（武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系，湖北 武漢 430074）  楊少春

楊少春（1958－）
男，河南南陽人，副教授，從事電子信息技術(shù)研究和教學(xué)工作。

1 引言

    筆者在FZ-870繞線機(jī)繞制線徑為0.71mm的線圈的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)其存在一個(gè)很嚴(yán)重的問題：繞線機(jī)的排線機(jī)構(gòu)移動(dòng)與主軸的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性很差。因此，繞制出來的線圈質(zhì)量較差，存在許多問題，如匝數(shù)較少層的導(dǎo)線分布雜亂無章、外形不美觀、線距很難控制、行程控制誤差較大。

    針對上述問題，本文對此提出解決對策與相應(yīng)措施。

2  原系統(tǒng)存在的問題
    
    此繞線機(jī)整體組成分為兩大部分：機(jī)械部分和電氣（以單片機(jī)為控制器）控制部分，其系統(tǒng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)主要是卷繞主軸運(yùn)動(dòng)和排線運(yùn)動(dòng)。主軸運(yùn)動(dòng),即線圈骨架隨主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使漆包線在骨架上繞制；排線運(yùn)動(dòng)，即漆包線沿骨架軸向連續(xù)運(yùn)行或者點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行，使漆包線能夠按要求均勻繞制在骨架上，因此決定繞制質(zhì)量的關(guān)鍵是系統(tǒng)主軸運(yùn)動(dòng)與排線運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)。

    FZ-870繞線機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)在于主軸電機(jī)和排線電機(jī)都是由單片機(jī)控制，如果在控制上不能確保，則主軸運(yùn)動(dòng)和排線運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)性也得不到保證。主軸運(yùn)動(dòng)速度是一定的，排線機(jī)構(gòu)如何確定在主軸旋轉(zhuǎn)一圈后步排線步進(jìn)距離，而且在骨架長度一定的情況下，如果繞制匝數(shù)不同，步進(jìn)距離也不一樣。

    對于系統(tǒng)中出現(xiàn)的問題，可以歸納為步進(jìn)電機(jī)工作電源，即脈沖源的精度和脈沖當(dāng)量α選取的問題，可以通過實(shí)例來說明這個(gè)問題。

    現(xiàn)繞制一個(gè)線圈：骨架上可排線長度L為39mm，繞線線徑為0.71mm，要求線圈繞制四層，第一層至第四層匝數(shù)分別是：42、40、40、28，而且28匝必須是均勻分布在骨架最外面一層，但繞制出來的線圈卻并不如此，排線是直接從骨架的一端開始，全部匝數(shù)繞完停止。在主軸旋轉(zhuǎn)一圈時(shí)，步進(jìn)電機(jī)控制排線機(jī)構(gòu)步進(jìn)距離應(yīng)該是一定長度。而步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)是由其控制電源的脈沖數(shù)決定的，所以問題就在于步進(jìn)電機(jī)的工作電源脈沖源的精度和脈沖當(dāng)量α的選取。如果脈沖源精度不高，即脈沖的寬度不一樣時(shí)，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度會(huì)準(zhǔn)確，排線的步進(jìn)距離也會(huì)不準(zhǔn)確，繞制出來線圈在同一層上每一匝之間的距離就會(huì)不一樣。而脈沖當(dāng)量α是指一個(gè)脈沖過來步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度α，α角度的大小對應(yīng)了排線距離的長短，如果α選取不好就直接影響到步進(jìn)距離。

3  改進(jìn)措施

    針對上述問題，可以通過以下途徑進(jìn)行解決：

    首先，采用更加先進(jìn)、功能更齊全的單片機(jī)；

    其次，利用單片機(jī)輸出脈沖序列作為步進(jìn)電機(jī)的工作電源，控制排線距離。

    原采用的控制單片機(jī)，其采用的外圍電路很少，且功能比較單一。 改進(jìn)后整個(gè)系統(tǒng)的功能方框圖如圖1所示。

圖1  改進(jìn)后系統(tǒng)功能方框圖

    新系統(tǒng)采用單片機(jī)采用美國ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C51單片機(jī)。該芯片不僅具有MCS51系列單片機(jī)的所有特性，而且片內(nèi)集成有4KBytes的電擦除閃存（Flash ROM），無需擴(kuò)展外部ROM。可以利用AT89C51作為系統(tǒng)的控制器，控制步進(jìn)電機(jī)。

    繞線軸運(yùn)動(dòng)由電機(jī)帶動(dòng)的皮帶盤來控制，主軸運(yùn)動(dòng)決定了骨架隨主軸旋轉(zhuǎn)速度。在繞制一個(gè)線圈所有匝數(shù)時(shí)，主軸的速度是固定不變的。

    排線機(jī)構(gòu)由單片機(jī)來控制，由于排線運(yùn)動(dòng)決定漆包線沿骨架軸向連續(xù)步進(jìn)或者點(diǎn)動(dòng)的距離。原來排線速度由面板上的速度調(diào)節(jié)電位器來控制的，現(xiàn)在結(jié)合排線速度要求，可以利用數(shù)字輸入、單片機(jī)編程來控制步進(jìn)距離，改變原系統(tǒng)依賴人工經(jīng)驗(yàn)來控制匝間距離，使28匝可以均勻分布在整個(gè)骨架上面。 

