继电器等电气产品在工业领域中受到了广泛应用，其分布已经遍及了人类生活的各个方面。由于国内经济发展迅速，电气产品的需求量逐渐增加，因此对电气产品的质量提出了很高的要求。这些电气产品制造的核心工序为线圈的绕制，自动绕线机是线圈绕制的专用设备，线圈绕制的质量依赖于绕线机的技术水平。在绕线机生产线圈过程中，张力控制是其重要环节，稳定的绕制张力，可以提高线圈的生产效率和质量。在矩形线圈绕制过程中，稳定的绕制张力是线圈质量的保障，但是由于其非等径几何特征会引起线圈卷入导线速度的变化，从而影响张力的稳定。因此为了保证矩形线圈的生产效率和绕制质量，提升张力的控制精度以及响应速度，设计适用于矩形线圈绕制的张力控制系统具有重要意义。矩形线圈绕制系统建模与分析.矩形线圈绕制系统由于矩形线圈长短边切换与半径的不断变化，导致收线轮的惯量、线速度都处于变化的状态，因此，矩形线圈绕制的张力控制系统是多扰动的时变系统。本文设计的矩形线圈绕制系统如图 所示，具体硬件包含放线轮、浮动辊机构、位移检测装置、收线轮及机械支架等。放线轮在机械机构上为线圈绕制导线材料的输入端，在电机的带动下主动为线圈供应导线材料，通过收线轮的不断旋转完成矩形线圈的绕制，位移传感器实时检测浮动辊的位置，通过带有储能装置的浮动辊机构来缓解由于矩形线圈长短边切换引起的张力跳变，控制气缸给定系统初始张力，根据浮动辊的位置间接反映系统张力的变化情况，浮动辊的实际位置和设定位置作为张力控制器的主要误差信号来源，通过实时对浮动辊位置进行检测，位移传感器把浮动辊的位置信号反馈到控制器中，控制器通过调节放线交流伺服电机的速度，使浮动辊尽可能的保持在参考点附近，从而达到稳定系统张力的目的。图 矩形线圈绕制系统.线圈绕制动力学建模在矩形线圈绕制过程中，矩形线圈半径和惯量随着收线轮的旋转不断变化，为了分析矩形线圈的变化情况，分析收线轮的受力情况如图 所示。图 收线轮受力分析电气技术与经济 研究与开发 增刊其中：（），（）为线圈不同时刻的半径，一般在完成整层缠绕升层的时候发生变化；（）为阻力矩；为导线的张力；为收线轮旋转速度；（）为摩擦力矩；收线轮旋转角速度为。根据转矩平衡定律，收线轮动力学模型可以表示为：（）（）（）（）（）（）（）式中：（）为收线轮在时间 时的有效转动惯量；为伺服电机轴与收线轮之间的传动比；为电机扭矩；为收线轮的摩擦系数。在线圈绕制的过程中，导线不断地卷入收线轮中，线圈的半径 变大，转动惯量（）不断增加可以表示为：（）（）（）式中：是电机侧的惯量；是芯模的惯量；（）是收线轮上缠绕导线的惯量。和 是不随时间改变的常量，由于导线不断的被缠绕到收线轮上，使得（）随时间发生改变，但是瞬时转动惯量变化很小可以忽略不计，与 之间的关系可以根据力矩平衡原理表示为：（）收线轮与浮动辊之间的导线利用质量守恒定律进行分析如图 所示。图 浮动辊机构在一定时间内，导线输送量与卷入量的质量相等，浮动辊下游的张力 的动态特性方程可以表示为：（）（）（）（）（）（）式中：是导线的杨氏弹性模量；是收线轮上导线的卷入张力；是浮动辊下游导线长度；是浮动辊的偏移角度；是导线的横截面积；是浮动辊固定端到滑轮中心的距离。放线部分的动态特性分析与收线部分相似如图 所示，不同的是放线轮的半径和转动惯量不会随着缠绕过程的进行而变化。图 放线轮受力分析图其中：为导线的张力；为放线轮的半径；（）为放线轮伺服电机产生的阻力矩；为摩擦力矩；为收线轮的旋转速度；收线轮旋转角速度表示为。根据力矩平衡原理可以得到 与 的速度之间的关系：（）浮动辊上游的张力 的动态特性方程与浮动辊下游的张力推导相似，可以表示为：（）（）（）（）（）（）导线绕经浮动辊机构从放线轮传送到收线轮，浮动辊机构用于调节导线的张力，它的主要结构如图 所示，由浮动辊、滑轮和位移传感器组成。