（电路与系统专业论文）自动绕线机的设计与实现.pdf

西北工业大学硕士学位论文 摘要 本文介绍的是一种能自动给某些电感线圈、互感器、环形变压器等不同规格 的线圈进行精确绕线的智能机器，其设计与开发涉及到单片机的应用领域、电机 的使用方面、红外线与霍尔器件的检测应用、液晶显示与键控的人机对话平台。 本文重点阐述了1 6 位单片机在绕线机整体控制中所显示出来的强大功能， 并对用于实施具体绕线的两个电机( 交流主电机和步进电机) 的使用与驱动电路 作了比较深入的研究，对于信号的检测有较详细的阐述，在文末列出了已通过编 译仿真调试的用c 语言所编写的控制程序，并对程序分段进行分析。鉴于实际因 素，现在尚未做出成品绕线机，故朱能实行整机调试。 关键词：绕线单片机红外检测液晶显示霍尔检测e 2 r o m 变频调速步进驱动 西北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ed i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e sy o uak i n do fi n t e l l e c t u a l i z e dm a c h i n e 。w h i c hc a nb e u s e dt ot h o s e p r e c i s ew i n d i n gf o rs o m el o o p so f d i f f e r e n ts t a n d a r ds u c ha si n d u c t a n c e l o o p 、m u t u a li n d u c t a n c ea p p a r a t u s 、r o u n dt r a n s f o r m e re t c t h ed e s i g na n ds t u d y i n v o l v e dt h ea p p l i c a t i o nf i e l do f s i n g l e c h i p 、t h eu s eo f e l e c t r o m o t o r 、t h ec h e c ko f i n f r a r e da n dh a l l s a p p a r a t u s 、t h e m u t u a lt a l k i n gi n t e r f a c eo fl c dd i s p l a ya n d k e y b o a r d c o n t r 0 1 i tt a k e sm 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 no ft h es i x t e e r 卜b i t s s i n g l e c h i pw h i c h c o n t r o lt h ew i n d i n gm a c h i n et ot h ew h o l e r u n n i n g t h e r ei sad e e p e r s t u d yf o rt h et w oe l e c t r o m o t o r s ( a cm a i ne l e c t r o m o t o ra n ds t e pm o t o r ) u s i n ga n d d r i v i n gc i r c u i tf o ra c t u a lw i n d i n g ，ia l s oe x p a t i a t e dt h ed e t e c to ft h o s es i g n a l s t h e c o n t r o lp r o g r a mw h i c hh a sb e e nc o m p i l e da n ds i m u l a t e dt od e b u gi sl i s t e di nt h ee n d o ft h ed i s s e r t a t i o n w h e r e a st h er e a lm a s o n ，t h ew h o l ec o m p l e t e dw i n d i n gm a c h i n e h a s h tb e e nm a d et om y e y e s ，s o ic o u l d n tm a k et h ew h o l e d e b u g k e y w o r d s ：w i n d i n gs i n g l e c h i p h a l l ，sm e a s u r e se 2 r o m s t e pm o t o r d r i v e i n f r a r e dc h e c kl 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 1 1 绕线机的简介 第一章绪论 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 i 公司开发的单片机，其早期推出的m c 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m c s 一5 1 系列8 位单片机所取代。 在m c s 一5 1 系列单片机的内核8 0 5 1 8 0 c 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 “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 us 。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 可工作于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lua 。 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、定时一 器等1 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 置集成勤愁片荫：。社向兰蒙族。芮繁稀烂茁菩稀塾崩革片机。 i n t e l 公司在8 0 5 1 8 0 c 5 1 的基础上已衍生出l o 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，因为它们包含了台 计算机所应该有的全部基本部件。从这个含义来讲，已问世的3 2 位单片机已不 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 dm 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 dp 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 - 2 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m p 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 等年龄已有近二十岁，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 o 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 m h 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 。o 9 v 供电的单片机已经问世。 