特種電機(jī)用繞線機(jī)控制系統(tǒng)摘要：本文以PLC為基礎(chǔ)、采用永磁交流伺服系統(tǒng)和文本顯示器，設(shè)計(jì)了特種電機(jī)用繞線機(jī)控制系統(tǒng)。針對(duì)特種電機(jī)的線圈繞制精密度高的特點(diǎn)，提出了繞制參數(shù)的任意調(diào)節(jié)方法，以及匝數(shù)設(shè)置規(guī)則，文件保存方式。采用交流伺服系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了繞線實(shí)時(shí)調(diào)速與精準(zhǔn)定位，而且提高了繞線的準(zhǔn)確性和生產(chǎn)效率?？刂葡到y(tǒng)具有高速、高精度、高穩(wěn)定，和較好的實(shí)用性，并且成本較低。該系統(tǒng)具有操作方便，滿足特殊塔式線圈的工藝性。關(guān)鍵詞：特種電機(jī)用繞線機(jī)；控制系統(tǒng)；PLC；伺服系統(tǒng)DesignofSpecialWindingMachineControlSystem(Xi'anUniversityofScienceandTechnology，Xi'an，710054，China)Abstract：ThisarticleisbasedonPLCandusingpermanentmagnetACservosystemwithtextdisplay,designedaspecialmotorwindingmachinecontrolsystem.Forcoilwindingfeaturesofspecialmotorinhighprecision,raisedarbitraryadjustmentmethodofwindingparameter,settingrulesofturns,andmodeofsavingthefile.Experimentalresultsshowthatthesystemnotonlytoachieveaspeedregulationofwindinginrealtimeandpositioningpreciselyimproves,also,theaccuracyandefficiencyofproductionofwinding,meanwhilecontrolsystemwithhighspeed,highprecision,highstability,andbetterusability,lowcostandeasytooperate,meetspecificTowercoiltechnology.Keywords：specialmotorwindingmachine；controlsystem；PLC；servosystem1引言隨著電機(jī)控制技術(shù)進(jìn)步，繞線自動(dòng)化程度的提高，電機(jī)繞組制造用繞線機(jī)已形成品種繁多龐大的市場［12］。通用繞線機(jī)由最初的手工繞制向半自動(dòng)繞線機(jī)，甚至是全自動(dòng)、高精度的方向發(fā)展。但對(duì)于某些特種電機(jī)而言［11］，線圈繞制還沒有非常合適的繞線機(jī)。為了適應(yīng)高效率、高穩(wěn)定性以及高精度控制的要求，本文設(shè)計(jì)了一種全新的特種電機(jī)用繞線機(jī)的控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)適用于各種型號(hào)的塔式銅芯式繞組的繞制。同時(shí)，針對(duì)線圈繞制工藝要求研制的特種電機(jī)用繞線機(jī)，其參數(shù)設(shè)置快捷、操作靈活、適合批量生產(chǎn)，既能提高生產(chǎn)效率，又能保證提高產(chǎn)品質(zhì)量。2系統(tǒng)構(gòu)成與硬件設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)構(gòu)成繞線機(jī)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，由圖可知系統(tǒng)由PLC、人機(jī)界面、伺服驅(qū)動(dòng)器、繞線模、編碼器等六部分組成，PLC為控制環(huán)節(jié)，人機(jī)界面根據(jù)需要選擇，主要是輸入輸出設(shè)置，參數(shù)設(shè)置等。伺服驅(qū)動(dòng)器與伺服電機(jī)可選用一體式結(jié)構(gòu)，電機(jī)編碼器除了向伺服驅(qū)動(dòng)器提供反饋信息外，還可將信號(hào)反饋給PLC，從而到人機(jī)界面輸出顯示，繞線模根據(jù)電機(jī)繞組的尺寸而設(shè)計(jì)，下面將各部分主要功能介紹如下。

