协普®绕线机关于层绕式线圈绕线机漆包线张紧力控制系统的研究与设计

                             

   随着我国社会的发展与科技的进步，各行各业对高频高压类特殊电源的需求日益提升，高频高压电源生产制造中的主要核心工艺是层间绝缘式高压包线圈的绕制，而层间绝缘式高压包线圈绕制的技术水平依赖于线圈绕线机的技术水平。但目前，国内的层绕式高压包线圈绕线机自动化程度低，加工质量与生产效率差，且无法实现漆包线、绝缘带的自动排布；除此之外，漆包线张紧力控制技术落后，绝缘带绕制的过程中输送速度的加快、半径的变化以及绕制主轴的径向跳动与轴向窜动都会导致漆包线张紧力突然变化，致使层间绝缘式高压包线圈的匝与匝之间排偏离理想值，绕制的层间绝缘式高压包线圈质量低下。在此背景下，本公司着手研制高压包线圈绕线机及漆包线张紧力控制系统，主要研究内容如下：

首先分析层绕式高压包线圈绕线机的工艺过程，确定层绕式高压包线圈绕线机机械结构，并介绍漆包线张紧力控制相关概念；其次设计层绕式高压包线圈绕线机自动排线控制系统，研究排线滞后角度对层间绝缘式高压包线圈质量的影响，分析排线的轨迹。针对层绕式高压包线圈绕线机在漆包线绕制排列过程中对电机控制算法要求较高的特点，对多电机协同控制进行分析，并且结合项目实际需求选择参数进行 MATLAB 仿真并优化， 设计层绕式高压包线圈绕线机多电机协同控制方案；然后以层绕式高压包线圈绕线机绝缘层收放卷系统为研究对象，对系统机械模型进行动力学分析。

                     

引入模糊控制思想，结合漆包线张紧力控制理念设计模糊漆包线张紧力控制方案。选取控制参数，结合项目实际需求选择不同漆包线张紧力作为控制目标进行仿真， 并与传统 PID 控制方法进行比较， 验证方案可行性及其优势；最后进行绕线机硬件系统的设计与硬件的选型，介绍绕线机的软件环境， 并对层绕式高压包线圈绕线机进行软件设计，同时设计与系统相匹配的人机界面，方便操作人员的观察与控制。

通过对模糊漆包线张紧力系统仿真曲线的分析， 验证了基于模糊 PID 的漆包线张紧力控制系统对于绝缘带绕制过程中的漆包线张紧力波动能够迅速调节，绕制时放卷棍转矩、电磁制动棍转矩、主速度辐转速能使绝缘带漆包线张紧力的变化得到缓冲并补偿层间绝缘式高压包线圈的张紧力。通过对模糊PID 控制与传统 PID 控制的对比与分析， 验证了在稳态和加速阶段， 模糊 PID 控制方案比常规 PID 控制方案具有更快的整定时间和更低的稳态误差，系统在不同的参考漆包线张紧力和传送条件下能保持漆包线张紧力恒定。

近年来，随着我国科学技术和经济的快速发展，对高频高压类特殊电源的需求量越来越大，高压线圈作为高频高压类特殊电源系统的重中之重，其内部的层间绝缘式高压包线圈是重要组成部分，层间绝缘式高压包线圈中漆包线与绝缘带的绕制质量直接决定高频高压类特殊电源系统中高频高压电源工作可靠性， 而层间绝缘式高压包线圈绕制质量很大程度上依赖于层绕式高压包线圈绕线机性能的优劣，随着高频高压电源需求的大幅提升，对层绕式高压包线圈绕线机性能的要求越来越高。一台性能优良的层绕式高压包线圈绕线机应该满足安全性、智能化、高效率等控制要求，需要具备稳定性高的硬件设备和容易操作的软件 ， 漆包线张紧力控制等模组的性能也要有足够的设计冗余。 目前，我国的层绕式高压包线圈绕线机行业发展落后，智能化和稳定性较差，高端的层绕式高压包线圈绕线机设备主要依赖进口，进口的价格非常昂贵。在这种情况下，本公司深入研究层绕式高压包线圈绕线机具有极其重要的现实意义。

