CN111091965A - 一种不规则超导磁体线圈绕线控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种不规则超导磁体线圈绕线控制装置，包括控制系统以及与控制系统连接的收放卷系统、检测系统、换层移动平台、压线装置和人机界面，还公开了其控制方法，通过保持线圈绕制过程中线材收卷速度与放卷速度的差值相对恒定和压线装置作用于绕制线材的压力恒定，实现对超导线圈绕制过程中线材张力和线圈贴合紧密度的控制；该控制装置提供的特殊恒张力控制方法，可提高特殊形状特殊材料线圈绕制的成功率。

Description

一种不规则超导磁体线圈绕线控制装置及方法

技术领域

本发明涉及一种不规则线圈的绕线控制装置及方法，用于特殊形状的恒张力磁体线圈绕线控制，如超导磁体的绕线控制领域等。

背景技术

超导线材是一种扁平带状结构的脆性材料，折损后无法恢复原态，将影响整个磁体的性能指标，因此，超导磁体线圈绕制过程中线材的弯曲半径不能太小。同时，绕制过程中线材上的张力必须合适并保持恒定。张力过大可能导致线材内部受损，甚至出现断裂；张力过小会导致线圈紧密贴合度不高，也可能出现堆积折损，从而降低磁体的整体导流和导热性能。

作为超导装备的核心部件，超导磁体绕制质量的好坏直接影响超导装备的整体性能指标和使用寿命。超导磁体特殊的工作环境(低温、强磁场)和超导线材的特殊性决定了超导磁体线圈绕制工艺的特殊性，对线圈绕制过程中的张力控制和线圈贴合紧密度指标要求非常高。

目前，国内外在超导磁体线圈绕制控制方法方面的研究相对较少。2012年，中船重工集团公司第七二五研究所提出了“一种恒张力无损超导绕线装置及绕线方法”，其采用卧式安装的绕线装置，通过放线盘主轴的扭矩换算得到张力。该方式检测出的张力误差较大，张力控制精度不高，从而影响磁体线圈的匝间贴合紧密度。

市场上主流的恒张力控制绕线设备，均主要用于控制规则形状(如圆形，转动一圈的半径固定)的磁体线圈绕制，无法满足跑道型(转动一圈的半径变化较大)等特殊形状磁体线圈绕制的需求。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种不规则超导磁体线圈绕线控制装置及方法，可有效解决特殊形状超导磁体线圈绕制过程中遇到的问题。

为达到上述技术目的，本发明提供一种不规则超导磁体线圈绕线控制装置，包括控制系统以及与控制系统连接的收放卷系统、检测系统、换层移动平台和压线装置；所述的控制系统作为绕线装置的控制核心，主要负责数值计算与恒张力控制算法的实现等功能，完成数值计算和恒张力控制算法的实现，调整收放线系统的运行参数，同时根据控制算法控制压线装置，实现超导线在绕制的过程中导线与导线间松紧度恒定；所述的收放卷系统包括放卷装置、导线轮和收卷装置，所述的放卷装置由放卷伺服驱动器、放卷伺服电机、减速机和超导线材放线盘组成，放卷伺服驱动器驱动放卷伺服电机进行超导线材放卷，所述的收卷装置由收卷伺服驱动器、收卷伺服电机和减速机组成，收卷伺服驱动器驱动收卷伺服电机进行超导线材收卷；所述的检测系统包括张力传感器和张力变送器，用于采集超导线材张力，并将张力变换为电压信号传送给控制系统进行计算处理，同时实时检测被绕制线缆的张力；所述的换层移动平台由换层移动平台驱动器和换层移动平台步进电机组成；所述的压线装置由压线控制器、两轴步进电机驱动器和两轴步进电机等组成，压线控制器控制步进电机驱动器驱动两轴步进电机实现压线功能；所述的控制系统上还连接有人机界面，用于接收操作人员控制指令和参数设置，并显示装置运行数据。

本发明还提供一种上述绕线控制装置的绕线控制方法，主要通过保持线圈绕制过程中线材收卷速度与放卷速度的差值相对恒定和压线装置作用于绕制线材的压力恒定，实现对超导线圈绕制过程中线材张力和线圈贴合紧密度的控制。

