2004年9月第23卷第3期
沈阳工业学院学报
JOURNA L OF SHE NY ANG INSTIT UTE OF TECHNO LOGY V ol.23N o.3
Sep.2004
文章编号:1003-1251(2004)03-0036-03
全自动绕线机单片机控制系统的设计与开发
方天红,龚 民,陈白宁
(沈阳理工大学机械工程学院,辽宁沈阳110168)
摘 要:介绍了一种全自动绕线机的单片机控制系统,主要对绕线机的硬件和软件两方
面的设计进行了研究.系统采用直流无刷电动机提供绕制动力,具有精密绕线、排线、断线处理等功能,并采用了具有看门狗功能的专用芯片、软件处理、光电隔离等抗干扰措施,提高绕线机的抗干扰能力.关
键
词:绕线机;单片机;直流无刷电动机
中图分类号:TP271.4 文献标识码:A
收稿日期:2004-04-26
作者简介:方天红(1979—
)男,湖北赤壁人,硕士研究生. 全自动绕线机是机电一体化产品,是线圈、变
压器、绕线电阻等的绕制设备,核心部分采用51系列单片机来实现绕线机的实时自动控制,不仅计数和排线工作能按照设定的参数自动完成,而且具有实时调速、断线自动停机,精密绕线等功能.
1 系统的基本结构和工作原理
本设计中的全自动绕线机单片机控制系统,主要由步进电机及其自动排线机构、直流无刷电动机及其控制器和单片机控制系统组成.通过单片机控制系统,对步进电机的工作状态和直流无刷电动机主轴的转速进行控制,实现不同尺寸的线径的精密排线.单片机控制系统结构图如图1所示
.
图1 单片机控制系统结构图
2 系统的硬件设计
2.1 直流无刷电动机的控制与检测
直流无刷电动机兼有直流电动机调整和启动性能好以及异步电动机结构简单无需维护的优点,
且在电机转速控制方面,绝大多数场合的数字调速系统已经取代模拟调速系统.基于以上原因,本设计采用直流无刷电动机和单片机控制系统,可以编程控制,应用广且灵活方便.
在本控制器中,直流无刷电动机的测速、位置检测和换向利用了同一套传感装置,即固定于电机端盖上的三个霍尔集成芯片,三个霍尔元件相位相差120°.电机旋转时,磁铁每越过一次霍尔芯片,就产生一个霍尔电势,经放大、整形后输出一个脉冲,利用单片机测得脉冲周期就可计算转速,方波频率正比于电机转速.控制器逆变器回路采用的六个功率管型号为IRF540N ,采用两两导通方式,即每一瞬间有两个功率管导通,每个功率管连续导通120°电角度,每隔60°电角度定子绕组电流换向一次,在电机旋转360°电角度内,由三个霍尔元件信号的状态组成状态字,状态字发生变化的时刻也是定子绕组电流将要发生换相的时刻.
在恒定电源电压、稳速情况下,电机的运动方程式可表示为:T em =K T ・Ie
式中:T em 为平均电磁转矩,N ・m ;K T 为等效转矩常数;I e 为平均电流,A .
则直流无刷电动机转矩—电流特性是线性的,
本设计中直流无刷电动机的控制原理如图2所示,直流无刷电动机控制采用PI D 控制,电流环采用
PI D 算法,速度环采用PI 算法
.
