牵引变压器线圈绕制机控制系统的设计

2012-02-20李西宁符晓辉

装备制造技术 2012年5期

李西宁，符晓辉

（西安启源机电装备股份有限公司，陕西西安 710018）

随着国内电气化铁路和城市地铁的快速发展，对牵引变压器的需求越来越大。但是牵引变压器中的线圈工艺比较复杂，过去其自动绕制机大多依靠进口，严重制约了产能的扩大。为此，西安启源机电装备股份有限公司和北车大同ABB牵引变压器有限公司合作，研制开发了牵引变压器线圈绕制机，实现了装备的国产化，满足了行业发展的需求。

1 设备描述

本设备机械部分由主机和放线车两大部分组成。其中主机包括：主轴、排线装置、聚酯排线装置及尾座，放线车包括：6个两组放线轴、放线车平行移动装置。

图1 线圈绕制机侧视简图

设备进行绕制时，线盘安放在放线轴上，线缆首先通过一系列的张力控制部件，最后经排线装置引导，并缠绕在固定于主轴的绕线模之上。随着主轴的旋转，排线装置和放线车同时根据线缆宽度平行随动，直至线圈当前层匝数完成。接着线圈升层，平行移动换向，继续绕制直至线圈本段完成。

绕制过程中，线圈的品质主要取决于以下3个方面：

（1）主轴旋转计数。决定线圈绕制的匝数精度。

（2）排线装置及放线车平行随动。决定线圈线缆排布的均匀性和紧密性。

（3）线缆张力控制。决定线圈层间紧密程度从而保证线圈外径的尺寸精度。

2 控制系统的构成

本设备的控制系统，主要部件均采用欧姆龙公司SYSMAC CJ2系列的产品：选用CJ2H作为中央处理单元，其首先采集NS触摸屏中操作人员输入的线圈参数，计算并控制主轴进行旋转绕制。然后利用高速计数单元CT021记录主轴变频器回馈的主轴电机编码器信号，处理并计算后通过定位控制单元NC434对排线装置伺服、聚酯装置伺服、放线车移动伺服进行随动控制。

3 主要控制功能的设计

3.1 主轴电机编码器信号分配

为了保证主轴旋转控制的高效性和准确性，主轴电机编码器的信号需要同时分别传送至3处：主轴变频器，用以实现变频器的矢量控制；高速计数单元，用以计算主轴旋转的圈数；定位控制单元，用来作为伺服装置进行跟随运动的目标信号。

由于以上3个部件的输入电流，均分别为10 mA、11 mA、10 mA，总和超过了编码器输出电流20 mA的上限，采取编码器直接并接3路输出的方案，是不可行的。

因此本设备采用了安川H1000系列作为主轴变频器，利用其编码器PG接口卡带有一路脉冲分频输出的功能，使得变频器在接受主轴电机编码器输入的同时，可按设定比例将脉冲进行输出。

最终的方案如图2所示。主轴电机编码器并接两路输出：一路连接至定位控制单元；另一路连接至主轴变频器，并通过PG卡输出至高速计数单元。

图2 控制系统简图

3.2 排线装置及放线车平行随动控制

在绕线过程中，随着主轴的旋转，排线装置需要根据输入的线缆宽度和指定的左右方向，进行精确的轴向跟随运动，以保证线缆排布得均匀、紧密。同时放线车也需要以同样的比例随动，保持和排线装置的平行，使得线缆保持始终保持平直，以防止在移动过程中线缆受到侧向的拉力，导致变形或影响张力。

为了实现以上的控制过程，一般的方法是通过高速计数单元，采集固定时间片中的主轴电机编码器脉冲数量，从而计算出主轴电机此时间片中的平均速度，进而通过此速度控制伺服装置的随动。这种采样计算的方法，在伺服轴进行加速和减速运行时，很容易导致控制的滞后和不准确，进而影响到排线的效果，有时甚至可能产生线缆相互摩擦，使得线缆绝缘破坏的现象，严重影响线圈的品质。

针对这些问题，本设备采用了NC434定位控制单元。此部件与CJ2H中央处理单元一起使用时，可以对伺服轴进行电子齿轮同步控制。即在定位控制单元中，设置好目标轴、跟随轴和比例，利用系统功能块激活电子齿轮功能时，系统将控制跟随轴严格的根据设定比例，随着目标轴进行运动。由于这种同步控制，都是由系统通过对伺服轴的输入输出脉冲进行高速处理来实现的，处理的最快周期达到了1 ms，所以可以保证在目标轴和跟随轴无论在加速、减速还是在匀速时，都精确地按比例运行，从而保证了设备控制的实时性和高精度。

实际方案中，将主轴电机编码器信号在定位控制单元中配置为外部编码器轴，将排线装置伺服配置为轴1，将放线车移动伺服配置为轴3，如图3所示。其中轴2为聚酯装置伺服，不参与同步控制。