低温与超导 超导技术 Ｃｒｙｏ．＆Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄ． 第３８卷第４期 Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ Ｖｏｌ＿３８ Ｎｏ．４ 一种基于矢量变频技术的超导线圈专用恒 张力绕线机 王晓磊 ，许皆平 ，崔健 （１．中国科学院上海应用物理研究所，上海２０１８００；２．中国科学院研究生院，北京１０００４９） 摘要：为满足绕制超导线圈的工艺要求，设计了一种基于矢量变频技术的恒张力绕线机构。说明了本机构的 设计原理，并且具体介绍了恒张力控制系统的软硬件构成和数学模型的建立。此绕线机构完全满足超导线圈的工 艺要求，结构简单，控制精度高。 ・ 关键词：张力控制；超导线圈；矢量变频技术 Ａ ＮＣ ｗｉｎｄｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ、 ｔｈ ｔｈｅ ｔｅｎｓｉｏｎ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ｃｏｉｌ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｖｅｃｔｏｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｗａｎｇ Ｘｉａｏｌｅｉ ，Ｘｕ Ｊｉｅｐｉｎｇ，Ｃｕｉ Ｊｉａｎ （１．Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ０ｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，ＣＡＳ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１８００，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｇｒａｄｕａｔｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ０ｆ ｔｈｅ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｂｅｒｉｎｇ １０００４９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｗｉｎｄｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ ｆｏｒ ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ｃｏｉｌ ｂａｓｅｄ Ｏｉｌ ｖｅｃｔｏｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｔｈｅ ａｒｔｉｃｌｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｗｉｎｄｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ．ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ０ｆ ｔｈｅ ｔｅｎｓｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄ ｔｈｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅ１．Ｔｈｅ ｗｉｎｄｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ ｍｅｔ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｈｔｅ ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ｃｏｉｌ ａｎｄ ｈａｄ ａ ｓｉｍｐｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｅｎｓｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｗａｓ ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｗｉｔｈ ａ ｇｏｏｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｔｅｎｓｉｏｎ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ，Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ｃｏｉｌ，Ｖｅｃｔｏｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ １ 引言 行机构的绕线机，结构简单紧凑、成本较低，但是 难以实现小转矩时大转速或者大转矩时低转速的 在研制超导磁体系统过程中，超导线圈绕制 工作要求。 