牽引變壓器線圈繞制機控制系統的設計

2012-02-20 08:49:18李西寧符曉輝

裝備制造技術 2012年5期

李西寧，符曉輝

（西安啟源機電裝備股份有限公司，陜西西安 710018）

隨著國內電氣化鐵路和城市地鐵的快速發展，對牽引變壓器的需求越來越大。但是牽引變壓器中的線圈工藝比較復雜，過去其自動繞制機大多依靠進口，嚴重制約了產能的擴大。為此，西安啟源機電裝備股份有限公司和北車大同ABB牽引變壓器有限公司合作，研制開發了牽引變壓器線圈繞制機，實現了裝備的國產化，滿足了行業發展的需求。

1 設備描述

本設備機械部分由主機和放線車兩大部分組成。其中主機包括：主軸、排線裝置、聚酯排線裝置及尾座，放線車包括：6個兩組放線軸、放線車平行移動裝置。

圖1 線圈繞制機側視簡圖

設備進行繞制時，線盤安放在放線軸上，線纜首先通過一系列的張力控制部件，最后經排線裝置引導，并纏繞在固定于主軸的繞線模之上。隨著主軸的旋轉，排線裝置和放線車同時根據線纜寬度平行隨動，直至線圈當前層匝數完成。接著線圈升層，平行移動換向，繼續繞制直至線圈本段完成。

繞制過程中，線圈的品質主要取決于以下3個方面：

（1）主軸旋轉計數。決定線圈繞制的匝數精度。

（2）排線裝置及放線車平行隨動。決定線圈線纜排布的均勻性和緊密性。

（3）線纜張力控制。決定線圈層間緊密程度從而保證線圈外徑的尺寸精度。

2 控制系統的構成

本設備的控制系統，主要部件均采用歐姆龍公司SYSMAC CJ2系列的產品：選用CJ2H作為中央處理單元，其首先采集NS觸摸屏中操作人員輸入的線圈參數，計算并控制主軸進行旋轉繞制。然后利用高速計數單元CT021記錄主軸變頻器回饋的主軸電機編碼器信號，處理并計算后通過定位控制單元NC434對排線裝置伺服、聚酯裝置伺服、放線車移動伺服進行隨動控制。

3 主要控制功能的設計

3.1 主軸電機編碼器信號分配

為了保證主軸旋轉控制的高效性和準確性，主軸電機編碼器的信號需要同時分別傳送至3處：主軸變頻器，用以實現變頻器的矢量控制；高速計數單元，用以計算主軸旋轉的圈數；定位控制單元，用來作為伺服裝置進行跟隨運動的目標信號。

由于以上3個部件的輸入電流，均分別為10 mA、11 mA、10 mA，總和超過了編碼器輸出電流20 mA的上限，采取編碼器直接并接3路輸出的方案，是不可行的。

因此本設備采用了安川H1000系列作為主軸變頻器，利用其編碼器PG接口卡帶有一路脈沖分頻輸出的功能，使得變頻器在接受主軸電機編碼器輸入的同時，可按設定比例將脈沖進行輸出。

最終的方案如圖2所示。主軸電機編碼器并接兩路輸出：一路連接至定位控制單元；另一路連接至主軸變頻器，并通過PG卡輸出至高速計數單元。

圖2 控制系統簡圖

3.2 排線裝置及放線車平行隨動控制

在繞線過程中，隨著主軸的旋轉，排線裝置需要根據輸入的線纜寬度和指定的左右方向，進行精確的軸向跟隨運動，以保證線纜排布得均勻、緊密。同時放線車也需要以同樣的比例隨動，保持和排線裝置的平行，使得線纜保持始終保持平直，以防止在移動過程中線纜受到側向的拉力，導致變形或影響張力。

為了實現以上的控制過程，一般的方法是通過高速計數單元，采集固定時間片中的主軸電機編碼器脈沖數量，從而計算出主軸電機此時間片中的平均速度，進而通過此速度控制伺服裝置的隨動。這種采樣計算的方法，在伺服軸進行加速和減速運行時，很容易導致控制的滯后和不準確，進而影響到排線的效果，有時甚至可能產生線纜相互摩擦，使得線纜絕緣破壞的現象，嚴重影響線圈的品質。

針對這些問題，本設備采用了NC434定位控制單元。此部件與CJ2H中央處理單元一起使用時，可以對伺服軸進行電子齒輪同步控制。即在定位控制單元中，設置好目標軸、跟隨軸和比例，利用系統功能塊激活電子齒輪功能時，系統將控制跟隨軸嚴格的根據設定比例，隨著目標軸進行運動。由于這種同步控制，都是由系統通過對伺服軸的輸入輸出脈沖進行高速處理來實現的，處理的最快周期達到了1 ms，所以可以保證在目標軸和跟隨軸無論在加速、減速還是在勻速時，都精確地按比例運行，從而保證了設備控制的實時性和高精度。

實際方案中，將主軸電機編碼器信號在定位控制單元中配置為外部編碼器軸，將排線裝置伺服配置為軸1，將放線車移動伺服配置為軸3，如圖3所示。其中軸2為聚酯裝置伺服，不參與同步控制。