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g 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 m i 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 ns y s t e mp 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 np r o g r a m m i n g ) j 置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i o 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m c s - - 9 6 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 一9 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m c s 一5 1 系 列相比，m c s - - 9 6 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，消除了一股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 ps ( 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 5us ；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，m c s - - 9 6 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，m c s - - 9 6 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，输出口。 ( 5 ) 监视定时器( w a t c h d o gt i m e r ) ，用于提高系统抗干扰能力。 ( 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y u ( 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、步迸电机等多种类型 4 - 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。 ( 1 d 从口( s l a v ep o r t ) 。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。 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 1 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 0 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。 图2 1 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 。 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 i 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 。 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环( 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1 ：3 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、 编程参数设最页面、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 l 9 9 绘制出的绕线机主电路图如下所示 2 2 操作面板设计 图2 2 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：( f ) 、 ( i ) 、( 一) 、( 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： ( f )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。 ( 4 )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：l b ：【业大学硕士学位论文 ( 复位) ( 点动) ( 编程) ( 自检) 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。 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。 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。 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。 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：首先是可咀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 b r o u d d o d l d 2 d 3 n p z x 主参数 半水木术 卑聿宰球 木半术丰 半半牢木 木斗术木水 丰水幸丰 组数 储线长度单位：m 转位方向o i 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) 卜逆时针1 顺时针 线径 压棍直径 骨架外径 骨架内径 绕线匝数 单位：m m 单位：m i l l 单位：m m 单位：吼 排线角度单位：。 在往返排线( f = i ) 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( g = l 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o i 可设 绕线时线圈按照顺时针或逆时针方向排线 0 一逆时针1 一顺时针 木木 林 料 术 西北r 业大学硕十学位论文 s u $ 刹车设置o 1 可设 o 一组与组之间或暂停时刹车后放开 l 一组与组之间或暂停时刹车后不放开 $ 绕线方式o 1 可设 多组绕线时：0 一断续绕下一组 1 一连续绕下一组 单组单向绕线时：o 一绕完3 6 0 度后继续绕 l 一绕完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 【 。 2 3 2 隐含参数 d s z料 $导梭轮直径单位：m m p r e料预制动匝数 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g ) 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 若导梭轮上本来就已经储好线了，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r 业大学硕十学位论文 3 1 光电检测 第三章检测 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 1 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 快速响应。 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。 图3 1 图3 1 为红外接收解调控制电路。图中，i c l 是红外接收头，i c 2 是l m 5 6 7 。 l m 5 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t 2 ，f 2 - = l 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 西北工业大学硕士学位论文 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 y 。