层绕式高压包线圈绕线机的卷材多数为金属漆包线与绝缘纸张，具有一定的弹性系数，卷材输送速度的加快以及卷棍半径的变化都会使绕线的漆包线张紧力随之改变， 恒漆包线张紧力控制则是保证系统稳定性的重要指标。 例如在层绕式高压包线圈绕线机收放卷过程中，收放卷棍角速度保持恒定，卷材半径的变化会产生漆包线张紧力的波动，张力过大会导致卷材变薄甚至断裂，漆包线张紧力过小会导致物料排布不均或产生褶皱， 影响高频高压电源绕组层间绝缘式高压包线圈的质量。 因此在层绕式高压包线圈绕线机生产工艺流程中， 漆包线张紧力控制的性能直接影响着高频高压电源的质量。与国外公司相比，现有的国产层绕式高压包线圈绕线机漆包线张紧力是通过机械摩擦方式产生，其漆包线张紧力不稳定，会造成所绕制的漆包线与绝缘带排布稀疏，层间绝缘式高压包线圈外径超差等缺陷。除此之外，我国国内层绕式高压包线圈绕线机整体发展水平较低，与欧美等发达国家相比，在加工质量与生产效率 等方面存在一定的差距。具体体现在如下几个方面 ：

一.排线布线、添加层间绝缘层以及端部绝缘层等工序时均需要采用人工操作。

二.在层绕式高压包线圈绕线机生产加工过程中 ， 开始绕线时电机 迅速启动， 绕制到边缘时电机需要反转并进行下一层的绕制，以此往复，漆包线张紧力波动大，导 致层间绝缘式高压包线圈不规律 ， 层间绝缘式高压包线圈质量差。

三．国内的绕线机机械结构简单， 无法绕制复杂的层间绝缘式高压包线圈。

综上分析可知，国外层绕式高压包线圈绕线机性能良好，但价格昂贵，国内层绕式高压包线圈绕线机发展较差且与国外相比缺少核心技术。在这种形势下，需要将先进的 技术应用在国内层绕式高压包线圈绕线机的自主研发中，同时对于制造出的高频高压电源绕线 机要提升其控制性能以便更好的应用于工业生产中。因此本公司结合国内外的先进技术，设计层绕式高压包线圈绕线机漆包线张紧力控制系统，对漆包线张紧力控制与排线控制技术进行研究，提升国内层绕式高压包线圈绕线机的核心竞争力。

 

层绕式高压包线圈绕线机是用来绕制高频高压电源绕组层间绝缘式高压包线圈的专用设备，已经在世界范围内得到了广泛的开发与应用。国外的层绕式高压包线圈绕线机起步早，经过多年的发展与研究， 已经形成了完整的层绕式高压包线圈绕线机体系。 在满足绕制层间绝缘式高压包线圈质量的同时，大大提高了层绕式高压包线圈绕线机的安全性与生产效率。尤其是欧美等国所研制的层绕式高压包线圈绕线机，机械结构完整、自动化程度高、绕线质量好、安全性能佳， 在全球范围内有很高的市场占有率。

                                      

欧美发达国家研制的自动层绕式高压包线圈绕线机可实现漆包线与绝缘带的同步缠绕，  其绕线精度高， 漆包线张紧力控制稳定， 生产效率高,在满足高速、高精、漆包线和绝缘纸带同时缠绕等加工需求后，又设计了排线系统，可根据层间绝缘式高压包线圈的结构对绕组的几何形状进行选择，并使用交流伺服电机为驱动核心，利用伺服电机的优良加速和定位性能 ， 达到准确控制供送线材的目的,具备较高的智能化和稳定的工作性能。

 

在漆包线张紧力的控制方面， 自上世纪 90 年代起，国外专业业界从业者研究了线材漆包线张紧力的影响因素， 并且研究了线材漆包线张紧力与收放卷轴的关系。进入 21 世纪以来， 更多业界从业者与专家开始对漆包线张紧力控制进行研究。并应用于层绕式高压包线圈绕线机上， 实现了在较大干扰下进行设备的轨迹跟踪控制。关且还设计了一种漆包线张紧力控制方案 ， 通过增加一个包括蓄能器和张紧装置的压扁机 ， 代替了传统的蓄能装置， 允许在一定的漆包线张紧力波动下改变绕制的速度， 并且不影响绕制质量。

 

其实我国于上世 纪 70 年代就开始了研制， 通过对国外层绕式高压包线圈绕线机的仿制以及众多业界从业者的探索与研究，使得我国的层绕式高压包线圈绕线机获得了快一定的发展，也取得一定的成果。但是由于国外对核心技术的垄断，使得我国层绕式高压包线圈绕线机行业与国外有着一定的差距，具体体现在制造工艺与控制方案等方面。

 

