特种电机用绕线机控制系统摘要：本文以PLC为基础、采用永磁交流伺服系统和文本显示器，设计了特种电机用绕线机控制系统。
针对特种电机的线圈绕制精密度高的特点，提出了绕制参数的任意调节方法，以及匝数设置规则，文件保存方式。
采用交流伺服系统不仅实现了绕线实时调速与精准定位，而且提高了绕线的准确性和生产效率。
控制系统具有高速、高精度、高稳定，和较好的实用性，并且成本较低。
该系统具有操作方便，满足特殊塔式线圈的工艺性。
关键词：特种电机用绕线机；控制系统；PLC；伺服系统Design of Special Winding Machine Control System（Xi’an University of Science and Technology，Xi’an，710054，China）Abstract：This article is based on PLC and using permanent magnet AC servo system with text display, designed a special motor winding machine control system. For coil winding features of special motor in high precision, raised arbitrary adjustment method of winding parameter, setting rules of turns, and mode of saving the file. Experimental results show that the system not only to achieve a speed regulation of winding in real time and positioning precisely improves, also, the accuracy and efficiency of production of winding, meanwhile control system with high speed, high precision, high stability, and better usability, low cost and easy to operate, meet specific Tower coil technology.Key words：special motor winding machine；control system；PLC；servo system1引言随着电机控制技术进步，绕线自动化程度的提高，电机绕组制造用绕线机已形成品种繁多庞大的市场[12]。
通用绕线机由最初的手工绕制向半自动绕线机，甚至是全自动、高精度的方向发展。
但对于某些特种电机而言[11]，线圈绕制还没有非常合适的绕线机。
为了适应高效率、高稳定性以及高精度控制的要求，本文设计了一种全新的特种电机用绕线机的控制系统，此系统适用于各种型号的塔式铜芯式绕组的绕制。
同时，针对线圈绕制工艺要求研制的特种电机用绕线机，其参数设置快捷、操作灵活、适合批量生产，既能提高生产效率，又能保证提高产品质量。
2系统构成与硬件设计2.1 系统构成绕线机控制系统的基本结构如图1所示，由图可知系统由PLC、人机界面、伺服驱动器、绕线模、编码器等六部分组成，PLC为控制环节，人机界面根据需要选择，主要是输入输出设置，参数设置等。
伺服驱动器与伺服电机可选用一体式结构，电机编码器除了向伺服驱动器提供反馈信息外，还可将信号反馈给PLC，从而到人机界面输出显示，绕线模根据电机绕组的尺寸而设计，下面将各部分主要功能介绍如下。
图1 绕线机控制系统的基本结构2.2 PLC设计控制系统对PLC的要求主要有以下几点：（1）输出脉冲和方向信号具有120kH以上运行频率，能够控制伺服驱动器的运行；（2）PLC输出信号通过光耦控制伺服驱动器；（3）配备文本显示器作为人机操作界面，可改变参数设置与状态显示；（4）能够读取位置反馈脉冲，120kH以上计数频率；12以上的分辨率。
（5）具有模拟量输入口，输入范围0~10V，12通过对比西门子S7系列、三菱FX系列、A-B Micrologix系列，决定采用台湾永宏公司的新款微型FBs系列PLC，不但可以满足以上（1）、（2）要求，还具有以下显著特点：（1）0.33μs/顺序指令的程序平均执行时间；（2）电源电压100～240VAC或24VDC；（3）程序容量可达20K words；（4）Windows编程界面，可在运行中修改程序；（5）4组32位元硬体高速计数器，具8种运作模式（U/D，U/D×2，K/R，K/R×2，A/B，A/B×2，A/B×3，A/B×4），计数频率可达920KHz；（6）5组0.1ms高速计时器，其中4组为32位元，1组为16位元；（7）NC定位功能：单机最大4轴脉冲输出，最高频率可达920KHZ，并具3种运作模式（U/D，K/R，A/B）, NC定位程序可上传后下传至人机或上位机；（8）机型齐全。
