（电路与系统专业论文）自动绕线机的设计与实现[电路与系统专业优秀论文].pdf

西北工业大学硕十学位论文 ab s t r a c t t h e d i s s e r t a t i o n i n t r o d u c e s y o u a k i n d o f i n t e l l e c t u a l i z e d m a c h i n e , w h i c h c a n b e u s e d t o t h o s e p r e c i s e w i n d i n g f o r s o m e l o o p s o f d iff e r e n t s t a n d a r d s u c h a s i n d u c t a n c e l o o p , m u t u a l i n d u c t a n c e a p p a r a t u s , r o u n d t r a n s f o r m e r e t c . t h e d e s i g n a n d s t u d y i n v o l v e d t h e a p p l i c a t i o n f i e l d o f s i n g l e c h i p , t h e u s e o f e l e c t r o m o t o r , t h e c h e c k o f i n f r a r e d a n d h a l l s a p p a r a t u s , t h e m u t u a l t a l k in g i n t e r f a c e o f l c d d i s p l a y a n d k e y b o a r d c o n t r o l . i t t a k e s m u c h s p a c e t o e x p a t i a t e s t h e s t r o n g f u n c t i o n o f t h e s i x t e e n - b i t s s i n g l e c h i p w h i c h c o n t r o l t h e w i n d i n g m a c h i n e t o t h e w h o l e r u n n i n g . t h e r e i s a d e e p e r s t u d y f o r t h e t w o e l e c t r o m o t o r s ( a c m a i n e l e c t r o m o t o r a n d s t e p m o t o r ) u s i n g a n d d r i v i n g c i r c u i t f o r a c t u a l w i n d i n g , .i a l s o e x p a t i a t e d t h e d e t e c t o f t h o s e s i gna l s . t h e c o n t r o l p r o g r a m w h i c h h a s b e e n c o m p i l e d a n d s i m u la t e d t o d e b u g i s l i s t e d i n t h e e n d o f t h e d i s s e r t a t i o n . wh e r e a s t h e r e a l re a s o n , t h e w h o l e c o m p le t e d w i n d in g m a c h i n e h a s n t b e e n m a d e t o m y e y e s , s o i c o u l d n t m a k e t h e w h o l e d e b u g . k e y w o r d s : w i n d i n g ha l l s me a s u r e s s t e p mo t o r d r i v e s i n g l e c h i p e r o m i n fr a r e d c h e c k l c d d i s p l a y f r e q u e n c y c o n v e r s i o n t i m i n g 西北工业大学硕士学位论文 第一章 绪论 1 . 1绕线机的简介 绕线机是把线状的 物体缠绕到特定的工件上的 机器。 绕线机的种类繁多， 按 其用途分类，可分为通用型和专用型。 通用型:由一根或数根线缠绕，适合安装多种框架绕线的绕线机。 专用型: 装有固定的专用绕线夹头，只能绕制一种线圈的绕线机。 绕线机按自 动化程度来分可分为简易型， 半自 动型， 全自 动型。电子控制方 式有数控式微电脑单片机及i b m电脑控制。 按安装方式分类为桌面式和落地式机。 绕线机是用漆包铜线绕制电 感线圈的 专用机器， 是电 子电 器行业中广泛使用 的一种重要加工生产设备。