工艺直接影响超导磁体的性能。大量研究表明， 针对上海光源超导ｗｉｇｇｌｅｒ课题组对于超导 如果导线在电磁力的作用下产生机械位移，线轧 磁体绕制工艺的要求，课题组研制了一种新型的 之间发生相对移动，将很有可能发生导体失超，或 恒张力绕线机构。其对后期超导磁体系统的研发 者导体温度过热…。因此磁体绕制必须紧密，层 意义重大。 间和匝间间隙尽量小，并且均匀分布，绕制后填充 适当的填充材料，不留空隙，以防止导体移动。只 ２恒张力绕线机总体设计方案 有在绕制过程中，精确控制绕线张力，才能保证线 圈的绕制工艺，达到超导磁体系统的设计要求。 本系统的原始设计参数为：绕线转速设计为 因此，设计能够精确控制张力的绕线机构，对超导 ｎ０—５０ｒｐｍ，张力Ｆ调节范围１０ｋｇ一３０ｋｇ，误差要 磁体系统研制意义重大。 求在±ｌｋｇｏ 较早的恒张力绕线机的张力控制方式有机械 本系统分为三个主要部分：收线部，张力检测 式、液压式、气动式等类型，之后随着微机控制的 器与张力控制和放线部分。收线部使用特定模具 发展，以磁粉离合器和力矩电机为执行元件的控 可以绕制特定的线圈，并且控制整个绕制过程中 制系统也得到了应用和推广。采用力矩电机为执 的速度。张力检测器可显示超导线中的张力，并 收稿１３期：２０１０—０２—０８ 作者简介：王晓磊（１９８４一），男，在读研究生，主要研究方向为超导线圈专用绕线机设计。 ・２６・ 超导技术 Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ 第４期 输入信号至张力控制器。防线部分包括张力控制 器、线盘和伺服电机。张力控制器接受张力反馈 信号，经过计算输出电压信号控制放线电机，修正 电机输出的反向力矩，实现张力恒定控制。其总 体方案如图１所示。 ２．１收线部分设计 绕线机收线部分主要由收线电机，减速箱和 绕线模具构成。 收线电机提供系统的主动力，通过控制收线 电机的转速控制绕线速度。减速器采用标准的涡 图１ 绕线机总体方案设计 Ｆｉｇ．１ Ｏｖｅｒａｌｌ ｃｏｎｃｅｐｔｕａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｗｉｎｄｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ 轮蜗杆减速器，传动比为１５，减速器与电机之间 使用带轮连接，带轮传动比２。 本系统设计了两种绕线模，分别用于绕制超 导螺线管线圈和超导ｗｉｇｇｌｅｒ的跑道型线圈。其 基本形状和尺寸如图２所示。 １２０ 图２绕线模基本模型 Ｆｉｇ．２ Ｂａｓｉｃ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｗｉｎｄｉｎｇ ｆｏｒｍｅｒ Ａ模的质量约为３．８９ｋｇ，转动惯量约为５５． Ｐ。＝ Ｆ× Ｘ／－ ７４ｋｇｃｍ ，Ｂ模的质量约为９．８ｋｇ，转动惯量约为 ７７２ｋｇｃｍ 。 而 ； 系统稳定工作电机的输出功率 Ｐｉ＝Ｐ。／ｒ／１叼２叼３；‘ 对设计参数、收线模参数和传动系统参数，经 过计算进行收线电机的选型。 电机轴转速Ｎ＝／Ｚ×，； ｐ 收线电机选型条件 』： Ａ．Ｔｉ（负载折算到电机轴转矩）≤电机额定 转矩； Ｂ．Ｐ （稳定工作功率）＋Ｐａ（启动和停车功 负载折算到电机轴转矩 ＝９．５５×１０００× 其中ｒ为绕线模的最大半径，叼 、Ｊ，７ 、 ，分别为联 轴器、减速箱和带传动的传动效率， ，ｒｒ电机启动运行功率Ｐａ＝、２率）＝（１～２）电机额定功率； Ｃ．．， （负载折算到电机轴转动惯量）／．，（电机 惯量）在电机惯量比的许用范围之内 ６ｏｎＩ） 争 ，Ｊ 约为 ２６ｋｇｃｍ ， 绕线轴稳定工作时输出功率 经过计算Ｐ 为５４６Ｗ，Ｐａ为６２１Ｗ， 选择直流电机，额定输出功率为２．２ｋＷ，额定转 第４期 超导技术 Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ・２７・ 速为１ ５００ｒｐｍ，额定转矩满足要求。 者力矩电机作为执行元件，使用磁粉离合器作为 ２．２张力检测部分设计 执行元件有严重的滞后，力矩电机难以实现小转 本系统采用张力传感器实时检测张力，本系 矩高转速或者大转矩低转速的工作要求 一 。 