減速比1/i人機(jī)界面圖1繞線機(jī)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)編碼器減速比1/i人機(jī)界面圖1繞線機(jī)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)編碼器2.2PLC設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)對(duì)PLC的要求主要有以下幾點(diǎn)：輸出脈沖和方向信號(hào)具有120kH以上運(yùn)行頻率，能夠控制伺服驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行；PLC輸出信號(hào)通過光耦控制伺服驅(qū)動(dòng)器；(3)配備文本顯示器作為人機(jī)操作界面，可改變參數(shù)設(shè)置與狀態(tài)顯示；能夠讀取位置反饋脈沖，120kH以上計(jì)數(shù)頻率；具有模擬量輸入口，輸入范圍0?10V,1/212以上的分辨率。通過對(duì)比西門子S7系列、三菱FX系列、A-BMicrologix系列，決定采用臺(tái)灣永宏公司的新款微型FBs系列PLC，不但可以滿足以上(1)、(2)要求，還具有以下顯著特點(diǎn)：0.33“s/順序指令的程序平均執(zhí)行時(shí)間；電源電壓100?240VAC或24VDC；程序容量可達(dá)20Kwords；(4)Windows編程界面，可在運(yùn)行中修改程序；4組32位元硬體高速計(jì)數(shù)器，具8種運(yùn)作模式(U/D,U/DX2,K/R,K/RX2,A/B,A/BX2,A/BX3,A/BX4)，計(jì)數(shù)頻率可達(dá)920KHz；5組0.1ms高速計(jì)時(shí)器，其中4組為32位元，1組為16位元；NC定位功能：單機(jī)最大4軸脈沖輸出，最高頻率可達(dá)920KHZ，并具3種運(yùn)作模式(U/D,K/R,A/B),NC定位程序可上傳后下傳至人機(jī)或上位機(jī)；機(jī)型齊全。有10點(diǎn)、14點(diǎn)、20點(diǎn)、24點(diǎn)、32點(diǎn)、40點(diǎn)、44點(diǎn)及60點(diǎn)主機(jī)及多種擴(kuò)充機(jī)/模塊；(9)體積超小,具有同檔次價(jià)格優(yōu)勢；通信速度可達(dá)921.6kbps,單機(jī)最多可達(dá)5個(gè)通訊口，支持多樣化通信接(RS232、RS485、USB、Ethernet等)對(duì)于要求(3),采用FBs自帶擴(kuò)展板單元，它相對(duì)于擴(kuò)展模塊價(jià)格較低。擴(kuò)展板單元FBS-B2A1D,兩路AI,0~10V,12位分辨率，可以滿足使用要求。PLC連接原理圖如圖2所示：

圖2PLC連接原理圖文本顯示器圖2PLC連接原理圖文本顯示器光電耦合蓋2.3伺服驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的要求主要有五點(diǎn)：（1） 精準(zhǔn)定位，根據(jù)繞線原理定位精度wo.l轉(zhuǎn)；（2） 功率500W以上，低速下能輸出恒定力矩；（3）運(yùn)行平穩(wěn)，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)要??；（4）體積小，效率高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快；（5）可調(diào)速運(yùn)行，轉(zhuǎn)速調(diào)整范圍為1?3000rpm。根據(jù)上述要求，經(jīng)充分論證后，決定采用高性能永磁交流伺服系統(tǒng)。在對(duì)比松下A5、A-BKinetix、安川工系列以及西微所JS系列，選用安川工-V伺服系統(tǒng)SGDV-5R5A01A/SGMJV-08AAA61.額定轉(zhuǎn)速3000rpm,最高轉(zhuǎn)速6000rpm,1KW功率輸出，速度頻率響應(yīng)可達(dá)1.6KHz。伺服電機(jī)的使用，在滿足轉(zhuǎn)矩要求的同時(shí)，要滿足慣量匹配的要求。