进一步，绕制跑道型超导磁体线圈时，包括如下步骤：通过保持收放卷系统的放卷伺服电机转速不变，对超导线材张力进行PID闭环调节，输出控制量实时调整收放卷系统的收卷伺服电机的转速，实现线圈绕制过程中线材收卷速度与放卷速度的差值相对恒定；保持压线装置作用于线材的压力恒定：压线装置通过规划线材与特殊型线圈的接触点运动轨迹，同时对压线装置的驱动转矩进行PID闭环控制，保证压线装置作用于线材的压力恒定。

更进一步的步骤为：通过人机界面向控制系统设置合适的放卷速度和超导线材张力，控制系统通过控制收放卷系统放卷伺服电机转速不变(设定值)，对检测系统采集的超导线材实际张力与张力设定值进行PID闭环调节，输出控制量实时调整收放卷系统收卷伺服电机的转速，控制量为正值时，逐渐增大收卷伺服电机转速，控制量为负值时，逐渐减小收卷伺服电机转速，且增大/减小程度与控制量大小成正比；从而保持超导磁体线圈绕制过程中线材收卷速度与放卷速度的差值相对恒定，实现线圈绕制过程中的恒张力控制；压线装置根据跑道型磁体线圈的几何学特征和动力学方程，计算超导线材与跑道型超导磁体的接触点运动轨迹，描绘控制轨迹轮廓线，并将其轨迹在XOY平面内进行XY分解，得到压线装置的在X，Y轴的近似轨迹；同时对压线装置的驱动转矩进行PID闭环控制，以保证压线装置作用于超导线材的压力恒定，实现超导磁体线圈绕制过程中贴合紧密度保持一致的控制要求。

再进一步的步骤为：

51，根据如下公式计算线圈绕制过程中放卷和收卷的速度差引起线材形变而产生的线材张力：

式中V₁为放卷速度，V₂为收卷速度，K_T为线材弹性系数；

52，根据如下公式计算放卷伺服电机带动线材放线盘转动时放卷速度V₁与放卷伺服电机转速n₁的关系：V₁＝πD₁×n₁，式中D₁为线材放线盘的直径；

53，根据如下公式计算跑道型超导磁体的收卷速度V₂与收卷伺服电机转速n₂的关系：V₂＝2πD₂×n₂，式中，D₂为超导磁体线圈与线材接触点到圆心的距离；

54，当超导磁体线圈与线材接触点处于圆弧段时，半径为OA，在三角形O₁O₂A中，O₁O₂＝L，O₂A＝R，∠AO₁O₂＝θ，θ近似为收卷伺服电机转过的角度，则根据余弦定理得到

55，当超导磁体线圈与线材接触点处于直线段时，将直线段近似细分为非常小段的圆弧，半径为O₁C，O₁D＝R，则O₁C＝R/sinθ；

56，线圈绕线过程中，每绕一圈半径增加线材厚度d₁，则半径为R＝R₁+d₁×N，式中，N为线材绕制圈数。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1，采用高精度的伺服驱动系统，收放卷速度、力矩控制精度高；

2，根据绕制磁体的特殊形状，实时计算绕制过程中收卷的速度，实现了特殊形状磁体的恒张力控制；

3，通过计算导线与磁体接触面的运动轨迹，规划压线装置在XOY平面的运行路径，实现磁体绕制过程中层与层之间的紧密贴合。

附图说明

图1为本发明控制装置的系统组成框图；

图2为本发明系统结构原理示意图。

图3为本发明跑道型超导磁体线圈的几何形状示意图；

各附图标记为：1—控制系统，2—收放卷系统，3—检测系统，4—换层移动平台，5—压线装置，6—人机界面。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例1

本发明主要针对超导磁体线圈绕制过程的特殊性及现有绕线控制装置的缺陷和不足，提供一种不规则超导磁体线圈绕线控制装置，可用于多种材料、不同形状线圈的绕制，实现不规则线圈绕制过程中线缆张力恒定、线圈紧密度一致。