统对张力的测量采用的是直接测量方法，张力传 针对以上不足，本系统采用工业计算机作为 感器使用电阻应变式传感器，采用三辊式测量机 张力控制器，以矢量变频器和专用的电机作为执 构，使用两个导向轮和一个带有测力辊的张力传 行件，搭建了张力控制系统。 感器组成的三角形受压测力装置。图３为张力检 根据张力设计要求和工字线轮的最大半径可 测器的安装图。 ‘ 计算的最大的负载转矩，在选择变频电机时要保 证额定转矩大于负载转矩，额定功率不小于负载 功率。本机构最大的负载转矩约为１１ＮＭ，负载 功率约为５００Ｗ，考虑到虽然采用矢量控制，变频 电机在低速运转时额定转矩的丢失，以及加减速 补偿，采用８极１．５ＫＷ变频电机，额定转矩为 ２０ＮＭ，额定转速为７５０ｒｐｍ。由变频电机型号可 选择相应的矢量变频器，本机构采用三菱变频器 ＦＲ—Ａ７４０—１．５，同时变频电机配置脉冲数为２ 图３张力检测器安装图 ５００的编码器。 Ｆｉｇ．３ Ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ ｄｒａｗｉｎｇ ｏｆ ｔｅｎｓｉｏｎ ｄｅｔｅｃｔｏｒ 导线通过测力辊时，形成的夹角保持不变，作 ３张力控制系统原理图 用在连接悬臂式传感器的轮子上的集中力只与张 力有关。 本机构张力控制系统是在矢量变频器力矩控 ２．３张力控制部分 制模块上搭建的，通过张力检测装置反馈张力信 包括控制器和执行元件。目前高精度的张力 号与张力设定值构成ＰＩＤ闭环控制，调整变频器 控制器一般使用计算机或者智能仪表搭建。执行 力矩输出信号，获得高精度张力控制。同时为了 元件施加阻力力矩于放线轮，产生张力。执行元 保证负载突变情况下、电机有较硬的机械输出曲 件是控制系统最基本的组成部分，它应该具备快 线，必须对矢量变频器添加编码器构成闭环矢量 速响应的动态特性、良好的静态特性及控制可靠 控制。所以本张力控制系统是双闭环控制。其控 等特点。早期的张力控制系统采用磁粉离合器或 制原理图如图４所示： 图４张力控制原理图 Ｆｉｇ．４ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｅｎｓｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ３．１ 张力控制的数学模型 （ｆ）＋ ＋．，（ｆ） （ ）＋ｔ，（￡） （ｔ）＋Ｍｏ （１） 以工字线轮为研究对象，其动态力矩平衡方 式１中Ｆ为超导线中存在的张力；零（ｔ）为线轮的 程为：ＦＲ（ｔ）＝ 实时半径； （ｆ）为变频电机产生的阻力力矩；Ｍｓ为 ・２８・ 超导技术 Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ 第４期 粘性摩擦力矩；．，（ｔ）为工字轮和超导线匝的转动惯 量；ｔｏ（ｔ）为工字轮的角速度；Ｍｏ为干眭摩擦力矩。 动态模型，通过建立交流电机的空间矢量图，采用 磁场定向的方法将定子电流分解为与磁场方向一 由方程１可知，线轮半径、角速度，工字轮和 超导线匝的转动惯量，阻力力矩都是时间的函数， 所以系统是一个复杂的多变量实变系统。基于经 致的励磁分量和与磁场方向正交的转矩分量，即 Ｍ—Ｔ坐标系，并分别对磁通和力矩进行控制，而 使异步电机可以像他励直流电机一样控制。 ，． 典控制理论的分析方法及以下原则对方程进行合 理简化： （１）干性摩擦较小，可忽略不计，粘性摩擦可 电机的输出转矩为：Ｔ＝ｎ Ｌ２ ： 其中 为转子磁链一ｉ为定子电流的转矩分量， 视为常数； ● （２）线匝转动惯量瞬时变化较小，．，（ｔ） （ｔ） 对张力的影响很小，可忽略； （３）线轮实时半径可经过变频器内部计算推 出。方程简化为： ＦＲ（ｔ）＝Ｍ（ｔ）＋ ，＋‘，（ ） （ｔ） （２） 由式２可知，影响张力变化的主要因素是工 字线轮的半径变化和工字轮旋转角的速度变化。 ３．２线轮实时半径计算模块 半径的计算一般有两种途径：一是由ＰＬＣ或 者工控机相应的计算模块完成，二是由变频器自 己计算获得，由于矢量变频器具有卷径计算功能， 在大多数情况下都通过变频器内部计算获得，简 化主控制程序。本机构采用变频器内部计算方 式，计算原理为厚度积分法，此法一般用于线材厚 度不变的情况，将厚度输入变频器，变频器根据计 圈信号计算卷径。放线轮厚度积分法示意图如图 ５所示： ／／ Ｉ ／ Ｉ 磋蠡 霞露瓠 ． ＼ ｝ 图５卷径厚度积分法示意图 Ｆｉｇ．５ Ｓｃｈｅｍｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｏｆ ｔｈｅ ｒａｄｉｕｓ Ｄ＝Ｄ。一ｎｄ，其中ｎ为圈数，ｄ为超导线厚度，Ｄ为 实时的半径。 ３．３ 矢量变频器转矩控制模快 交流电机的矢量控制技术是基于交流电机的 由上式可知只要保证转子磁链 ：恒定，就存在转 矩 正比于ｉ 因此可以通过调节ｉ 来控制电 机的输出转矩，这就是异步电动机磁场定向控制 （ＦＯＣ），也称矢量控制的基本原理 Ｊ。 