根據(jù)工程用繞線模的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與折算至電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩公式：TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"J=￡MD^，T=￡GD（n<20） （1）4 f iji,j=1 i，j=1i=j i=j其中，J：繞線模的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg.m2），M:繞線模質(zhì)量（kg）,D:繞線模直徑（m），Tf:折算電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩（N?m）G：繞線模重力（N）。同時(shí)，從安川伺服驅(qū)動(dòng)器工-V系統(tǒng)樣本中的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性曲線可知：當(dāng)運(yùn)行轉(zhuǎn)速高于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，額定轉(zhuǎn)矩大于連續(xù)使用區(qū)域轉(zhuǎn)矩。因此，需要加3:1的減速機(jī)，才能與繞線模的慣量匹配，以及避免了轉(zhuǎn)矩過大而造成的電機(jī)運(yùn)行抖動(dòng)問題。在實(shí)際繞線時(shí)，轉(zhuǎn)速與使用的線徑有關(guān)，電機(jī)線徑較細(xì)時(shí)，繞線轉(zhuǎn)速可提高，轉(zhuǎn)矩降低。因此，可以使伺服電機(jī)運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速以上，在滿足使用要求的前提下，盡可能使用功率較小的伺服電機(jī)。2.4光電耦合器與A/D擴(kuò)展板的選用為提高繞線效率，本繞線機(jī)加裝電位器旋鈕調(diào)節(jié)電壓，調(diào)整范圍為0.15V?10V,以此來達(dá)到調(diào)速的目的，電位器調(diào)節(jié)輸出為模擬量信號(hào)，因此安裝A/D模塊就顯得完全有必要，然而，加裝A/D擴(kuò)展模塊將抬高成本，同時(shí)，本系統(tǒng)僅適用20個(gè)輸出端口中的2個(gè),A/D擴(kuò)展模塊是針對(duì)全部20個(gè)輸出端口Ml，如此一來將造成極大的浪費(fèi)和系統(tǒng)冗余，經(jīng)研究決定采用永宏P(guān)LC配套A/D擴(kuò)展板，擴(kuò)展板單元FBS-B2A1D,兩路AI,電壓調(diào)整范圍：0?10V,12位分辨率。繞線機(jī)繞線匝時(shí)系統(tǒng)要自動(dòng)計(jì)數(shù)，同時(shí)在模式旋鈕調(diào)至手動(dòng)檔時(shí)旋動(dòng)繞線模系統(tǒng)也要相應(yīng)計(jì)數(shù)，但由于伺服驅(qū)動(dòng)器輸出編碼器信號(hào)電壓為DC5V【18],即每繞一匝輸出5V電壓信號(hào)，PLC本身只能接受DC24V電壓信號(hào)[⑹，同時(shí)考慮到兩者之間的電磁干擾，所以設(shè)計(jì)光電耦合器來達(dá)到抗電磁干擾和電頻匹配之作用，其系統(tǒng)原理圖如圖3所示。文本顯示器選用繞線機(jī)對(duì)操作界面的主要要求是設(shè)置繞線參數(shù)和顯示繞線運(yùn)行狀態(tài)和匝數(shù)，配有手/自動(dòng)切換按鈕、調(diào)速旋鈕，啟動(dòng)、暫停、復(fù)位按鈕，加裝運(yùn)行與故障指示燈。選用觸摸屏，價(jià)格較高，采用文本顯示器在滿足使用要求的前提下，可以大幅度降低成本，最終選定上海松浩自動(dòng)化公司的BYD037L型文本顯示器。該文本顯示器屬于小型人機(jī)界面，它具有22個(gè)按鍵,其中31個(gè)功能鍵可自由定義，操作簡單，可替代部分控制柜上的機(jī)械按鍵；帶LED背光的STN-LCD顯示屏，只要有按鍵操作，LED背景燈點(diǎn)亮,持續(xù)60秒（缺省設(shè)置）,若以上沒有任何按鍵操作時(shí)，LED背景燈自動(dòng)熄滅；可顯示24X4行英文，或12X4行漢字；RS232/RS485/RS422任選，可直接連接PLC,同時(shí)支持多種通訊硬件接口，如西門子S7-200系列、歐姆龍C系列、三菱FX系列、三菱FX-485-BD模塊、松下FP系列、永宏FB系列、光洋S系列、莫迪康NEZA系列、富士SPB系列、臺(tái)達(dá)DVP系列、VIGOR系列、ABMicrologix1500、PLC、DANFOSS變頻器、MODBUSRTUSlave、MODBUSASCIISlave、自由協(xié)議等。