如图1和图2所示，绕线控制装置包括控制系统1以及与控制系统1连接的收放卷系统2、检测系统3、换层移动平台4和压线装置5。

其中所述的控制系统1作为绕线装置的控制核心，主要负责数值计算与恒张力控制算法的实现等功能，完成数值计算和恒张力控制算法的实现，调整收放线系统的运行参数，同时根据控制算法控制压线装置5，实现超导线在绕制的过程中导线与导线间松紧度恒定。

所述的收放卷系统2包括收卷伺服驱动器、放卷伺服驱动器、收卷伺服电机和放卷伺服电机，收卷伺服驱动器驱动收卷伺服电机进行超导线材收卷，放卷伺服驱动器驱动放卷伺服电机进行超导线材放卷。

所述的检测系统3采集超导线材张力，并将张力变换为电压信号传送给控制系统1进行计算处理，同时实时检测被绕制线缆的张力。

所述的换层移动平台4由换层移动平台驱动器和换层移动平台步进电机组成，用于在与收/放卷方向垂直的方向上移动一个线径的距离进行换层。

所述的压线装置5由压线控制器、两轴步进电机驱动器和两轴步进电机等组成，压线控制器控制步进电机驱动器驱动两轴步进电机实现压线功能。

所述的控制系统1上还连接有人机界面6，用于接收操作人员控制指令和参数设置，并显示装置运行数据。

上述绕线控制装置的控制方法，主要通过线圈绕制过程中线材收卷速度与放卷速度的差值相对恒定和压线装置5作用于绕制线材的压力恒定，实现对超导线圈绕制过程中线材张力和线圈贴合紧密度的控制。

绕制跑道型超导磁体线圈时，包括如下步骤：通过保持收放卷系统2的放卷伺服电机转速不变，对超导线材张力进行PID闭环调节，输出控制量实时调整收放卷系统2的收卷伺服电机的转速，实现线圈绕制过程中线材收卷速度与放卷速度的差值相对恒定；保持压线装置5作用于线材的压力恒定：压线装置5通过规划线材与特殊型线圈的接触点运动轨迹，同时对压线装置5的驱动转矩进行PID闭环控制，保证压线装置5作用于线材的压力恒定。

实施例2

下面通过跑道型超导磁体线圈绕线控制方法为实施例，并结合附图3，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。由于超导线材的特殊性，为了提高超导磁体线圈绕制的成功率，需要对超导线圈绕制过程中的线材张力和线圈贴合紧密度进行控制。

线材张力是由于线圈绕制过程中放卷和收卷的速度差引起线材形变而产生的。根据胡克定律，张力为：

式中，V₁为放卷速度，V₂为收卷速度，K_T为线材弹性系数。

根据式(1)可知保持放卷速度V₁恒定，通过调节收卷速度V₂即可实现张力控制，张力偏小时，减小V₂，张力偏大时，增大V₂，保持线材张力稳定于设定值。

放卷伺服电机带动线材放线盘转动实现放卷，于是，放卷速度V₁与放卷伺服电机转速n₁的关系为：

V₁＝πD₁×n₁ (2)

式中，D₁为线材放线盘的直径。

根据式(2)可知放卷过程中，要保证放卷速度V₁恒定，放卷伺服电机转速n₁必须随着放卷直径D₁减小而增大。

对于图3所示的跑道型超导磁体，收卷速度V₂与收卷伺服电机转速n₂的关系为：

V₂＝2πD₂×n₂ (3)

式中，D₂为超导磁体线圈与线材接触点到圆心的距离。

当超导磁体线圈与线材接触点处于圆弧段时，半径为OA，在三角形O₁O₂A中，O₁O₂＝L，O₂A＝R，∠AO₁O₂＝θ，θ可近似为收卷伺服电机转过的角度。

根据余弦定理有：

当超导磁体线圈与线材接触点处于直线段时，可将直线段近似细分为非常小段的圆弧，半径为O₁C，O₁D＝R，则

O₁C＝R/sinθ (5)

线圈绕线过程中，每绕一圈半径增加线材厚度d₁，半径为：

R＝R₁+d₁×N (6)