目前，国内层绕式高压包线圈绕线机行业主要落后于国外的在于绝缘带部分需要手动绕制，这使得缠绕制品的质量极大依赖于操作者的熟练程度，并且生产效 率低下。另一方面，国内对于绝缘带绕制过程中产生的漆包线张紧力扰动没有较好的控制方案， 这极大的影响绕制层间绝缘式高压包线圈的质量，因此研制出能自动排布漆包线与绝缘带且绕制绝缘带过程中漆包线张紧力恒定的控制系统对于层绕式高压包线圈绕线机的发展具有重要意义。

 

漆包线张紧力控制是层绕式高压包线圈绕线机设备控制的关键技术，漆包线张紧力控制不适宜严重影响层绕式高压包线圈绕线机绕制质量，当漆包线张紧力过小时会导致漆包线或绝缘带松弛、堆积、褶皱等一系统绕制缺陷，漆包线张紧力过大时会导致漆包线或绝缘带变形、拉伸过量、甚至断裂的问题。对于层绕式高压包线圈绕线机来说，漆包线张紧力控制的情况直接影响到高频高压电源绕组层间的致密性。

目前，漆包线张紧力控制主要有三种方案：手动漆包线张紧力控制、半自动漆包线张紧力控制和全自动漆包线张紧力控制。手动控制是在收放卷过程中人工分阶段（一般通过踩踏板的 形式）调节离合器、制动器的激磁电流以满足不同阶段的漆包线张紧力控制；半自动 漆包线张紧力控制是通过安装在卷轴的接近开关检测卷轴转速，并对当前卷径进行累 积计算，根据卷径变化引起电信号的变化调节漆包线张紧力；全自动漆包线张紧力控制是由张紧力检测器来直接测定线材漆包线张紧力，然后将漆包线张紧力数据转换成电信号放大反馈给控制器，通过该信号与控制器设定的漆包线张紧力值对比计算差值，最后控制执行器调节漆包线张紧力。

在上世纪八十年代，国内对于绕线机漆包线张紧力的控制大多采用手动控制，随着高频高压电源需求量的提升以及对产品质量要求的提高，这种方法逐渐被取代。 自本世纪开始，国内众多业界从业者对收放卷全自动漆包线张紧力控制系统进行深入研究并开发出不同的技术路线.

采用 PLC 接收漆包线张紧力反馈信号和传感器的模拟信号 ， 进一步控制细微漆包线的绕制速度 ， 并在漆包线绕制过程中控制准确、稳定。

针对非连续卷材在绕制过程中存在的工艺问题，通过 PID 算法实现了非连续卷材的缠绕。

针对三轴纤维绕线 机中存在的线偏转与振动问题，开发恒漆包线张紧力控制系统，并加入了智能算法对绕线参数进行调节及优化 ， 提升了三轴纤维绕线机的加工质量。

针对绕线机中的漆包线张紧力调节系统进行研究，为了满足绕线过程中线材漆包线张紧力波动要求，采用摆杆式漆包线张紧力调节机构，在摆杆的末端加装精密的角度 编码器，实时反馈摆杆的位置，通过这种方式调节线材漆包线张紧力，配合绕线轴工 作， 并采用变形的PID 控制算法， 对参数进行整定及优化， 经实验验证， 绕线机绕线效果良好。

 

然而，由于高频高压电源绕制设备机械结构的复杂性和众多影响因素，在不同情况下漆包线张紧力控制系统存在很强的非线性与耦合性，这仍然是层绕式高压包线圈绕线机设备控制的难点。对于层绕式高压包线圈绕线机来说，恒漆包线张紧力控制是保证绕线质量的重要指标。因此，研究开发适用于工业生产的恒漆包线张紧力控制系统对层绕式高压包线圈绕线机行业具有现实意义。

本公司通过对国内外层绕式高压包线圈绕线机研究现状的分析，针对国内高频高压电源绕线机漆包线张紧力控制技术落后以及自动化程度低等问题，设计层绕式高压包线圈绕线机漆包线张紧力控制系统。该系统能够使漆包线与绝缘带自动排线，并对绝缘带进行精准的张紧力控制，本公司的主要研究内容包括以下几个方面：

一，层绕式高压包线圈绕线机自动排线系统的设计。分析层绕式高压包线圈绕线机的生产与加工过程，并结合层绕式高压包线圈绕线机机械结构对排线系统方案进行设计，研究排线滞后角度对层间绝缘式高压包线圈质量的影响，分析排线的轨迹。针对层绕式高压包线圈绕线机在排线过程中对电机控制算法要求较高的特点，对多种多电机协同控制结构进行分析，结合项目实际需求选择参数进行 MATLAB 仿真， 选择最佳的算法， 并设计绕线机多电机协同控制方案。