而且其性能可靠，抗干擾能力強(qiáng)，適用于有強(qiáng)電磁干擾的工業(yè)控制現(xiàn)場，價(jià)位適中。因此，選用文本顯示器在滿足要求的前提下，可以大幅度降低設(shè)備成本。繞線模特種電機(jī)專用繞線模的典型結(jié)構(gòu)如圖4所示，采用塔式結(jié)構(gòu)銅芯式繞組，每個(gè)繞線模由不同直徑的槽疊裝組成，每個(gè)槽代表一個(gè)線圈，線圈形狀可采用矩形結(jié)構(gòu)和圓形結(jié)構(gòu)，以圓形為主，每個(gè)線圈直徑5?500mm不等。

圖4繞線模結(jié)構(gòu)圖3.軟件設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)軟件由人機(jī)界面和PLC兩部分軟件程序設(shè)計(jì)組成。人機(jī)界面的設(shè)計(jì)操作界面分主界面、參數(shù)設(shè)置、運(yùn)行顯示三個(gè)界面。在主界面中選擇要運(yùn)行的程序號(hào)，按【啟動(dòng)】鍵開始運(yùn)行，同時(shí)運(yùn)行指示燈亮。在運(yùn)行界面中，顯示當(dāng)前執(zhí)行的程序號(hào)、繞組數(shù)和匝數(shù)，同時(shí)對(duì)比顯示設(shè)置程序號(hào)、繞組和匝數(shù)。參數(shù)設(shè)置界面的設(shè)計(jì)，采用方便快速設(shè)置的方式?！緁】【/】按鍵設(shè)置程序號(hào)，【一】、【一】按鍵設(shè)置繞組數(shù)。在當(dāng)前程序號(hào)和繞組數(shù)下可以用數(shù)字鍵靈活設(shè)置匝數(shù)?？稍O(shè)置的程序號(hào)為0?99,繞組數(shù)為0?40,匝數(shù)為0?9999.PLC程序設(shè)計(jì)3.2.1PLC整體程序設(shè)計(jì)PLC程序?qū)崿F(xiàn)的功能是接收文本顯示器設(shè)置的參數(shù)并保存，運(yùn)行自動(dòng)繞制。繞線運(yùn)行中可暫停，切換到手動(dòng)。在手動(dòng)操作后，可繼續(xù)自動(dòng)執(zhí)行oPLC程序運(yùn)行的流程框圖如圖5。圖5PLC程序流程圖3.2.2PLC程序算法永宏FBs-20系列提供的算法較為簡單，僅包括加、減、乘、除和浮點(diǎn)運(yùn)算，且使用方便，易于掌握，計(jì)算精度較高，便于實(shí)現(xiàn)所需要求。根據(jù)控制要求，設(shè)計(jì)以下算法完成繞線任務(wù)。1．繞線算法當(dāng)系統(tǒng)讀取設(shè)定匝數(shù)信息后，系統(tǒng)通過檢測信號(hào)自動(dòng)完成繞線任務(wù)，但根據(jù)伺服電機(jī)基本運(yùn)行曲線［2］以及PLC內(nèi)部基本算法可知，若電位器旋鈕調(diào)至較大輸出時(shí)，將造成低匝數(shù)繞線響應(yīng)時(shí)間過短，系統(tǒng)將趨近于近似三角波。此時(shí)系統(tǒng)視之為非法，無法完成繞線任務(wù)，因而為彌補(bǔ)這一缺陷，令系統(tǒng)更好地完成繞線任務(wù)，采用如下算法給予解決。為便于計(jì)算，定義伺服參數(shù)一轉(zhuǎn)發(fā)出若干脈沖，從而完成一項(xiàng)繞組即可認(rèn)為需發(fā)出脈沖數(shù)多少。脈沖輸出數(shù)=（匝數(shù)X每轉(zhuǎn)輸出脈沖數(shù)L100）⑵2采用此法，系統(tǒng)可高效地、平穩(wěn)地完成任意匝數(shù)繞線任務(wù)。2．調(diào)速算法為了提高繞線效率，在執(zhí)行繞線任務(wù)時(shí)能夠?qū)崟r(shí)調(diào)速，安裝了電壓調(diào)速旋鈕，調(diào)節(jié)范圍0.15?10V,由于輸入電壓為模擬量信號(hào)，硬件部分加裝A/D擴(kuò)展板及光電耦合器來完成信號(hào)傳輸，軟件部分則通過模擬輸出擴(kuò)充版單元D4072來完成，其占用I/O資源為0?15100。