式中，N为线材绕制圈数。

本实施例的绕线控制装置包括控制系统1、收放卷系统2、换层移动平台4、压线装置5、人机界面6六个主要部分。

本实施例中，控制系统1选用西门子S7-300系列PLC模块，由CPU模块(CPU313C-2DP)、通讯模块(PM340)、模拟量采集模块(SM334)组成，作为绕线装置的控制核心，主要负责数值计算与恒张力控制算法的实现等功能。CPU模块接收放卷速度V1和超导线材张力f后，根据式(1)(2)(3)计算放卷伺服电机转速n1和收卷伺服电机转速n2，并对张力进行PID闭环调节，输出控制量调整收卷伺服电机的转速n2，保持线材张力fs稳定于设定值f。

控制系统1通过通讯模块将放卷伺服电机转速n1和收卷伺服电机转速n2分别发送给放卷伺服驱动器和收卷伺服驱动器，从而驱动各自对应的伺服电机按照所需转速进行运转，实现超导线材绕制过程中的恒张力控制。

收放卷系统2包括收/放卷伺服驱动器(EV9323)和收/放卷伺服电机(MCS14D15)，收卷伺服驱动器驱动收卷伺服电机进行超导线材收卷，放卷伺服驱动器驱动放卷伺服电机进行超导线材放卷。

检测系统3包括张力传感器(MGZ100)和张力变送器，主要实现超导线材张力采集，并将张力变换为电压信号传送给控制系统1进行计算处理。

压线装置5由CPU224模块、通讯模块(EM277)、高速DO模块、步进电机驱动器和步进电机等组成，CPU224模块通过高速DO模块控制步进电机驱动器驱动步进电机实现压线功能。

根据跑道型磁体线圈的几何学特征和动力学方程，压线装置5的CPU224模块可用磁体线圈与线材接触点到圆心的距离D2计算超导线材与跑道型超导磁体的接触点运动轨迹，描绘控制轨迹轮廓线，并将其轨迹在XOY平面内进行XY分解，得到压线装置5的在X，Y轴的近似轨迹。同时对压线装置5的驱动转矩进行PID闭环控制，以保证压线装置5作用于超导线材的压力恒定，实现超导磁体线圈绕制过程中贴合紧密度保持一致的控制要求。

人机界面6为MT8015液晶显示屏，接收操作人员控制指令、参数设置，并显示装置运行数据。液晶显示屏可设定合适的放卷速度V1和超导线材张力f，并通过RS485通讯与控制系统1进行数据交换，张力变送器实时采集被绕制超导线材张力fs并转换成电压信号传输至控制系统1的模拟量采集模块。

以此，通过保持超导磁体线圈绕制过程中线材收卷速度与放卷速度的差值相对恒定和压线装置5作用于超导线材的压力恒定，实现对超导线圈绕制过程中线材张力和线圈贴合紧密度的控制。

通过上述控制方法，可满足跑道型超导磁体线圈绕制过程中对张力控制和线圈贴合紧密度指标的高要求。

本发明权利要求保护的范围不限于上述实施例，对于与本发明专利相似原理或控制方法的不规则线圈和常规线圈绕制装置及控制方法均应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种不规则超导磁体线圈绕线控制装置，其特征在于：包括控制系统(1)以及与控制系统(1)连接的收放卷系统(2)、检测系统(3)、换层移动平台(4)和压线装置(5)；

所述的控制系统(1)完成数值计算和恒张力控制算法的实现，调整收放线系统的运行参数，同时根据控制算法控制压线装置(5)，实现超导线在绕制的过程中导线与导线间松紧度恒定；

所述的收放卷系统(2)包括放卷装置和收卷装置，所述的放卷装置由放卷伺服驱动器、放卷伺服电机、减速机和超导线材放线盘组成，放卷伺服驱动器驱动放卷伺服电机进行超导线材放卷；所述的收卷装置由收卷伺服驱动器、收卷伺服电机和减速机组成，收卷伺服驱动器驱动收卷伺服电机进行超导线材收卷；