目 前在市场上已有售微电脑控制自 动绕线机， 其控制 部分是整机的核心。 为实现其高速、 稳定而且十分精确的线圈绕制， 设计中普遍 采用单片机进行控制、 步进电 机和调频调速伺服电机实现双电机旋转绕线、 红外 和霍尔器件检测进行精确测控。 本文中 所设计的 绕线 机是桌 面式专 用 全自 动型 绕线 机， 由 十 六位单片 机进行 控制， 控制交流变频电 动机的转动进行绕线， 控制步进电 动机的转动实现线圈的 均匀线距， 外部的键盘和液晶显示屏可用来进行绕线的可编程设定， 通过红外和 霍尔器件检测绕过的圈数精确地控制环绕的总圈数。 它适用于环形变压器、 互感 器、电 感线圈的绕制， 能进行多种排线模式的设定， 可自 定义为3 6 0 “ 单方向 连 续或断续排线、任意角度往返排线、多组排线等。 此绕线机能方便于一般人员的操作， 具体操作可分为四步: 计算储线量、 参数设 置、 安装调整、 绕线。 其中的绕线部分又分为储线( 将线储存到导线梭上) 和绕线 ( 将导线梭上储好的线绕到空骨架上) 两步。 1 . 2 单片机的应用方面 1 . 2 . 1单片机的发展 随着微电 子工艺水平的提高， 近二十多年的单片微型计算机已经有了飞跃的 发展。 世界上著名的集成电路芯片制造商纷纷推出各自 的产品， 使得单片机的型 号多得已达到难以统计的地步。其中享有盛名的当属芯片制造业巨头 i n t e l 公司开发的单片机，其早期推出的mc s -4 8 系列单片机是一种功能比较简单、 西北工业大学硕士学位论文 寻址范围 很有限的低性能8 位单片机， 除了 一些传统的 应用领域( 如键盘控制器) 外， 这类单片机已在很大程度上被稍后推出的mc s -5 1 系列8 位单片机所取代。 在m c s - 5 1 系列单片机的内 核8 0 5 1 / 8 0 0 5 1 的 基础上， i n t e l 公司、 p h i l i p s 公司、 s i e m e n s 公司等很多大公司纷纷推出了名目 繁多的派生芯片。这类单片机是目 前 世界上用的最为广泛的一类单片机。 它的繁衍之路也是其他系列单片机发展的共 同道路。归纳起来，它是沿着以下两条路发展的: 改进集成电路制造工艺，提高芯片的工作速度，降低工作电压和降低功 耗。 早期的8 0 5 1 的最高振荡器频率为1 2 m h z ， 一个机器周期为1 u s . i n t e l 公司 推出的 8 0 c 5 1 z x的一个机器周期仅为 1 / 6 u s 。早期的 8 0 5 1正常工作电压都是 5 v ， 而p h i l i p s 公司的8 0 c l 5 1 / 8 0 c l 4 1 0 可t作于1 .8 v的 低电压。 8 0 c l 5 1 / 8 0 c l 4 1 0 是全静态设计的， 当芯片采用外部时钟时， 可工作于直流状态， 即可把外部时钟 完全关掉仍能保持住芯片的内部状态; 当时钟重新加上去时， 芯片会继续正常工 作。当外部时 钟停止时，芯片的消耗电 流只有i p a . 在保留 共同的c p u体系结构、最基本的 外设装置( 如异步串 行口、 定时 器等) 和一套公用的指令系统的 基础上， 根据不同的 应用领域， 把不同的 外设装 置 集 a 勤 芯 片 丙 二 “ 茬 向 f 蒙 1 丙 繁 衍 4 1 茁 署 补 垫 夸 毛 芍 革 片 机 。 i n t e l 公司在 8 0 5 1 / 8 0 0 5 1 的基础上已 衍生出 1 0种共 5 0多个型号的芯片; p h i l i p s 公司 在8 0 c 5 1 的 基础上衍生出2 0 多 种近5 0 个型 号的 芯片。 用户 可 根据 系统设计的要求使用合适的型号，而不必重新熟悉指令系统和c p u的结构。 综上所述， m c s - 9 6 系列1 6 位单片机具有更丰富的软硬件资源， 具有更高 的性能。 8 位单片机和 1 6 位单片机是真正的单片微型计算机，因为它们包含了一台 计算机所应该有的全部基本部件。从这个含义来讲，己问 世的3 2 位单片机己 不 是名副其实的单片计算机了， 因为它们一般都不把存储器部分集成在同一块芯片 上。 i n t e l 公司把前者称为嵌入式微控制器( e m b e d d e d m i c r o c o n t r o l l e r ) ， 把后者称 为嵌入式处理器( e m b e d d e d p r o c e s s o r ) 。为了 简便， 可把它们统称为单片机。 1 . 2 . 2单片机的新技术特点 从2 0 年来单片机的发 展历程可以 看出， 单片机技术的发展以 微处理器( m p u ) 技术及超大规模集成电路技术的发展为先导， 以 广泛的应用领域拉动， 表现出以 下技术特点。 单片 机长寿命。 这里所说的长寿命， 一方面指用单片机开发的产品 可以 稳定 西北工业大学硕士学位论文 换代的速度越来越快，以3 8 6 , 4 8 6 , 5 8 6 为代表的mp u ，几年内就被淘汰出局， 而传统的单片机如 8 0 5 1 , 6 8 h c 0 5等年龄己有近二十岁，产量仍是上升的。