二，层绕式高压包线圈绕线机漆包线张紧力控制系统的设计。以层绕式高压包线圈绕线机绝缘层收     放卷系统为研究对象，对系统的机械模型进行数学建模，并通过对其数学逻辑及控制原理、各种收放卷模式的特点进行研究， 设计模糊 PID 控制方法实现对系统的漆包线张紧力控制。结合项目实际需求选择不同漆包线张紧力作为控制目标进行MATLAB 仿真实验， 并与传统 PID 控制方法进行比较， 验证系统的可行性及其优势。

三，层绕式高压包线圈绕线机的软硬件设计。设计层绕式高压包线圈绕线机硬件系统，进 行硬件选型以及信号点表的统计。并针对排线控制与漆包线张紧力控制系统，设计软件流程图。最后设计绕线机人机界面方便操作人员进行观察与控制。

 

在高频高压电源绕组层间绝缘式高压包线圈的结构中，需要在漆包线层与漆包线层之间留有绝缘间隙，然后在绝缘间隙中排布绝缘纸带，这层绝缘纸带称之为绝缘层。因此高频高压电源绕组层间绝缘式高压包线圈通常是分层缠绕的，尤其是高频高压电源高压绕组的层间绝缘式高压包线圈，导体通常是横截面较小的铝或铜，漆包线之间都用层间绝缘纸分层缠绕，漆包线层的两端也需要绝缘带的填充。这使得层绕式高压包线圈绕线机的工艺区别于一般的绕线设备。

 

   首先漆包线放卷并通过漆包线绕制机构送至主轴模架，在漆包线传输的过程中 摆动棍调整漆包线漆包线张紧力与速度耦合，主轴电机驱动主轴将漆包线缠绕在主轴模架上。然后绝缘带开始放卷并通过绝缘带绕制机构送至主轴模架，在绝缘带传输的过程中绝缘带绕制机构中的多个卷棍相互配合共同调整绝缘带漆包线张紧力。最后在高频高压电源主轴上通过多个电机协同驱动排线轴、主轴、漆包线与绝缘带的放卷辗进行第一层漆包线与绝缘带的绕制与排线，在第一层层间绝缘式高压包线圈绕制完毕，控制漆包线部分的电机反转，进行下一层层间绝缘式高压包线圈的绕制。

 

对于层绕式高压包线圈绕线机来说，漆包线张紧力控制的情况直接影响到高频高压电源绕组线层间的致密性。在实际项目中，机械加工精度、传感装置性能、控制系统是否闭环、控制器的漆包线张紧力控制功能是否完善等因素对漆包线张紧力控制的影响较大，不同因素对漆包线张紧力的影响各不相同。 在层绕式高压包线圈绕线机生产过程中 ， 漆包线张紧力控制的影响因素如下：

一．卷径变化： 在高频高压电源绕 线机收放卷的过程中， 卷辐半径会实时改变，如果卷棍的角速度保持不变，卷径变小时漆包线张紧力会增大，卷径变大时漆包线张紧力  会减小。

二．收放卷轴在启停、加减速时的漆包线张紧力波动： 层绕式高压包线圈绕线机在 生产过程中会频繁的对轴进行启停与加减速操作，这会引起漆包线张紧力的连续性波动，需要 通过收放卷棍的转速与漆包线张紧力机构对漆包线张紧力进行调整。

三．绕线机制造与装配精度 ：  绕线机的制造精度对漆包线张紧力控制的影响很大，棍筒的变形程度、轴承的安装精度、各旋转部件的动平衡处理，关键零 部件的转配精度等。 只有当层绕式高压包线圈绕线机设备的制造水平达到一定的精度，控制器才会对漆包线张紧力的稳定产生明显效果。

四.电机的正反转： 在层绕式高压包线圈绕线机中 ， 由于层绕式高压包线圈绕线机绕制层间绝缘式高压包线圈的特点需要对主轴电机进行频繁的正反转操作，这会产生大的漆包线张紧力扰动，因此 需要选择稳定性高，响应速度快的电机作为执行机构。

五．硬件性能： 漆包线张紧力传感器是漆包线张紧力控制过程中的重要硬件 ， 在层绕式高压包线圈绕线机中主要用于获取绕制与排线过程中漆包线与绝缘带的漆包线张紧力数据，控制器与 漆包线张紧力机构是调整漆包线张紧力的主要器件，这些装置的性能对整个层绕式高压包线圈绕线机设备控制系统的影响非常大，具体体现在：稳定性能、响应速度、位置精度、效率特性等。

