ITER PF6线圈绕制多层多轴同步控制系统的研究

摘要

本文围绕ITER装置PF6极向场线圈绕制多层多轴同步控制的研究，由于PF6线圈绕制尺寸大、单匝导体绕制成形的尺寸精度高、绕制计长精确、绕制的效率及控制系统稳定性的特点，采用具有多层多轴拓扑结构的同步系统。多层多轴同步控制系统的研究具有综合性强且涵盖多门学科，深入开展这方面的研究对于提高我国大型线圈绕制的研制水平具有重要的理论和实际意义。
　　本文在分析国内外现有的同步控制方法的基础上，对多种同步方案进行了研究比较，分析了不同方案对于系统同步控制性能影响及其改进措施，搭建了ITER PF6线圈双线并绕同步控制实验平台。论文主要研究工作及成果如下:
　　介绍了ITER PF6线圈结构和绕制特点，研究国内外的线圈绕制流程，对绕制过程进行了分析，主要采用了导体放送、矫直校正、喷砂清洗、弯绕成型及回转平台等单元组成的绕制过程。
　　在研究传统同步控制方法基础上，提出了多层多轴拓扑结构同步控制，具有更广更全面的结构特征。深入分析了多层多轴拓扑结构下的同层主令参考同步控制、多层多轴主从同步控制、多层多轴虚拟主轴同步控制策略，进行了多层多轴同步控制对象的仿真建模。研究了系统中参数对于同步性能的影响规律及其设定方法。
　　在多轴同步控制理论研究基础上，提出一种具有多层多轴叠形交叉耦合误差的控制方法，即所有电机对同一给定的参考信号实现一致跟随，同层的轴间为基于同一给定控制加误差补偿的环形耦合控制方式，层间轴通过主从同步控制方式，经过分析得出随着层数增加层间的同步误差增大，多层多轴叠形交叉耦合误差主要有层间的跟踪误差和同步误差。对于多层多轴拓扑结构的复杂同步控制系统，该方法进一步提高了系统的同步性能，是一种比较理想的同步控制方法。
　　采用以多层多轴拓扑结构的主从同步控制系统，针对ITER PF6超导线圈分为9个双饼结构，搭建了ITER PF6线圈双线并绕同步控制系统实验平台，两条绕制线呈180度完全对称分布，采用A馈送线被选择作为主，导电体B馈送线设备的速度由旋转台的速度来确定的方式。PF6线圈绕制系统是相互关联的多轴组成的联动系统，由于PF6线圈导体尺寸大，线圈要求精度高，线圈绕制过程中的多轴控制有特定要求，因此对PF6线圈绕制系统中多层多轴拓扑结构的研究，不仅对完成PF6线圈的绕制工作有重要和直接的意义，而且也可为今后大型磁体绕制的复杂控制系统设计提供经验。
　　以搭建PF6线圈绕制实验平台的顺序进行了多层多轴同步控制系统的实验研究，进行了标定实验、分步测试实验、重载测试实验、系统联调实验等，实验验证了多层多轴同步控制具有较高的同步性能和稳定性。

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摘要

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第一章 绪论

1．1 能源问题及核聚变研究现状

1．2 ITER装置简介

1．3 ITER PF6线圈绕制特点

1．4 论文研究的主要内容及意义

1．5 小结

第二章 多层多轴拓扑同步控制概述

2．1 多轴同步控制

2．2 运动控制器的发展及现状

2．3 多轴同步控制策略的研究现状

2．4 ITER PF6线圈绕制多层多轴拓扑结构研究

2．4．1 多层多轴拓扑结构的提出

2．4．2 ITER PF6线圈绕制多层多轴拓扑结构

2．5 小结

第三章 多层多轴拓扑同步控制的建立与分析

3．1 转矩反馈分析

3．2 同层多轴主令参考控制

3．2．1 跟随性能分析

3．2．2 同步性能分析

3．2．3 仿真和结果分析

3．3 多层多轴主从控制

3．3．1 跟随性能分析

3．3．2 同步性能分析

3．3．3 仿真和结果分析

3．4 多层虚拟主轴同步控制方案

3．4．1 虚拟主轴模型的建立

3．4．2 多层多轴虚拟总轴同步控制系统

3．4．3 仿真和结果分析

3．5 多层多轴叠形交叉耦合误差控制策略

3．5．1 最小相邻耦合的局限性

3．5．2 模型变化

3．5．3 叠形交叉耦合误差的同步控制思想

3．5．4 多层多轴叠形耦合的控制算法

3．5．5 仿真实验结果分析

3．6 小结

第四章 PF6线圈绕制多层多轴控制实验平台搭建

4．1 PF6线圈绕制系统

4．2 绕制控制系统总体方案

4．3 线圈绕制控制平台功能及硬件组成

4．4 小结

第五章 PF6线圈绕制控制程序和分析

5．1 SCOUT工程概述

5．2 程序架构

5．3 软件编程

5．4 上位机控制和监控

5．5 小结

第六章 线圈绕制实验

6．1 标定实验测试

6．2 分步测试实验

6．3 带载测试实验

6．4 系统联调实验

6．5 小结

第七章 全文总结与展望

7．1 本论文的工作总结

7．2 本文的创新和特色之处

7．3 工作展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文和研究成果