一 些成功上市的相对年轻的c p u核心，也会随着 i / 0功能模块不断丰富，有着相 当长的生存周期。 8位、3 2位单片机共同发展。这是当前单片机技术发展的另一动向。长期 以来， 单片机技术的发展是以8 位机为主的。随着移动通讯、网络技术、多媒体 技术等高科技产品进入家庭，3 2 位单片机应用得到了长足、迅猛的发展。 单片机速度越来越快。 为提高单片机抗干扰能力， 降 低噪声， 降低时钟频率 而不牺牲运算速度是单片机技术发展之追求。一些8 0 5 1 单片机兼容厂商改善了 单片机的内部时序，在不提高时钟频率的条件下，使运算速度提高了很多， m o t o r o l a单片机则使用了 琐相环技术或内部倍频技术使内部总线速度大大高于 时钟产生器的频率。 6 8 h c 0 8 单片机使用4 .9 mh z 外部振荡器， 而内部时钟达3 2 m. 三星电子新近推出了1 .2 g h z 的a r m处理器内核h a l l a . 低电 压与低功耗。 几乎所有的单片机都有 w a i t , s t o p等省电 运行方式。 允 许使用的电 源电 压范围也越来越宽。 一般单片 机都能在3 到6 v范围内 工作， 对 电 池供电的单片机不再需要对电 源采取稳压措施。 低电 压供电的单片机电 源下限 已由2 . 7 v降至2 .2 v , 1 . 8 v . 0 . 9 v供电的单片机己 经问世。 低噪声与高可靠性技术。 为提高单片机系统的抗电磁干扰能力， 使产品能适 应恶劣的工作环境， 满足电磁兼容性方面更高标准的要求， 各单片机商家在单片 机内 部电路中 采取了 一些新的技术措施。 如s t 公司的a p s d系列单片机片内 增 加了看门狗定时器， n s的c o p 8单片机内部增加了抗e mi 电路，增强了“ 看门 狗” 的性能。 i s p及 i a p 。在片编程技术( i n s y s t e m p r o g r a m m i n g ) 及在应用中编程( i n a p p l i c a t i o n p r o g r a m m i n g ) 通过单片 机上引出 的 编程线、 串 行 数据、 时 钟线 等对单 片机编程， 编程线与1 / 0线共用，不增加单片机的 额外引 脚。 i s p 为开发调试提 供了方便，并使单片机系统远程调试、升级成为现实。 1 . 2 . 3 本绕线机中所选用的单片机 虽然8 位单片机是目 前用得最广的单片机， 但是在一些比较复杂得系统中， 它就显得力不从心了，在这些情况下，我们就得考虑使用那些较高级的1 6 位单 西北工业大学硕士学位论文 片机。 而这里要介绍的绕线机由于其所需配备的外围设备的复杂度、 高速的控制响 应能力以及较高的实时处理、实时控制需要，采用 mc s -% 系列 1 6位单片机 8 0 c 1 9 6 k c 。现对此做较详细的介绍。 m c s - 9 6 系列1 6 位单片机特别适用于各类自 动控制系统， 如工业过程控制 系统、 伺服系 统( 随 动系统 ) 、 分布式 控制系统、 变频 调速电 机控制 系统等。 还适 用于一般的信号处理系统和高级智能 仪器、 高性能的 计算机外部设备控制器和办 公自 动化设备控制器。这些系统通常要求实时处理、实时控制。 和mc s -5 1 系 列相比， mc s -%系列单片机至少在以 下几个方面提高了系统的实时性: c p u中的算术逻辑单元不采用常规的累加器结构， 改用寄存器一 寄存器 结构。c p u的操作直接面向2 5 6 字节的寄存器，消除了一般c p u结构中存在的 累加器瓶颈效应，提高了操作速度和数据吞吐能力。 2 5 6 字节的寄存器中2 4 字节是专用寄存器， 其余的2 3 2 字节是通用寄存 器， 那比 起一般c p u的寄存器数量要多得多。这样就有可能为各中断服务程序 中的局部变量指定专门的寄存器， 免除了中断服务过程中保护寄存器现场和恢复 寄存器现场所支付的软件开销，大大方便了程序的设计。 有一套效率更高、 执行速度更快的指令系统。 可以对带符号数和不带符 号数进行操作， 1 6 位乘1 6 位指令的 执行时间 为1 .4 - 6 .2 5 u s ( 对 不同 型号的 芯片 ) ， 3 2 位除1 6 位指令的 执行时间 为2 .4 - 6 .2 5 u s ; 还有符号 扩展、 数据 规格化 ( 用于 浮点计算中 ) 等指令。 此外，3 操作数指令大大提高了指令效率。 在8 0 c 1 9 6 k c以后的芯片中， 增加了一个外设事务服务器p t s ， 专门用 于处理外设中断事务。和普通中断服务过程相比，p t s 服务大大减少了c p u的 软件开销。 除了上述几点外，mc s -% 系列单片机还集成了更为丰富的外设装置。概 括现有的资料，mc s -%系列单片机包含的外设装置有: ( 1 ) 振荡器和时间发生器。 ( 2 ) 定时器/ 计数器。 ( 3 ) 标准输入/ 输出口。 ( 4 ) 全双工异步和同步串行输入/1 出口。 ( 5 ) 监视定时 器( w a t c h d o g t i m e o ， 用 于提高 系统抗千 扰能力. ( 6 ) 模拟/ 数字转换器。 ( 7 ) 高速输入 / 输出 器( h s i o ) 或事 件处理 器阵列 ( e p a ) 。 用于记 载引 脚上输入 事件( 信号电 平的 跳 变) 的 发生时 刻和按预 定的时间 执行操 作。 ( 8 ) 脉宽调制输出。 可用于直接驱动电 机类的 执行元件，滤波后获得直流输 出。 ( 9 ) 波形发生器。可直接输出三相脉宽调制波形。 特别适用于变频调速电机 控制系统。 可用于驱动三相交流感应电机、直流无刷电机、 步进电机等多种类型 西北工业大学硕士学位论文 的电机。 0 0 ) 外设事务服务器( p t s ) 。 它是一种微代码硬件中断处理器， 提高了中断事 务的实时处理能力。 ( i d 从口 ( s l a v e p o rt ) 。 它是 单片机 ( 从机 ) 与 其它微处理器或单片机( 主机 ) 的 一 个并行通信接口，具有简单的通信握手功能。 0 z ) 频率发生器。 能产生一定范围的频率信号， 其典型用途之一是形成频率调 制的编码信号。 ( 1 3 ) 片选输出单元。可直接对外提供片选信号，对应的地址范围可由软件确定。 西北工业大学硕士学位论文 第二章 绕线机的总体设计 2 . ，总设计思路 本绕线机要能实现自 动给不同径度的骨架进行绕线， 能根据骨架的尺寸和绕 线时的各种要求( 绕线圈数、组数、角度等) 计算出具体的上线长度和控制步骤， 然后由单片机发出信号控制主电机和步进电 机作相应的转动。 其中对于步进电 机 有专门的驱动电路来产生步进相序，主交流电机可设计成使用一个交流变频器， 设定频率后调节变频器上的控制端口 来决定启停、正反转及点动。 要使绕线机绕线，交流主电机和步进电 机需要一定的控制信号。8 o c 1 9 6 k c 通过输出口 可以发出交流电机的启停、正反转、点动信号和步进电机的正反转、 脉冲、使能信号。 光电检测 液晶模块 轴角检测单片机 8 0 c 1 9 6 kc 变频控制 步进驱动 主电机 步进电机编程控制 图 21 绕线参数需要键盘来输入， 并在液晶模块上显示， 按键应尽量少， 液晶显示 模块应有足够大的显示容量和字符图库。 绕线时需要实时的 显示当 前所绕的圈数， 计量主电 机转动圈数， 经考虑主电 机的 减速比， 获得绕线圈数， 并且在所得的圈数和预先设定的总圈数相等时能停 止绕线。这里使用的是光电检测。 当然，单片机还要在扩展一片e p r o m 来存放能自 动操作运行绕线机的程序。 西北工业大学硕士学位论文 据以上所述可构绘出总的设计结构图，如图 2 . 1 0 圈数的环节， 并且在检测到的圈数和预先期望的总圈数相等时能快速停止主 电机，这便是所需考虑的光电检测环节。 当然， 单片机还要在外面扩展足够大的e p r o m 来存放能自 动操作运行绕线机 的程序。 据以上所述可构绘出总的设计结构图如图 2 . 1 0 分析 光电检测: 轴角检测: 根据前面分析，由于使用双电机绕线时主电 机是负责将线往磁坏 以 后称作骨架)上缠绕，主电 机带动储有线的导轨 ( 即导梭轮) 旋转， 导梭轮从骨架中间转过一圈， 线即在骨架上缠绕一圈， 所以若能将线 旋转的每一圈都感应到， 便能实时获得缠绕圈数。 在这里使用红外线 接收装置， 将红外线垂直于导梭轮的转动平面， 导梭轮转动时能带着 线快速穿过红外感应区， 这样就会产生一个光脉冲信号， 只要将其转 换为电脉冲信号， 经驱动后送入单片机， 就能进行绕线时的圈数控制。 光电检测只能检测到绕线时的圈数， 如果导梭轮上没有线， 不管主电 机转多少圈， 光电检测不会产生脉冲。 线由主电机储到导梭轮上， 储 线的时候线不经过红外感应区的， 要控制储线长度， 这里使用的是轴 角检测， 只要在主电机定子上放置一个霍尔元件， 在转子上放置磁体， 随着转子的转动，霍尔元件就会感应出 信号。 步进驱动: 将单片机发出的步进控制信号整形放大并作相应的变换， 生成驱动电 机的电流序列，使步进电机进行正反转启停、点动。 变频控制: 根据变频器上所设置的频率配合单片机发给变频器的控制信号， 使交 流电机随意启停、正反转运行及点动。 编程控制: 由输入口响应操作面板上的按键动作， 经单片机处理， 完成各项任务。 其中包括各种参数值的编入、启停主电 机和步进电 机、自 检等。 液晶模块:实时接收单片机发出的信号来快速显示各种页面: 初始化欢迎页面、 编程参数设置页面、 储线绕线提示页面、 储线绕线数据动态显示页面、 隐含参数设置页面。 西北工业大学硕士学位论文 运用 p r o t e 1 9 9 绘制出的绕线机主电路图如下所示: 图 2 . 2 2 . 2 操作面板设计 所设计的操作面板主要是由液晶显示屏和键盘组成。 外接日 常使用频繁的复 位和启停按钮。根据控制与编程需要，在键盘上设定了9 个键，分别为:( 1 ) . ( 1 ) .( ) 、( 一) 、( 复位) 、( 点动) 、( 编程) 、( 自 检) 、( 启/ 停) 。 用户可以根据键盘上的9 个键来发出各种操作命令，各个键说明如下: ( 个 )当液晶显示屏上显示“ k e y ” 初始状态字样时， 按下此键表示操 作步进电机进行正向点动。 在编程状态下，当 液晶 屏闪烁光标位于屏幕左上角时， 按下此 键表示对编程参数页进行向上翻页。 