图2 直流无刷电动机的控制原理图
2.2 故障处理电路
系统的故障处理电路包括断丝,程序进入死循环等.断丝信号通过发光二极管和光敏三极管进行检测,实时检测断丝信号并控制相应的动作,以保证绕线机的正常工作.对于程序进入死循环,有专门的看门狗电路,采用专用芯片MAX813L.2.3 单片机测速电路
一般来说,电机转速是一个低频信号,对于低频信号的测量,多采用周期测量法.给单片机的测速信号是由直流无刷电动机控制器送过来的脉冲信号,将单片机的内定时/计数器T 1定为16位定时器,定时器的开关由P313口上的状态进行控制,检测到上升沿开T 1计数,当紧接的另一个上升沿被检测到时关T 1计数,T 1中的数值即为脉冲周期.2.4 匝数计数电路
利用可编程计数器8253进行匝数的统计,直流无刷电动机控制器的转速脉冲信号送到8253的C LK 0管脚,由键盘输入匝数参数,并通过单片机对8253进行编程,到达设定的匝数后,8253发出中断
请求信号到80C31的P312口,单片机响应中断请求后,进行相关操作.2.5 速度协调处理
解决断丝情况,需有稳速电路,直流无刷电动机的稳速电路接单片机的D/A 转换电平,单片机将所测得的频率与给定的频率比较,从而通过计算、查表决定D/A 的大小,以决定电机是加速还是减速.在绕线的过程中还有一个关键问题就是保证直流无刷电动机和步进电机的速度协调问题,本设计采用直流无刷电动机每旋转一圈,步进电机推动丝杠螺母走一个绕线线径.由单片机输出控制信号给步进电机控制器,决定步进电机的正反转、步进速
度以及启停.由计算得知直流无刷电动机主轴转速
ω和步进电机转速f 的关系为ω/f =2πδ/D.其中δ为步进电机的脉冲当量,D 为输入的绕线的直径.
3 系统控制软件设计
本系统软件设计采用了模块化,功能化,子程序化的方法,提高了机器的通用性和标准性,同时便于软件调试,链接和移植.
在本系统中,大多数程序动作是由特定的事件触发的,因此决定了程序的总体结构是由多个中断服务程序模块来完成系统的主要工作,也只有这样才能满足系统对这些事件的实时响应要求.主程序结构如图
3所示.
图3 主程序结构图
4 结束语
本系统采取的抗干扰措施,能很好的经受住工
业现场的干扰,并表现出很好的可靠性和故障恢复能力.此设备在实际中的应用,必将大大减轻工人的劳动,提高生产效益和绕线的自动化程度以及精度.在单机控制系统设计的基础上,应该朝着生产和管理实现智能化和网络化方向发展.
参考文献:
[1]何立民.MCS -51系列单片机应用系统设计[M].北京:北京航
天航空大学出版社,2000.
[2]杜坤梅,李铁才.电机控制技术[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学
出版社,2000.
[3]张琛.直流无刷电动机原理及其应用[M].北京:机械工业出版
社,1999.
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73・第3期 方天红等:全自动绕线机单片机控制系统的设计与开发
The Design and Development of Single 2Chip Microcomputer Control System
for the Fully 2Automatic Wire Winder FANG T ian 2hong ,G ONG Min ,CHE N Bai 2ning
(Shenyang Lig ong University ,Shenyang 110168,China )
Abstract :In this paper ,the single 2chip microcom puter control system for the fully 2automatic wire winder is intro 2duced ,including the hardware and s oftware design.In this system ,a brushless DC m otor is adooted ,which is easy to control ,to provide winding power.The functions of this system contain the precise winding ,disposal of break threads and s o on.And several anti -interference measures ,such as special W DT IC ,s oftware methods and photoelectrical is olation are used ,to increase the anti 2interference ability of the wire winder system.K ey w ords :wire winder ;single 2chip microcom puter ;brushless DC m otor
(上接第28页)
Implementation of the Adaptive FIR Filter Using DSP in the N oise Control
ZHAO jing ,T ANG jian
(Shenyang Lig ong University ,Shenyang 110168,China )
Abstract :DSP is used widely in various fields recently.In this article ,double parameters are adopted in the design of
adaptive FIR (finite im pulse response )digital filter ,and are used to realize the LMS alg orithm for the design.At last ,the core program of DSP is given.
K ey w ords :DSP (Digital Signal Processing );adaptive filter ;LMS (Least Mean Square )alg otithm
・83・沈阳工业学院学报 2004年。