在层绕式高压包线圈绕线机自动排线的过程中，为了实现层间绝缘式高压包线圈匝与匝之间的紧密排列、分层排布，这就需要排线控制技术与多轴控制技术的紧密配合。我们首先将对排线控制系统方案进行设计，并对排线滞后角度与排线轨迹进行研究；然后对多电机协同控制算法进行比较分析，选择最佳控制算法；最后设计绕线机多电机协同控制方案。

 

在层绕式高压包线圈绕线机的排线过程中，排线机构与绕线位置的相对调整以及排线滞后角度的准确控制都是保证绕制线层致密性的关键因素。我们将研究排线机构的工作原理，设计绕线机自动排线控制方案，并对排线滞后角度与排线轨迹进行研究。

 

层绕式高压包线圈绕线机的主轴上装有精度较高的旋转编码器, 用于对高频高压电源绕线 机运转时主轴的旋转角度进行测量，并将检测到的数据经放大传输到控制器中，控制器经过精细处理后，发送脉冲信号给排线电机，以此来驱动排线机构，使主轴与排线机构的转速一 致，实现卷绕和排线的速度耦合。

在层绕式高压包线圈绕线机设备中，漆包线的漆包线张紧力控制由漆包线机构收放卷辐与摆动辗 共同控制，绝缘纸带的漆包线张紧力控制由绝缘带机构收放卷辗、电磁制动辗与主速 度棍加以控制。在层绕式高压包线圈绕线机实际绕线的过程中，绕线机的漆包线机构与绝 缘带机构需要在漆包线与绝缘带传输过程中保持漆包线张紧力恒定，并在漆包线与绝缘带 传输到主轴时与排线机构相互配合共同在主轴上排布线层。绕线机排布线层的过程中，除了需要各器件的紧密配合，还需要对编码器反馈的信号进行处理。

在自动排线控制方案中，主控制器通过驱动模块控制电机组协同运作， 电机组控制漆包线与绝缘带绕制机构，主轴与排线机构相互配合在主轴空间范 围内做 X、Y、Z 轴的平移并同时分层绕 制漆包线与绝缘带。最后通过编 码器实时反馈层间绝缘式高压包线圈绕制层数、层间绝缘式高压包线圈绕制总长度、排线滞后角度、空间位置等数据，并按控制算法逻辑执行各轴加减速调整，从而保证自动排线系统的精确性。

排线滞后角度是影响绕线机排、布线的关键因素，在层间绝缘式高压包线圈绕制的过程中，排线滞后角度过大会引起漆包线漆包线张紧力在纵轴方向的分力大于线径间支待力和摩擦力， 导致线材紧绷甚至断裂或跳线；排线滞后角度过小会引起漆包线上漆包线张紧力在纵轴方向 的分力过小, 导致层间绝缘式高压包线圈匝与匝之间间隙过大。因此要得到紧密排布的层间绝缘式高压包线圈， 需要限定排线滞后角度的变化范围。

 

层绕式高压包线圈绕线机的自动排线过程对电机控制算法的要求较高。高频高压电源绕线 机要实现绕制过程中绕线与排线的紧密配合，排线滞后角度和排线轨迹的精确控 制，以及层间绝缘式高压包线圈的紧密排布都需要严谨的控制逻辑与同步率高、误差小、响应 速度快的电机控制算法。因此需要各轴电机进行协同操作，驱动各执行机构 互相配合， 共同完成高频高压电源层间绝缘式高压包线圈的全自动绕制与排布。 我们分析了市面上常见的几种多电机协同控制结构，提供参数模拟环境，进行MATLAB 仿真， 通过比较选择最佳电机协同控制算法， 并设计层绕式高压包线圈绕线机多电机协同控制方案。

我们完成了对层绕式高压包线圈绕线机自动排线系统的设计，分析了排线滞后角度的最 佳范围，并详细研究层绕式高压包线圈绕线机运行时的绕线轨迹。由于层绕式高压包线圈绕线机在排线过程中对电机控制算法的要求较高，对几种多电机协同控制算法进行比较分析， 结合项目实际需求选择实验参数进行 MATLAB 仿真实验， 验证了偏差耦合控制算法具有同步误差小，响应速度快等优势，并基于偏差耦合控制设计了绕线机多电机协同控制方案。

    本公司在层绕式高压包绕线机方面所给出的研究成果并不限于实验室，所研发的层绕式高压包线圈绕线机不但经过样机测试，而且已投放市场并得到一致肯定，打破了国外对核心技术的垄断，实现了全自动层绕式高压包线圈绕线机技术的自主掌控。