在编程状态下，当液晶 屏上光标闪烁在可变换参数数字处时， 按下此键表示对这一位数字进行循环增加( 为9 时增为0 ，若此 参数仅有0 与1 二值，则在其间 循环增加) 。 对于其他情况下按下此键一律屏蔽。 ( l ) 当液晶显示屏上显示“ k e y ” 初始屏幕状态字样时按下此键表示 西北工业大学硕十学位论文 操作步进电机进行反向点动。 在编程状态下，当液晶屏闪烁光标位于屏幕左上角时，按下此 键表示对编程参数页进行向下翻页。 在编程状态下，当液晶屏上光标闪烁在可变换参数数字处时， 按下此键表示对这一位数字进行循环减少( 为0 时减为9 , 若此 参数仅有0 与1 二值，则在其间循环减少) 。 对于其他情况下按下此键一律屏蔽。 ( ，)在编程状态下按下此键表示向左移动液晶闪烁光标。 对于其他情况下按下此键一律屏蔽。 ( 、)在编程状态下按下此键表示向右移动液晶闪烁光标。 对于其他情况下按下此键一律屏蔽。 ( 复位)无论何时， 按下此键即进行硬件复位， 返回 初始状态， 液晶显 示 “ k e y ”屏幕。 与外接的复位按钮并联，二者功能相同。 ( 点动)当液晶显示屏上显示“ k e y ” 初始屏幕状态字样时按下此键表示 操作主电 机按设置好的点动频率运转。 在启动状态下按下此键，可使得主电机由运行状态转变为点动 状态。 对于其他情况下按下此键一律屏蔽。 编程) 表示参数设置， 在“ k e y ” 状态下按下此键后进入参数设置模式。 若本已处于编程状态，按下此键即表示确认参数的设置， 将其 保存，退出 编程状态， 返回“ k e y ” 初始状态。 对于其他情况下按下此键一律屏蔽。 ( 自检)表示系统电路自 我故障检测，在 “ k e y ” 初始状态时按下此键， 绕线机自 动检测液晶显示模块、步进排线电机、交流主电机， 并在液晶 上显示检测结果， 然后返回到“ k e y ” 初始状态。 在按过一次( 启/ 停) 键后按下此键可跳过储线状态， 液晶 上显示 是否绕线的 询问语句，再按一次( 启/ 停) 键便开始绕线。 对于其他情况下按下此键一律屏蔽。 ( 启/ 停) 在“ k e y ” 状态时按下此键， 液晶显示是否开始储线的询问 语句， 西北工业大学硕士学位论文 再按一次此键便启动储线， 同时动态显示储线信息， 储线完毕 后系统自 动暂停，液晶再次显示询问信息，问是否开始绕线， 第三次按下此键便开始绕线， 同时动态显示绕线信息， 绕线过 程中按此键可暂停绕线。 与启/ 停按钮并联，二者功能相同。 2 . 3 参数设置 绕线所涉及的参数可以考虑到两方面: 首先是可以在任何时候都能直接进入 参数设置状态， 通过键盘键入和液晶显示屏显示来修改设置的参数， 称作主参数; 其次是不能随意进入修改设置的，只能在某种特殊情况下方能进入其设置状态， 称为隐含参数。 2 . 3 . 1 主参数 g r o u p l i *. * * 。 * * * * * * * * *. * * * * * * * * * dodidz叨np * * * 组数 储线长度单位: m 转位方向0 / 1 可设 多组绕线时，绕完一组线后骨架按照顺时针或逆时针方向旋 转某设定的角度( 由z 参数决定) 0 一逆时针1 一顺时针 线径单位:阴 压棍直径单位;m 骨架外径单位:阴 骨架内 径单位: m m 绕线匝数 排线角度单位: 在往返排线( f = 1 ) 时，限定排线的角度范围， 在单向排线时 无意义 转位角度单位: 在多组往返绕线( f = 1 且g r o u p 1 ) 时， 绕完一组后骨架所要 旋转的角度，在单向排线时无意义 排线方向0 八可设 绕线时线圈按照顺时针或逆时针方向排线 0 -逆时针1 一顺时针 西北工业大学硕十学位论文 s*刹车设置0 / 1 可设 0 一组与组之间或暂停时刹车后放开 1 一组与组之间或暂停时刹车后不放开 u*绕线方式0 / 1 可设 多组绕线时:于一 断续绕下一组 1 一连续绕下一组 单组单向绕线时:0 -绕完3 6 0 度后继续绕 1 -绕完3 6 0 度后暂停 f*排线方式0 / 1 可设 0 一单向 排线 1 一往返排线 在进行一次绕线时，可以 设置成多组绕线，比 如可以 是两组( g r o u p = 2 ) ， 这 时候就要考虑到两组线绕在骨架上的位置， 假设把两组线的排线角度p 参数都设 置成 1 2 0 度，转位角度z 参数设为6 0 度，绕线时可以是顺时针，即x 参数为1 , 若将f 设为 1 , u 设为0 , s 设为0 , i 设为1 ，设好n圈数和其余参数，启动后 先是将计算得的l 长度的线储到导梭轮上， 然后先顺时针在1 2 0 度范围内 往返绕 n圈，绕完时刹车后放开，然后先回到起始位置， 顺时针转过 6 0 度，再继续在 1 2 0 度角度内顺时针往返绕下一组， 绕完预定圈数后刹车刹住交流主电机从而停 止 。 2 . 3 . 2 隐含参数 d s z* * * . * p r e* * 导梭轮直径单位:m 预制动匝数 主电机按提前所设定的匝数开始减速， 与变频器的减速时间 配合使用，以实现软停机 注:几种特殊情况 1 隐含参数修改办法:在断电的情况下按住( 启/ 停) 键上电后放开该键，按编 程键进入隐含参数设置页。