基于plc的脉冲磁体绕线机伺服电机控制系统的设计与实现

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1、华中科技大学硕士学位论文1.2绕线机的应用绕线机的出现，取代了原有的手工绕线，使生产产品的技术工艺和性能有了巨大提升，工业应用非常广泛。机电工程领域，绕线机常用于线圈绕制。绕线机用于变压器高中压线圈的绕制，减少了人工绕制过程中的张力不均和绝缘损伤问题，提[22,23]升了变压器制造工艺；利用绕线机绕制滑动变阻器及互感器线圈，可以实现绕[24,25]线的均匀，增强产品的一致性；合肥等离子体所应用特制绕线机绕制超导线圈[26,27]以及校正场线圈，为实验装置的应用打下基础；在各类实验探头的制造中，采[28]样及探测线圈的绕制常使用绕线机进行。在民用工业领域，绕线机的应用范围

2、更加广泛，纺织行业，线材行业，胶带行业等众多行业中，绕线机大量应用。1.3绕线机执行系统和控制系统绕线机系统的核心部分包括执行系统和控制系统。其中，执行系统为各种电机，接受控制系统的指令，执行对应的旋转动作；控制系统为了实现对执行电机的各种控制，需要采用可编程序设备，编程设计各种绕线工序，实现绕线功能。绕线机系统中的执行系统中通常采用交流电动机、步进电机、伺服电机。系统的组成形式可以有交流电动机+步进电机、步进电机+伺服电机、双伺服电机多种形式。交流电动机在绕线机系统中需要采用旋转码盘辅助，以获取运行中的位置信息，实际运行中，交流电动机的调速性能不太理想，定位实现也会受

3、到码盘性能影响；步进电机是一种简单的开环控制电机，根据指令的脉冲量进行对应的运行，具有较好的精度；伺服电机采用闭环控制，控制精度在三种电机里面最好，但控制复杂，价格稍贵。控制系统对电机的控制主要是开关量指令控制，在部分情况下也有模拟量指令控制和高频脉冲指令控制。分析多种绕线机控制系统的设计研究方案可以发现，绕线机控制系统的实现常采用以下一些控制方案：（1）基于单片机的控制系统单片机系统可以通过外围配套模块扩展实现开关量控制和模拟量控制，经过多2华中科技大学硕士学位论文年发展已经非常成熟，系统成本较低。但单片机的处理能力和计算能力较弱，很难面对复杂控制，在小系统或简单控制

4、场合可以采用。国内部分绕线机系统采用了MCS[29,30]系列单片机及Zilog公司的Z8单片机实现方案，能够实现多种自动绕线功能。（2）基于DSP及FPGA的控制系统DSP控制伴随电力电子技术的发展，广泛应用于各个领域，DSP较单片机而言，处理能力和计算能力有了非常大的提升，可以应对各种复杂的控制，包括电路驱动，开关量控制等。但DSP控制的实现需要各种复杂的外围电路和驱动电路，通用性不高。为了解决复杂的外围软硬件设计，利用基于FPGA的控制方案，简化系统设计，实现对电机的控制。浙江大学刘洪玮等利用TMS320LF2407系列DSP和IRMCK201[31]系列FPGA

5、控制模块，实现双轴伺服控制的绕线机系统。（3）基于PLC的控制系统可编程逻辑控制器PLC是现代工业系统中应用最广泛的解决方案。PLC中的微处理器计算能力要比DSP弱，但其完整的系统扩展使其具备某些适应于工业控制和开关量控制的特有功能。PLC具有通信功能，可与控制设备及显示设备以标准或非标准协议进行通信，丰富了系统功能。PLC采用梯形图编程，系统设计非常灵活。[32,33]最常采用的PLC包括西门子的S7系列PLC及三菱FX系列PLC。1.4本文主要研究内容本文结合脉冲磁体制造加工的实际情况，系统分析脉冲磁体绕线机控制系统的原理、装置性能、设计方案等各方面内容。针对实验室

6、现有脉冲磁体绕线机性能特点及不足，设计新的脉冲磁体绕线机控制系统，系统采用PLC和双伺服电机作为绕线机的控制器和执行电机。从绕线机控制系统的概念设计出发，使用艾默生EC10系列PLC和安川交流永磁同步伺服电机作为系统的控制器和执行电机，逐步实现设计方案。论文具体内容如下：（1）对脉冲磁体绕线过程进行分析，分析实验室现有绕线机性能上存在的问题。（2）介绍步进电机以及交流永磁伺服电机的原理和控制方法，对比两者的性能特点；介绍可编程逻辑控制器PLC的特点和工作原理。3华中科技大学硕士学位论文（3）提出脉冲磁体绕线机控制系统的概念设计原理，列出新系统需要实现的功能，提出新控制系

7、统需要面对和解决的问题。（4）基于PLC的交流永磁伺服电机控制系统的实现。介绍从最小系统到各种功能完善的设计流程。给出设计思路和程序运行流程。（5）结合设计和调试中出现的问题，对后续工作做出展望和说明。1.5本文的章节安排第一章绪论。主要介绍建设强磁场装置的意义，绕线机的工业应用，以及绕线机执行系统和控制系统的几种实现方案。第二章脉冲磁体绕制。介绍脉冲磁体典型结构，几种脉冲磁体绕线机，脉冲磁体绕制过程，绕制脉冲磁体中可能出现的问题。第三章执行系统及控制器。介绍步进电机系统、交流永磁伺服电机系统，以及可编程逻辑控制器PLC，包括它们工作原理