    整個(gè)系統(tǒng)的控制思想是在主軸速度一定的前提下，先利用單片機(jī)編程計(jì)算出排線距離，再由單片機(jī)輸出相應(yīng)脈沖序列作為步進(jìn)電機(jī)工作電源，然后再利用硬件電路對信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理，保證信號(hào)的穩(wěn)定控制步進(jìn)距離，達(dá)到均勻排線的控制要求。

    3.1  硬件電路改進(jìn)

    硬件電路是AT89C51單片機(jī)的輸出脈沖，經(jīng)過放大電路放大處理后作為步進(jìn)電機(jī)的工作電源，控制步進(jìn)電機(jī)速度，以達(dá)到控制排線距離的目的。

圖2  控制流程圖

    在步進(jìn)電機(jī)由單片機(jī)控制后，其工作電源改為單片機(jī)的輸出脈沖，而單片機(jī)的輸出脈沖比較穩(wěn)定。再經(jīng)過放大電路處理之后，信號(hào)更加穩(wěn)定，沒有干擾。在繞制一個(gè)線圈時(shí)，所有輸出脈沖系列中的高電平是一定的，無論哪一層的脈沖高電平值都是相同的，不同的是每一層脈沖系列的占空比，通過調(diào)節(jié)占空比來改變步進(jìn)的間距，這樣，不管高速還是低速，速度都是穩(wěn)定的。

    3.2  軟件改進(jìn)

    軟件編程是先輸入骨架可排線長度、所需繞制的匝數(shù)以及主繞電機(jī)當(dāng)前的速度，再由單片機(jī)計(jì)算出匝與匝之間的間距，然后將此間距轉(zhuǎn)化成一個(gè)脈沖系列。其關(guān)鍵在于如何確定輸出脈沖系列的波形。

    主軸的運(yùn)行速度是一定的，即380rpm。主軸旋轉(zhuǎn)一圈需要0.1578s，在這段時(shí)間內(nèi)，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一定圈，才能使排線在整個(gè)骨架上是均勻。

    步進(jìn)電機(jī)的工作電源是脈沖序列，一個(gè)脈沖信號(hào)使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度為α，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周，排線機(jī)構(gòu)步進(jìn)距離為L，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周需要 個(gè)脈沖信號(hào)，若骨架長為H，排線匝數(shù)為28匝，則每一匝之間距離為 （包括線徑），每一個(gè)間距驅(qū)動(dòng)需要 個(gè)脈沖信號(hào)。

    在主軸旋轉(zhuǎn)一圈的時(shí)候，步進(jìn)電機(jī)需要接受到（1+ ）脈沖信號(hào)。每一個(gè)脈沖信號(hào)的時(shí)間是 s。

    對應(yīng)單片機(jī)輸出信號(hào)也是一樣的電平值，對應(yīng)輸出脈沖序列也是一樣的。若匝數(shù)為42時(shí)，只需要將步進(jìn)距離所需脈沖個(gè)數(shù)改為即可。
編程思路如下：

    (1)  確定骨架長H和所需繞的匝數(shù)X；

    (2)  算出主軸旋轉(zhuǎn)一圈時(shí)步進(jìn)電機(jī)所需的脈沖信號(hào)和排線機(jī)構(gòu)的步進(jìn)距離；

    (3)  在完成（1+  ）脈沖信號(hào)后，單片機(jī)發(fā)出一個(gè)中斷信號(hào)；

    (4)  單片機(jī)檢測中斷源，是否有中斷信號(hào)輸出，并且利用累加器Acc計(jì)算中斷信號(hào)的個(gè)數(shù)，直到計(jì)數(shù)值等于需繞匝數(shù)X為止，系統(tǒng)停止運(yùn)行。

    兩個(gè)子程序軟件流程圖如圖3所示。

圖3  控制軟件流程圖

4  結(jié)語

    改進(jìn)后繞線機(jī)采用了比原系統(tǒng)功能更強(qiáng)的單片機(jī)―AT89C51單片機(jī)，可以解決排線機(jī)構(gòu)在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的問題，利用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)，可以使繞制出來線圈每一層匝數(shù)分布均勻，同時(shí)也可以保證機(jī)器在低速運(yùn)行時(shí)速度保持穩(wěn)定。實(shí)踐證明，繞制出來的線圈性能比以前更加穩(wěn)定，而且外觀也比以前要整齊。

參考文獻(xiàn)
[1]  AT89C51:8-Bit Microcontroller with 4K Bytes Flash. Atmel Corp.
[2]  何立民. MCS-51系列單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)配置與接口技術(shù)[M]. 北京航空航天大學(xué)出版社, 1996.
[3]  李永東. 交流電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)[M]. 機(jī)械出版社, 2002.