这点可以 在程序编写中考虑到。 2 . p r e预制动圈数) 与主轴转速及变频器参数( 减速时间 ) 有关， 主轴转速越快 或减速时间越长，则要求p r e 值越大。具体数值应以 每组绕到最后 1 -2 匝 时主轴转速能够降到预制动频率( 变频器显示3 . o h z 以 下， 一般为1 . 6 h z ) 为 准，以实现主轴软制动， 确保绕线精度及防止急刹车造成线梭及其他部件不 必要的磨损。 3 .在待机状态( l c d 显示 “ k e y ) 下， 连按两次( 启/ 停) 键后进入储线状态，储 西北工业大学硕士学位论文 完后按一次( 启/ 停) 键后进入绕线状态。 4 .若导梭轮上本来就己 经储好线了，不用再一次储线，则可按一次( 启/ 停) 键 后，按一次( 自检) 键可跳过储线状态，再按一次( 启/ 停) 键进入绕线状态。 西北一 业大学硕十学位论文 第三章检测 3 . 1 光电检测 对于大多数的光电装置， 光电器件需要通过检测电路才能实现光电信号的变 换作用。通常，光电检测电路是由光电检测器件、输入电路和前置放大器组成。 输入电路是连接光电器件和电信号放大器的中间环节， 它的基本作用是为光 电器件提供正常的电路工作条件， 进行电参量的变换 例如将电流和电阻转换为 电压) ，同时完成和前置放大器的电路匹配。输入电路的设计应根据电信号的性 质、 大小， 光学的和器件的噪声电 平等初始条件以 及输出电 平和通频带等技术要 求来确定电路的连接形式和工作参数，保证光电器件和后级电路最佳的工作状 态，并最终使整个检测电路满足下列技术要求: 1 ) 灵敏的光电 转换能力: 使给定的输入光信号在允许的 非线性失真条件下有 最佳的信号传输系数， 得到最大的功率、电 压或电流输出。 2 ) 快速的 动态响 应能力: 满 足信号 通道所要 求的 频率 选择性 或对瞬 变 信号的 j决速响应。 3 )最佳的信号检测能力:具有可靠检测所必需的信噪比或最小可检测信号 功率。 4 )长期工作的稳定性和可靠性。 + 5 v 巨t _ _ 二 为一 业 l m5 6 7 三 回10k6 10k 0 . 1 w 京 0 . o l w 图3 . 1 图3 . 1 为 红外 接收 解调 控制电 路。 图中， i c 1 是 红外 接收 头， i c 2 是l m 5 6 7 . l m5 6 7 是一片锁相环电路，采用 8 脚双列直插塑封。 其、脚外接的电阻和 电容决定了内部压控振荡器的中心频率f l , f 2 = 1 / 1 . 1 r c 。 其、 脚通常分别通 过一电容器接地， 形成输出滤波网络和环路单级低通滤波网络。 脚所接电容决 西北 l 业大学硕十学位论文 定锁相环路的捕捉带宽: 电 容值越大， 环路带宽越窄。 脚所接电容的容量应至 少是脚电容的2 倍。 脚是输入端， 要求输入信号_ 2 5 m v . 脚是逻辑输出端， 其内部是一个集电极开路的三极管，允许最大灌电 流为 1 0 0 m a . l m 5 6 7 的工作 电压为 4 .7 5 -9 v ，工作频率从直流到 5 0 0 k h z ，静态工作电流约 8 m a . l m5 6 7 的内 部电 路及详细工作过程非常复杂， 这里仅将其基本功能概述如下: 当l m 5 6 7 的脚输入幅度狡5 m v ,频率在其带宽内的信号时， 脚由高电平变成低电平， 脚输出经频率/ 电压变换的调制信号:如果在器件的脚输入音频信号，则在 脚输出受脚输入调制信号调制的调频方波信号。 在图 3 . 1 的电路中我们仅利 用了l m5 6 7 接收到相同频率的载波信号后脚电 压由高变低这一特性，来形成 对控制对象的控制。 把l m5 6 7 的脚信号送入到单片机进行相应处理，如下图: 图 3 . 2 光电 检测端口 送入三根线，一根是电源v c c ， 一根是电源地，另一根是光电 信号，有上拉电阻，在没有检测到有红外信号时，这根线上一直是高电平 “ 1 , 经7 4 0 5的一个反相器驱动后送入h s i . 0 的一直为低电平 “ 0 ，而当绕线时红外 装置感应到线的穿过产生光电 脉冲， 这根线上的电 平跳转为“ 0 , h i s . 0 上输入 变为“ 1 ， 此时可由 单片机进行圈数的累积， 同时与预定圈数进行比较， 送液晶 显示。 图中j p 1 的 脚在外部即l m 5 6 7 的 脚连有上拉电阻。 3 . 2 轴角检测 要检测交流主电 机转过的圈数， 在储线阶段线不能通过红外接口， 所以 要精 确得控制储上的线的长度，只能通过检测电机的轴角来确定主电机转过的圈数， 再通过主电机与导梭轮之间的变速关系、主电机转子周长来推算出线长。 按图 3 . 3 所示的各种方法( 分别为 径向 磁极、 轴向 磁极、 遮断式) 设置磁体， 将它们和霍尔开关电路组合起来可以构成各种旋转传感器。 霍尔电路通电后， 磁 西北_ 业大学硕士学位论文 体每经过霍尔电路一次，便输出一个电压脉冲。 图 3 . 3 这时候， 可以由此对转动物体实施转数、 转速、 角度、 角速度等物理量的检 测。 