三菱变频器ＦＲ—Ａ７４０系列；具有转矩控制模 块。当接人此模块时，只需要改变变频器的给定电 压信号，就可以线性地改变变频电机的输出转矩。 ３．４张力检测数学模型 张力传感器安装在测力辊上，导辊和测力辊 夹角为０，则张力和传感器受力之间的关系为： Ｆ＝Ｔ／（２ｃｏｓ０），即Ｆ＝（Ｋ／２ｃｏｓ０）×ｖｏ 其中Ｋ，０为常数， 为传感器输出信号。 测力辊 图６张力检测示意图 Ｆｉｇ．６ Ｓｃｈｅｍｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｎｓｉｏｎ ｄｅｔｅｃｔｏｒ ３．５工字轮旋转角速度变化补偿 本机构收线电机采用恒转速控制，在绕制超 导线圈过程中，根据线速度一致的原理，放线轴的 转速要发生变化。本机构用于绕制的超导线圈采 用的线材厚度很小，所以放线轴的转速变化非常 小，相应的补偿系数稳定。 ４张力控制系统软件设计 本系统张力控制系统软件部分采用模块化处 理方法，每个功能模块之间作为子程序存在，可被 主程序调用。并且方便显示机构在工作过程中的 实时参数，有利于监控超导线圈的绕制质量。同时， 采用模块化处理，也使本机构具备后续开发能力。 控制系统主要设计成四个模块，分别是张力 第４期 超导技术 Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ・２９・ 设定模块、卷径内部计算模块、张力比较器模块及 转矩计算模块。各模块逻辑关系如图７所示： 图７控制软件各模块逻辑图 Ｆｉｇ．７ Ｌｏｇｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆｔｈｅ ｍｏｄｕｌｅｓ ｏｆ ｓｏｆｔｗａｒｅ． 由于被控对象的特殊性，本机构不允许出现 案满足各项设计要求，并且具有结构紧凑，控制精 大的调量，所以本控制系统采用了积分分离式 度高的有点。随着矢量变频技术的发展，该方案 ＰＩＤ控制器，防止由积分积累带来的大的超调量。 在超导线圈研制中前景光明。 积分分离式ＰＩＤ的工作原理是：当控制量与设定 值之间偏差较大时，取消积分环节以免积分作用 使系统的稳定性减弱，超调量加大；而当被控制量 参考文献 接近设定值时，加入积分作用，以便消除静差、提 高控制精度 。 ［１］王惠龄，汪京荣．超导应用低温技术［Ｍ］．北京：国 防工业出版社，２００８． ５结论 ［２］顾绳谷．电机及拖动基础［Ｍ］．北京：机械工业出版 社，２００１． 超导绕线机研制的核心问题是精确控制超导 ［３］汤旭晶，等．拉线放卷恒张力控制系统研究［Ｊ］．电 线中的张力，目前恒张力控制的解决方案有很多 气传动自动化，２００６，２８（１）：３４—３５． 种。本文介绍的超导磁体恒张力绕线机，采用恒 ［４］赵利平．缠绕机张力控制系统研究［Ｄ１．天津：天津 转速控制的直流电机为收线执行元件，并以矢量 工业大学，２００７． ’ 变频器和变频电机为张力控制执行元件，与张力 ［５］马小亮．大功率交一交变频器及矢量控制技术［Ｍ］． 传感器构成张力控制系统。控制程序采用模块化 北京：机械工业出版社，１９９６． 设计，同时使用积分分离式ＰＩＤ控制器，有效降低 ［６］陶永华．新型ＰＩＤ控制及应用［Ｍ］．北京：机械工业 了控制系统的超调量。通过运行验证本文设计方 出版社，１９９８． （上接２４页） 参考文献 ［Ｊ］．激光与红外，２００７，３７（１）：５３—５５． ［５］杨家艾，胡颖涛，．喷射式Ｊ—Ｔ制冷器的流量比 ［１］，孙维国，黄水安，等．空空导弹光电探测器设计［Ｍ］． 研究［Ｊ］．激光与红外，２００７，３７（８）：７５０—７５２． 北京：国防工业出版社，２００６． ［６］周建，郭涛，陶星临，等．Ｎ：一Ａｒ混合工质在节流制冷 ［２］王三煜．制冷器在导弹系统中的应用［Ｊ］．红外技术， 器中的应用［Ｊ］．红外技术，２００９，３１（８）：４７６—４７８． ２００５，２７（５）：３９９—４０２． ［７］ＨＩＮＧＳＴ Ｕ Ｇ．Ｆａｓｔ—ｃｏｏｌ—ｄｏｗｎ ｄｕａｌ ｇａｓ ｓｐｒａｙ—ｃｏｏｌｅｙ ［３］李家鹏，陈晓屏，．微型节流制冷器启动时间的理 ．ｆｏｒ ｐｉｖｏｔｅｄ ＩＲ ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ［Ｃ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＳＰＩＥ，Ｉｎ— 论分析［Ｊ］．红外与激光工程，２００９，３８（１）：２７—３０． ｆｒａｒｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ＸＸＩＸ，２００３，５０７４： ［４］杨家艾，，胡颖涛．喷射式Ｊ—Ｔ制冷器的研制 ６２０—６２９．