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 m 5 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 2 5 m y 、频率在其带宽内的信号时，脚出高电平变成低电平， 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 m 5 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 m 5 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“l ”，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 l 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 溪爨一震 堕! ! ：! 些奎鲎翌主兰垡笙奎 体每经过霍尔电路一次，便输出一个电压脉冲。 例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： 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 号，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 片，d s 2 6 l s 3 2 a 输出信号接入到d m 7 4 l s l 2 3 n ，再把输出送到单片机的h i s 1 引脚 处理a 于是，当检测到一个轴角脉冲时，h s i i 上就会产生一个脉宽为7 6 5 微妙 的脉冲。 西北工业大学硕士学位论文 1 b 1 a 1 y g 2 y 簸 箱 s 附d 图3 5d 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。 f u n c t i q nt a b l e 爨聍f e r e 黼i 啦勖l 赢垂勰漆o u t 势l 肾 一馨棼露 y hxh v 盼津v l 粉 xl辩 hx， v l t 一董| i i b 繁謦捧+ xl， h，【 重 v i d v r t - xl1 - xlhz i txh o p e n xl鞫 表3 1l 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 超过了正阈值 电压v i t + ，输出y 为高电平。若a 与b 的差分电压v ，。低于负阈僮电压v i t 一，输 出y 为低电平。 西北工业大学硕士学位论文 lr 蒯l3 剃捌 g 捌 e 榭 图3 。6d m 7 4 l s l 2 3 n 观上图，d m 7 4 l s l 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，丽若给低电平有效的c l r 清除端加个有效信号，则基本脉宽将减 少。 l s l 2 3f 谢c t 瀚0 翻l 群毛塞 黩张雕嚣i c l 让背缉隋 gl i 置瀛嚣磊群qq 耋i瓮x 差ih 鬟hxth xxklh hl 擎 j 气、l - 鞋毒hv 掌khv 表3 2l s l 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 1 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 l o o o p f 时，t w = 6 + 0 0 5 * c e x t ( p f ) + o 4 5 * r e x t ( k q ) * c e x t + 1 1 6 * r e x t 。 c e x t 端口己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t 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 。 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 1 秒) ，典型值是0 0 5c e x t ( p f ) 。 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1 0 0 0 p f 。 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 l l 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沧文 4 1 步进电机 第四章基本控制环节 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1 5 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 年代已被淘汰； 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 i n gt 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) 每；守辔 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。 令 尊日一 图4 3 两相全步 西北丁业大学硕士学位论文 令审令令 矗_ _a 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 。，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 0 9 ，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6 k g 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 的话可以设计在不同的模式中随意的转变。由于l 2 9 7 和l 2 9 8 n 组成的电路是目 前使用得非常广泛的专门为步进电机做驱动的组合电路，它能产生高达2 a 的驱 动电流，因此选用了l 2 9 7 和l 2 9 8 n 组成驱动控制电路。 西北二【：业大学硕士学位论文 4 1 3 步进电机控制器l 2 9 7 我们能在很多地方找到l 2 9 7 的应用打印机( 滑动轮位置，菊花轮位置，纸 张流入，带子流入) ，打字机，绘图仪，数控机器，机器人，软磁盘机，电子缝 纫机，收银机，影印机，电报机，电子汽化器，电传复印机，照相设备，纸带读 出器，光学字符识别器等。 l 2 9 7 集成了用来控制双极和单极步进电机所需的所有控制回路，配合上一 个例如l 2 9 8 n 或者l 2 9 3 e 一样的双桥驱动器就能形成一个完全的双极型步进电机 接口微处理器。单极型步进电机只需l 2 9 7 和一个四达林顿管阵列便可被驱动。 l 2 9 7 步进电机控制器主要和一个l 2 9 8 n 桥式驱动器联合着使用在步进电机 的驱动应用中。它从系统的控制器( 通常是一个微机芯片) 中接受控制信号，然后 给功率放大级提供所有必需的驱动信号。另外，它包含着两个p w m 断路器来调节 电机绕组中的电流。l 2 9 7 能驱动两相双极永磁电机、四相单极永磁电机和四相 可变磁阻电机。而且，它还能应付正常模式、波形驱动和半步驱动模式。 l 2 9 7 + 驱动器的联合有许多的优点t 所需的元件很少( 因而总的开支低，可靠 性高，所需空间小) ，软件开发简化，在细微处的负担减少了。进一步而言，双 芯片方法的选择给予了高度的适应性- - l 2 9 8 n 能独立地用在直流电机上，而l 2 9 7 能使用在任意的功率放大级，包括离散的功率设备( 为此它提供2 0 m a 的驱动) 。 对于绕组电流需上升到2 a 的双极电机，l 2 9 7 应该和l 2 9 8 n 配合使用；对于 绕组电流要上升到l a 的双极电机建议使用l 2 9 3 e 。 l 2 9 7 是用s g s ( 欧洲著名的s g s - 汤姆逊电子集团) 公司的模拟数字兼容集成 注入逻辑电路制造的，它被装配成2 0 引脚的双列直插式塑封，使用5 v 电源，所 有的信号线都是t t l c m o s 兼容的或是开集电极晶体管。它的制造技术上的关键 特性之一是其高密度性，所以它的硬模很是紧密。 西北1 业火学硕士学位论文 l 2 9 7 的引脚封装图如下所示 v i2 0 21 9 31 矗 7 5 l 2 9 7 1 61 i e，3 9i 柑 图4 5l 2 9 7