例如在转轴上固定一个叶轮和磁体， 用流体( 气体、 液体) 去推动叶轮转动， 便可构成流速、 流量传感器。 在车轮转轴上装上磁体， 在靠近磁体的位置上装上 霍尔开关电路， 可制成车速表， 里程表等等。 现在我们是在交流电机的转子上装 上霍尔开关电路， 于是我们可以通过对产生的电脉冲的计量来得出交流电 机的转 速。 对轴角检测出的信号作如下图 3 . 4 中的处理: 头一 认叹 图 3 . 4 轴角检测送入四根线， 两根分别是电 源v c c 和电 源地， 另两根为轴角检测信 将这两个信号浮地输入， 可有效的防止外部干扰， 将它们接入d s 2 6 l s 3 2 a 芯 d s 2 6 l s 3 2 a 输出信号接入到d m 7 4 l s 1 2 3 n ， 再把输出送到单片机的h i s . 处理。 的脉冲 于是，当检测到一个轴角脉冲时， h s i 1 上就会产生一个脉宽为7 6 . 1 引脚 5 微妙 号片 西北工业大学硕十学位论文 蚊福认4y忿酬从犯 3 no 怕认iy0外从龙 图 3 . 5 d s 2 6 l s 3 2 a d s 2 6 l s 3 2 a 是对平衡的或不平衡的 数字信号传输时所使用的 拥有四 个差分线 性接收器的芯片。 它的使能功能对四个接收器都是一样的， 并能提供一个有效高 电平或有效低电平输入的选择。三态的输出允许了 直接连接到总线结构的系统。 如果输入是开路，则它的自 动防故障装置确保了其相应的输出一直是高电 平。 0 牟 e r 曰打. 六 l 人 一. 1e n a b l e s out pu t 丫 1o. v ic zl!v it.r 比州 杆 h v it _ z m q 、 v f + hx 老 i ， 】? v id z v 吴 州 i “ 1 l l3 t ilh !c z ! hx 洲 f h .h h x 翻呱响 抽 加 诚 ，析目切 口 川. 之二 二b 叻i w wl?，加 d 创 陌 份 n i n 滋. h i g h b r o o d s -州d 毋 表 3 . 1 l s 3 2 功能表 注: 在两个使能信号中 任一个有效的 前提下， 若a 与b 的差分电 压v i d 超过了 正闽值 电压v i t 十 ， 输出y 为高电 平。 若a 与b 的差分电压v ,。 低于负闭 值电 压v i t - 输 出丫 为低电平 西北工业大学硕士学位论文 1 r t w t 图 3 . 6 d m 7 4 l s 1 2 3 n 观上图，d m 7 4 l s 1 2 3 n是可重触发的单稳多 谐振荡器，是由 直流触发的， 它 所产生的基本的脉冲宽度是由所选择的外部电阻和电容决定的。 它有一个内在的 时基电阻使得整个电 路只需再添加一个外部电 容即可。 一旦触发了， 只要给低电 平有效的a 端或者高电平有效的b 端加一个有效信号重触发一下， 基本的脉宽就 能延伸下去， 而若给低电 平有效的c l r 清除端加一个有效信号， 则基本脉宽将减 少。 l s 1 潞 f u 叫 c 了 1 0 n a l t i t 白 l e !in p u t s! 。 ” ” ， c l e a r f ;“! “ “ l x x h 村 t x x h x xl l犷 4h l h l h lh l h j 飞飞 了 j 、，; j 、， 矛 表 3 . 2 l s 1 2 3 功能表 注: 在c l r 为高电 平时， 当a 端由 高变低且b 端为低时， 或者当b 端由 低变高且 a 端为低时， 输出端q 输出 一正脉冲， 其脉宽t w 是一个由 外部元件c e x t 和r e x t 组成的函数， 当c e x t 31 0 0 0 p f 时， t w = k * r e x t * c e x t , k 为0 . 4 5 ; 当c e x t -1 0 0 0 p f 时， t w = 6 + 0 . 0 5 * c e x t ( p f ) + 0 . 4 5 * r e x t ( k q ) * c e x t + 1 1 . 6 * r e x t a c e x t 端口已在芯片的内部接了地，但是为了追求最佳的系统性能，c e x t 应 该再硬线接地。 应当注意的是得保持r e x t 和c e x t 与振荡器之间的尽可能近的距 西北工业大学硕士学位论文 离， 从而使r e x t / c e x t 接点 和r e x t / c e x t 引脚之间的感抗达到最小。 好的接地和 充足的旁路得被设计到系统中从而获得最优性能，并确保不会有失败的触发存 在。 为了能方便的调整脉冲宽度，可以 将接入的r e x t 接成一个变阻器，只要调 节变阻器的阻值，就能相应的改变t w o 在重触发时，c e x t需得先放流，之前重触发信号将没有任何作用，其放流 时间为小于0 . 2 2 c e x t ( p f ) ， 单位为毫微秒( 1 0 - ， 秒) ，典型值是0 . 