因速度旋鈕與實(shí)際輸出速度并非1:1關(guān)系，若每轉(zhuǎn)定義發(fā)出1920個(gè)脈沖，若1分鐘僅轉(zhuǎn)1圈，那么每分鐘則發(fā)出32個(gè)脈沖，所以通過計(jì)算得一近似常數(shù)472（注：若采用3:1減速機(jī)常數(shù)為1416），即給定轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)化系數(shù)，使系統(tǒng)通過如下算法來調(diào)整速度旋鈕。速度輸出值=D4072X最高轉(zhuǎn)速設(shè)定值 ⑶4724.結(jié)論特種電機(jī)用繞線機(jī)控制系統(tǒng)采用先進(jìn)的永磁交流伺服系統(tǒng)［11］，可進(jìn)行高速，高精度繞制任務(wù)。采用經(jīng)濟(jì)型PLC可直接控制伺服系統(tǒng)，程序設(shè)計(jì)符合繞制工藝，方便快捷?？刂葡到y(tǒng)程序更改容易，與此同時(shí)成本相比較傳統(tǒng)的板卡加工控機(jī)控制而言大大降低，也減少了不必要的浪費(fèi)減少了系統(tǒng)冗余，提升了程序執(zhí)行效率?？刂葡到y(tǒng)程序更改容易，對(duì)于有其他特殊工藝要求的，可以通過PLC軟件調(diào)整實(shí)現(xiàn)特殊加工工藝。采用永宏FBs系列PLC，主機(jī)不需要拓展模塊可輸出四路脈沖信號(hào)控制四臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器或步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，組成功能更加強(qiáng)大的繞線機(jī)。因此本控制系統(tǒng)值得推廣應(yīng)用。同時(shí)，采用模塊化設(shè)計(jì)，拆裝方便，改進(jìn)和拓展空間較大，加之伺服驅(qū)動(dòng)器參數(shù)調(diào)節(jié)方便，使繞線工作更加人性化。參考文獻(xiàn)龔仲華等.交流伺服驅(qū)動(dòng)從原理到應(yīng)用[M].北京:人民郵電出版社.2010.舒志兵等.交流伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[M].北京:清華大學(xué)出版社.2006.SazawaM,OhishiK,KatsuraS.RobustHighSpeedPositionServoSystemConsideringCurrent&VoltageLimitationandLoadInertiaVariation[C].33rdAnnualConferenceoftheIEEEIndustrialElectronicsSociety,2007,322-327.WenbinGao,XinyingWang,BoYou.ThewindingmachinesystemoflargediameterFRPtank[C].IEEEInternationalConferenceonMechatronicsandAutomation,2009,1273-1278.BoYou,DeliJia,DongjieLi,ZhongcaiLi.ResearchanDdevelopmentonControlSystemofWindingMachineforFRPsand-fillingPipes[C].6thIEEEWorldCongressonIntelligentControlandAutomation,2006,7797-8001.ZhangXu,WangMingHong,DingDehong.ResearchonSpindleDriveControlSystemofHighSpeedWindingMachine[C].8thIEEEInternationalConferenceonElectronicMeasurementandInstrument,2007,3-4733-477.DrumeaA,BlejanM.Design,implementationandtestingofanelectrohydraulicsystemforautomatedwindingmachineforaluminumwirerods[C].IEEEInternationalConferenceonElectronics,computersandArtificialIntelligence(ECAI),2013,1-4Meng