□ 樊小波 □ 姚运萍

兰州理工大学 机电工程学院 兰州 730050

各种电磁线圈已应用于人们生活的方方面面，这也导致了绕线机朝着高效率、高精度及高产量的方向发展。如今，各种新型、高速、高精度专用绕线机已经出现，但对于线径较粗的异形线圈的绕制，仍然停留在手工绕制的方式。手工绕制方式效率低，劳动强度大。绕线过程中，由于手工控制力的不确定性，使线圈绕制精度不高，绕组导线的张力得不到有效控制。

本文旨在设计一种适合于此类绕组导线的张力系统，在满足生产要求的前提下，保证绕组导线的张力始终保持恒定，避免外部干扰引起的张力抖动。

1 张力控制系统结构

▲图1 张力控制系统的结构图

本文所设计的张力控制装置如图1所示。该装置的工作流程为：线盘上的绕组导线通过牵引辊，使其以一定的速度通过张力检测装置，张力检测装置将检测到的信号发送到信号放大器，信号被放大后传送到张力控制器，控制器综合给定张力和反馈张力栓测得到的实际张力信号，再输出控制信号，通过开关电路控制磁粉制动器的驱动电流,从而控制与制动器相连接的辊轴,形成张力闭环系统。在绕组导线张力被控制在恒定值之后，导线通过上下导辊和侧向导辊传送到机械手，再由机械手将导线绕制在线圈模具上。其中，牵引辊的侧视图如图2所示，导线紧贴上下两个压辊，动力输入端连接磁粉制动器，驱动牵引辊产生制动力矩，在绕线时使导线处于恒拉力状态。

2 磁粉制动器

磁粉制动器是根据电磁原理并利用磁粉来传递转矩，其传递的转矩与激磁电流基本成线性关系,如图3所示。因此，只要改变激磁电流的大小，便可轻易地控制转矩的大小。正常情况下，在5%至100%的额定转矩范围内，激磁电流与其传递的转矩成正比例线性关系［3］。

▲图2 牵引辊侧视图

▲图3 磁粉制动器动特性

▲图4 磁粉制动器静特性

▲图5 张力检测装置局部放大图

▲图6 导线弹性变形处的受力分析

当激磁电流保持不变时，其传递的转矩不受主动件与从动件之间差速（滑差转速）的影响，即静力矩与动力矩无差别,如图4所示。因此可以稳定地传递恒定转矩。此特性若运用于张力控制，则用户只需调节激磁电流的大小，便能准确控制并传递所需转矩，从而简便、有效地达到控制绕组导线张力的目的［3］。

3 张力检测装置

压力的精确检测是实现恒张力自动控制的关键,对于压力这种非电量的测量，其基本思路就是将现场由压力引起的电气或者物理参数的变化转变为与之对应的电信号的输出,从而实现对现场压力值的测量。

张力传感器检测绕组导线的张力和速度，张力控制器修正控制张力［4］，从而实现张力闭环控制,张力PID控制器的输出作为速度的修正值叠加在基准速度上。

张力传感器基于这样一个原理：弹性体在外力作用下产生弹性变形，使黏贴在它表面的电阻应变片（转换元件）也随之产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电阻值变化转换为电信号（电压或电流），从而完成将外力变换为电信号的过程。

张力检测装置的局部放大图如图5所示，当导线通过导向辊和测压辊时会产生微小的弹性变形，测压辊准确检测到导线上张力的波动，并将其转换为电信号后传递给信号放大器，最后由张力控制器传递电流信号控制磁粉制动器的转矩，以此达到控制绕组导线张力恒定的目的。

图6所示为绕组导线经过测压辊时的弹性变形受力情况，图中G为导线自身的重力；F为张力测试辊对于导线向上的反弹力；T为导线的张力；f为导线对于测压辊的反弹力。x为导线偏移初始位置的位移量；θ为导线张力T和重力G之间的夹角。

根据力的平衡条件，由图6可得：

设导线的弹性系数为k，则：

▲图8 张力闭环控制系统流程图

反弹力F的微分方程：

式中：m为导线质量；t为时间（t≥0）；E为弹性模量。

对式（3）进行拉氏变换，得：

式中：s为拉普拉氏因子；X（s）为 x（t）的拉氏变换。

传递函数：

由此可得导线的张力为：

4 张力控制系统

张力控制系统框图如图7所示，主要由单片机C8051F040、张力检测电路、驱动电路等组成。单片机集成A/D、D/A转换器。键盘和显示界面是人机交流部分：键盘用来输入张力的设定值、PID参数，显示界面显示导线张力和电机的运行情况［1］。

图8所示为张力闭环控制系统流程图。在张力闭环控制中,由压力传感器采集到张力值，经过计算得到反馈值并与设定值进行比较,其差值经PID控制算法进行处理，修正单片机输出值，并通过执行机构控制磁粉制动器,以达到设定张力［11］。

PID 控制即为比例控制（P）、积分控制（I）和微分控制（D）组合的控制方法，该控制方法就是对偏差信号进行比例、积分和微分运算变换后形成的一种控制规律，即：

式中：Kpε（t）为比例控制项，Kp为比例系数；dτ为积分控制项，Ti为积分时间常数；ε（t）为微分控制项，Td为微分时间常数。

PID控制可以方便灵活地改变控制策略，实施P、PI、PD或PID控制。

5 结论

本文介绍的异形线圈绕线机张力控制装置可以有效地控制绕组导线张力的恒定。由于磁粉制动器的传递转矩与激磁电流基本成线性关系，所以控制其激励电流，就能有效控制导线的放线速度。

［1］ 黄祥源.基于积分分离PID算法的张力控制器的设计［J］.工业控制计算机,2011（5）:36-38.

［2］ 肖宝平,单越康.一种实用恒张力控制系统的研究［J］.中国计量学院学报,2006（4）:277-280.

［3］ 张光荣.磁粉离合器和磁粉制动器的结构、性能及选用［J］.机电工程技术,2004（10）:77-79.

［4］ 王勋志.分条机张力控制系统研究及实现［D］.长沙：中南大学,2013.

［5］ 李毅梅.基于PLC的多头并绕机恒张力控制系统［J］.机电产品开发与创新,2008（4）:152-153.

［6］ 杨涛,王启江,康海霞,等.基于PLC绕线机控制系统设计［J］.组合机床与自动化加工技术,2005（8）:58-59.

［7］ 刘小勇.一体化电机转子绕线机器人研究［D］.西安：西安理工大学,2004.

［8］ 刘君怀,黄启荣.异型线圈矫形装置的研发与应用［J］.涟钢科技与管理,2011（4）:49-51.

［9］ 林锦实.基于PLC的绕线机自动控制系统 ［J］.机电工程技术,2009（4）:48-50.

［10］易晓波.电机线圈绕制新型拉紧装置的设计［J］.电机与控制应用,2009（6）:58-59.

［11］刘兆峰,张永坚,陈兆柱.单片机张力控制系统的研制和控制方法的探讨［J］.中华纸业,2011（4）:92-94.