0 5 c e x t ( p f ) o 为了使输出脉宽对于变化的设备所产生的偏移达到尽可能的小， c e x t被建 议去选取为)l 0 0 0 p p o 在本设计中采用的是轴向 磁极的方法来放置磁体， 在交流电 机的转子上均匀 嵌置十个钢磁， 而将霍尔元件固定着对准电 机转子， 当电机转动一圈时就会产生 十个霍尔脉冲，于是便能实时把h s i 1 上接收到的脉冲数除以十来获得电机所转 过的圈数，换言之，在储线过程中的上线长度依此便可得出。 西北工业大学硕士学位沦文 第四章基本控制环节 4 . 1步进电机 在绕线机中步进电 机是非常重要的一部分， 绕线的疏密度与步进电机的步进 速度密切相关。 由于步进电机独特的结构与驱动方式， 故在此对其作较深入的探 讨。 4 . 1 . 1步进电机基础 图 4 . 1 上图粗略画出了步进电机的两个重要组成部分: 定子和转子。 步进电 机是一 种将电脉冲转化为角位移的 执行机构. 通俗一点讲: 当 步进驱动器接收到一个脉 冲信号，它就驱动步进电 机按设定的方向转动一个固定的角度 ( 及步进角) 。可 以 通过控制脉冲个数来控制角位移量， 达到准确定位; 同时可以 通过控制脉冲频 率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。 步进电机分三种:永磁式 ( p m)，反应式 ( v r )和混合式 ( h b ) . 永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7 . 5 度或 巧 度; 西北工业大学硕士学位论文 反应式步进一般为三相， 可实现大转矩输出， 步进角一般为1 .5 度， 但噪声 和振动都很大。在欧美等发达国家8 0 年代己被淘汰: 混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。 它又分为两相和五相: 两相 步进角一般为1 . 8 度而五相步进角一般为0 .7 2 度。 这种步进电机的应用最为广泛。 一般步进电机的精度为步进角的3 - 5 % ，且不累积。 保持转矩 ( h o l d 工 n g t o r q u e ) 是指步进电 机通电 但没有转动时， 定子锁住转 子的力矩。 它是步进电机最重要的参数之一， 通常步进电机在低速时的力矩接近 保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减， 输出功率也随速 度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。 当步进电机转动时， 电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势; 频率越高， 反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率 ( 或速度)的增大而相电流减小， 从而导致力矩下降。 剖开双极型混合式步进电 机外壳看其本质 看图 4 . 1 ) ， 在它的定子极上缠绕 的绕组产生了一个旋转磁场，使用双向驱动电 流，随着绕组中电流导通的次序， 电机一步步的转动起来。 对于这样的电 机有三种驱动序列: 第一种是按照a b / c d / b a / d c 的次序给绕组施加电 压( b a 意味着给a b 绕组加 电压但以相反的方向 ) 。 这个序列叫作单相全步模式或波形驱动模式。( 见图 4 . 2 所示) 灿aoty卜 图 4 . 2 单相全步 第二种是两相同时都给施加电压，这样转动时转子总是定位在两极的中间 ( 见图 4 . 1 . 3 ) ， 这被称作两相全步模式， 对双极型步进电机来说这是很正常的驱 动序列，这样能得到最高的转矩。 图 4 . 3 两相全步 西北工业大学硕士学位论文 肛每卜 0c ?今卜 沪令 0 a 夕 c 图 4 . 4 半步模式 第三种是先给一相加压， 再给两相加压， 再一相这样电机转动时每次转半 步( 见图 4 . 4 ) ， 这叫做半步模式， 它有效的将步进电 机的步进角度减半， 但是所 给的转矩变小了。 注: 使用这三种模式时只要将加压的指令反转便能使电 机逆时针转动。 图中的电 机在全步模式下每步为9 0 0， 实际的电 机有很多极， 能将步进角减少很大程度， 但是绕组的数目和驱动的序列是不可改变的。 4 . 1 . 2步进电机及其驱动电路的选择 选择步进电 机时， 可考虑它的体积与重量; 它的步距角应该小一些， 这样在 绕线时不至于绕的太稀疏; 它的定子驱动电流不宜过高;其次还得看保持力矩， 应该选取保持力矩较小的， 以免在步进电机没有足够大的输出力矩来使转子摆脱 保持力矩的束缚。 基于以 上几点，经挑选， 对照参数， 选中了5 7 b y g 4 0 2 型号的 步进电 机， 它机身长5 7 m m ， 重6 0 呢， 步距角是1 . 8 度 ( 全步运行时) ， 定子电 流 为1 . 5 a ， 保持转据是mg . c m , ， 它的相电阻和相电 感都比 较小， 这样避免了 不少电 能的损耗， 它的定位力矩较大， 这样在电机断电时能迅速的由定子定住转子， 避 免刹车不及时而造成转位角的误差。 给步进电 机驱动， 使得步进电 机绕组上有足够的电 流流过， 并且每相的电 流 次序能满足所选择的 模式， 还能方便的启动停车、 正反 转步进、 点动。 如果需要