所述的检测系统(3)包括张力传感器和张力变送器，用于采集超导线材张力，并将张力变换为电压信号传送给控制系统(1)进行计算处理，同时实时检测被绕制线缆的张力；

所述的换层移动平台(4)由换层移动平台驱动器和换层移动平台步进电机组成；

所述的压线装置(5)由压线控制器、两轴步进电机驱动器和两轴步进电机等组成，压线控制器控制步进电机驱动器驱动两轴步进电机实现压线功能；

所述的控制系统(1)上还连接有人机界面(6)，用于控制指令和参数设置，并显示装置运行数据。

2.一种不规则线圈绕线控制方法，基于权利要求1所述的绕线控制装置，其特征在于，通过保持线圈绕制过程中线材收卷速度与放卷速度的差值相对恒定和压线装置(5)作用于绕制线材的压力恒定，实现对超导线圈绕制过程中线材张力和线圈贴合紧密度的控制。

3.根据权利要求2所述的一种不规则线圈绕线控制方法，其特征在于，绕制跑道型超导磁体线圈时，包括如下步骤：

保持放卷伺服电机转速不变，对超导线材张力进行PID闭环调节，输出控制量实时调整收卷伺服电机的转速，实现线圈绕制过程中线材收卷速度与放卷速度的差值相对恒定；

压线装置(5)通过规划线材与特殊型线圈的接触点运动轨迹，同时对压线控制器的驱动转矩进行PID闭环控制，保证作用于线材的压力恒定。

4.根据权利要求3所述的一种不规则线圈绕线控制方法，其特征在于，进一步的步骤为

通过人机界面(6)向控制系统(1)设置合适的放卷速度和超导线材张力，控制系统(1)通过控制放卷伺服电机转速不变，对检测系统(3)采集的超导线材实际张力与张力设定值进行PID闭环调节，输出控制量实时调整收卷伺服电机的转速；

控制量为正值时，逐渐增大收卷伺服电机转速；控制量为负值时，逐渐减小收卷伺服电机转速；保证增大/减小程度与控制量大小成正比，从而保持超导磁体线圈绕制过程中线材收卷速度与放卷速度的差值相对恒定，实现线圈绕制过程中的恒张力控制；

压线装置(5)根据跑道型超导磁体线圈的几何学特征和动力学方程，计算超导线材与跑道型超导磁体的接触点运动轨迹，描绘控制轨迹轮廓线，并将其轨迹在XOY平面内进行XY分解，得到压线装置(5)在X，Y轴的近似轨迹，同时对压线装置(5)的驱动转矩进行PID闭环控制，以保证作用于超导线材的压力恒定，实现超导磁体线圈绕制过程中贴合紧密度保持一致的控制要求。

5.根据权利要求4所述的一种不规则线圈绕线控制方法，其特征在于，进一步的步骤为

51，根据如下公式计算线圈绕制过程中放卷和收卷的速度差引起线材形变而产生的线材张力：

式中V₁为放卷速度，V₂为收卷速度，K_T为线材弹性系数；

52，根据如下公式计算放卷伺服电机带动线材放线盘转动时放卷速度V₁与放卷伺服电机转速n₁的关系：V₁＝πD₁×n₁，式中D₁为线材放线盘的直径；

53，根据如下公式计算跑道型超导磁体的收卷速度V₂与收卷伺服电机转速n₂的关系：V₂＝2πD₂×n₂，式中，D₂为超导磁体线圈与线材接触点到圆心的距离；

54，当超导磁体线圈与线材接触点处于圆弧段时，半径为OA，在三角形O₁O₂A中，O₁O₂＝L，O₂A＝R，∠AO₁O₂＝θ，θ近似为收卷伺服电机转过的角度，则根据余弦定理得到

55，当超导磁体线圈与线材接触点处于直线段时，将直线段近似细分为非常小段的圆弧，半径为O₁C，O₁D＝R，则O₁C＝R/sinθ；

56，线圈绕线过程中，每绕一圈半径增加线材厚度d₁，则半径为R＝R₁+d₁×N，式中，N为线材绕制圈数。

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