有10点、14点、20点、24点、32点、40点、44点及60点主机及多种扩充机/模块；（9）体积超小，具有同档次价格优势；（10）通信速度可达921.6kbps，单机最多可达5个通讯口，支持多样化通信接（RS232、RS485、USB、Ethernet等）（11）对于要求（3），采用FBs自带扩展板单元，它相对于扩展模块价格较低。
扩展板单元FBs-B2A1D，两路AI，0~10V,12位分辨率，可以满足使用要求。
PLC连接原理图如图2所示：GND图2 PLC 连接原理图2.3 伺服驱动设计控制系统对驱动电机的要求主要有五点：（1） 精准定位，根据绕线原理定位精度≤0.1转；（2） 功率500W 以上，低速下能输出恒定力矩；（3） 运行平稳，转矩波动要小；（4） 体积小，效率高，动态响应快；（5） 可调速运行，转速调整范围为1～3000rpm 。
根据上述要求，经充分论证后，决定采用高性能永磁交流伺服系统。
在对比松下A5、A-B Kinetix 、安川∑系列以及西微所JS 系列，选用安川∑-V 伺服系统SGDV-5R5A01A/ SGMJV-08AAA61.额定转速3000rpm ，最高转速6000rpm ，1KW 功率输出，速度频率响应可达1.6KHz 。
伺服电机的使用，在满足转矩要求的同时，要满足惯量匹配的要求。
根据工程用绕线模的转动惯量与折算至电机负载转矩公式：,14n i j i j i j M D J ===∑，,1n f i j i j i j T G D ===∑(20)n ≤ （1）其中，J ：绕线模的转动惯量(2.kg m )，M ：绕线模质量(kg ),D ：绕线模直径（m ），f T ：折算电机负载转矩（N m ⋅）G ：绕线模重力（N ）。
同时，从安川伺服驱动器∑-V 系统样本中的转矩-转速特性曲线可知：当运行转速高于额定转速时，额定转矩大于连续使用区域转矩。
因此，需要加3:1的减速机，才能与绕线模的惯量匹配，以及避免了转矩过大而造成的电机运行抖动问题。
在实际绕线时，转速与使用的线径有关，电机线径较细时，绕线转速可提高，转矩降低。
因此，可以使伺服电机运行在额定转速以上，在满足使用要求的前提下，尽可能使用功率较小的伺服电机。
2.4 光电耦合器与A/D 扩展板的选用为提高绕线效率，本绕线机加装电位器旋钮调节电压，调整范围为0.15V～10V，以此来达到调速的目的，电位器调节输出为模拟量信号，因此安装A/D模块就显得完全有必要，然而，加装A/D扩展模块将抬高成本，同时，本系统仅适用20个输出端口中的2个，A/D扩展模块是针对全部20个输出端口[16]，如此一来将造成极大的浪费和系统冗余，经研究决定采用永宏PLC配套A/D扩展板，扩展板单元FBs-B2A1D，两路AI，电压调整范围：0~10V,12位分辨率。
绕线机绕线匝时系统要自动计数，同时在模式旋钮调至手动档时旋动绕线模系统也要相应计数，但由于伺服驱动器输出编码器信号电压为DC5V[18]，即每绕一匝输出5V电压信号，PLC本身只能接受DC24V电压信号[16]，同时考虑到两者之间的电磁干扰，所以设计光电耦合器来达到抗电磁干扰和电频匹配之作用，其系统原理图如图3所示。
图3 光电耦合器设计图2.5 文本显示器选用绕线机对操作界面的主要要求是设置绕线参数和显示绕线运行状态和匝数，配有手/自动切换按钮、调速旋钮，启动、暂停、复位按钮，加装运行与故障指示灯。
选用触摸屏，价格较高，采用文本显示器在满足使用要求的前提下，可以大幅度降低成本，最终选定上海松浩自动化公司的BYD037L型文本显示器。
该文本显示器属于小型人机界面，它具有22个按键,其中31个功能键可自由定义，操作简单，可替代部分控制柜上的机械按键；带LED 背光的STN-LCD显示屏，只要有按键操作，LED 背景灯点亮,持续60秒（缺省设置）,若以上没有任何按键操作时，LED 背景灯自动熄灭；可显示24×4行英文，或12×4 行汉字；RS232/RS485/RS422任选，可直接连接PLC，同时支持多种通讯硬件接口，如西门子 S7-200 系列、欧姆龙 C 系列、三菱 FX 系列、三菱 FX-485-BD模块、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、台达DVP 系列、VIGOR系列、AB Micrologix1500、PLC、DANFOSS 变频器、MODBUS RTU Slave、MODBUS ASCII Slave、自由协议等。
而且其性能可靠，抗干扰能力强，适用于有强电磁干扰的工业控制现场，价位适中。
因此，选用文本显示器在满足要求的前提下，可以大幅度降低设备成本。
2.6 绕线模特种电机专用绕线模的典型结构如图4所示，采用塔式结构铜芯式绕组，每个绕线模由不同直径的槽叠装组成，每个槽代表一个线圈，线圈形状可采用矩形结构和圆形结构，以圆形为主，每个线圈直径5～500mm不等。
图4 绕线模结构图3. 软件设计控制系统软件由人机界面和PLC两部分软件程序设计组成。
3.1人机界面的设计操作界面分主界面、参数设置、运行显示三个界面。
在主界面中选择要运行的程序号，按【启动】键开始运行，同时运行指示灯亮。
在运行界面中，显示当前执行的程序号、绕组数和匝数，同时对比显示设置程序号、绕组和匝数。
参数设置界面的设计，采用方便快速设置的方式。