位移传感器与气缸相连，通过浮动辊的上下摆动来缓冲导线的张力波动。调节机制如下：当导线张力等于参考张力时，浮动辊保持在预定位置，在缠绕过程中导线收线速度的改变，会引起张力发生变化，导致浮动辊偏离预定位置。当浮动辊无法控制在参考位置时，浮动辊会一直处于摆动的状态，浮动辊的角位移动态特性可以根据转矩平衡定律表示为：（）（）（）式中：是浮动辊机构的惯量；时浮动辊机构的质量；是滑轮的半径；是气缸对浮动辊的支持力。电气技术与经济 研究与开发增刊 图 浮动辊机构分析在绕制初始阶段通过气缸给浮动辊压力，使其保持在参考位置，气缸对于浮动辊的支持力可以表示为：（）式中：为期望张力大小。张力控制系统设计模糊 张力控制结构如图 所示，系统输入为浮动辊的参考位置，输出为浮动辊的实时位置，浮动辊参考与实际位置的差值作为控制器的输入，通过误差的不断变化得到不同的控制输出，实现模糊 控制器参数的修正，模糊 张力控制器通过控制放线电机的速度使浮动辊处于设定位置附近，实现恒定的张力控制。图 模糊 张力控制模糊控制器输入输出的隶属度函数如图 所示，误差变化率 的初始论域为 ，误差、和 的初始论域为 ，模糊子集选取 正大、正中、正小、零、负小、负中、负大，记为、，采用三角形和 形隶属度函数相结合的方式进行隶属度函数的设计。模糊规则是模糊控制器的核心，为了更好的实现对矩形线圈绕制过程中张力的控制，结合模糊 参数整定经验 和张力控制理论，、和 的模糊规则如下所示。图 状态变量的隶属度函数表 、模糊逻辑规则 电气技术与经济 研究与开发 增刊（续）去模糊化采用加权平均的公式为：（）（）（）矩形线圈绕制实验及分析.实验平台本文设计的全自动绕线机设备如图 所示，用于各种线圈的绕制，收放线机构采用运行稳定的伺服电机进行控制，通过改变气缸压力的大小来设定张力，位移传感器负责检测浮动辊的实时位置，在此设备上验证所设计的张力控制策略，并完成矩形线圈的绕制。图 实验平台.实验分析为了验证本文所提出的张力控制策略在矩形线圈绕制过程中对张力的控制效果，检验模糊 和传统 控制方法下，系统张力波动和稳态误差的情况，进行如下实验。矩形芯模选择尺寸为：长度，宽度，高度；导线直径为 的铜线。实验过程中设定张力值为，记录主轴不同的转速下传统 算法和模糊 算法张力的波动情况如图、所示。为了更好的分析不同的张力控制策略对张力的控制效果，在图 中分析不同主轴速度下张力的静图 主轴转速 下不同控制策略的张力响应差率和波动率来对比不同张力控制器的性能。静差率可以反映张力控制系统的性能，求解公式为：|（）式中：、分别为张力的最大值和最小值，为平均张力值。波动率是指在系统缠绕平稳的情况下，张力的波动情况，求解公式如下：（）式中：为设定张力值电气技术与经济 研究与开发增刊 图 主轴转速 下不同控制策略的张力响应表 控制性能比较主轴转速（）控制器静差率（）波动率（）.从表 中可以看出，随着主轴转速的不断变大，导线张力的静差率和波动率逐渐变大，张力控制策略下导线张力的波动率一直保持在 以内，在矩形线圈绕制过程中具有较好的张力控制效果。结束语矩形线圈绕制过程中稳定的张力是保证线圈质量的关键因素。本文针对矩形线圈绕制过程中张力难以控制的问题，采用浮动辊位置反馈的闭环张力控制方案，并对控制算法进行研究与改进，设计了适用于矩形线圈绕制的张力控制系统。本文设计的张力控制系统，张力波动不超过参考张力的 ，波动率保持在 以内，符合预期张力控制目标，并且绕制过程中导线间隙均匀，具有较好的绕制质量。参考文献 高冲.电机定子自动绕线机的研发 浙江：浙江理工大学，：.宋辰亮，余振平，高景衡，等.用于绕线机的全数字张力控制系统研究 组合机床与自动化加工技术，（）：.，.，：.（收稿日期：）电气技术与经济 研究与开发