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（武汉职业技术学院电子信息工程系，湖北 武汉 430074）  杨少春

杨少春（1958－）
男，河南南阳人，副教授，从事电子信息技术研究和教学工作。

1 引言

    笔者在FZ-870绕线机绕制线径为0.71mm的线圈的时候，发现其存在一个很严重的问题：绕线机的排线机构移动与主轴的运动协调性很差。因此，绕制出来的线圈质量较差，存在许多问题，如匝数较少层的导线分布杂乱无章、外形不美观、线距很难控制、行程控制误差较大。

    针对上述问题，本文对此提出解决对策与相应措施。

2  原系统存在的问题
    
    此绕线机整体组成分为两大部分：机械部分和电气（以单片机为控制器）控制部分，其系统机械运动主要是卷绕主轴运动和排线运动。主轴运动,即线圈骨架随主轴旋转运动，使漆包线在骨架上绕制；排线运动，即漆包线沿骨架轴向连续运行或者点动运行，使漆包线能够按要求均匀绕制在骨架上，因此决定绕制质量的关键是系统主轴运动与排线运动的协调。

    FZ-870绕线机系统的特点在于主轴电机和排线电机都是由单片机控制，如果在控制上不能确保，则主轴运动和排线运动的协调性也得不到保证。主轴运动速度是一定的，排线机构如何确定在主轴旋转一圈后步排线步进距离，而且在骨架长度一定的情况下，如果绕制匝数不同，步进距离也不一样。

    对于系统中出现的问题，可以归纳为步进电机工作电源，即脉冲源的精度和脉冲当量α选取的问题，可以通过实例来说明这个问题。

    现绕制一个线圈：骨架上可排线长度L为39mm，绕线线径为0.71mm，要求线圈绕制四层，第一层至第四层匝数分别是：42、40、40、28，而且28匝必须是均匀分布在骨架最外面一层，但绕制出来的线圈却并不如此，排线是直接从骨架的一端开始，全部匝数绕完停止。在主轴旋转一圈时，步进电机控制排线机构步进距离应该是一定长度。而步进电机的旋转是由其控制电源的脉冲数决定的，所以问题就在于步进电机的工作电源脉冲源的精度和脉冲当量α的选取。如果脉冲源精度不高，即脉冲的宽度不一样时，步进电机旋转的角度会准确，排线的步进距离也会不准确，绕制出来线圈在同一层上每一匝之间的距离就会不一样。而脉冲当量α是指一个脉冲过来步进电机旋转一个角度α，α角度的大小对应了排线距离的长短，如果α选取不好就直接影响到步进距离。

3  改进措施

    针对上述问题，可以通过以下途径进行解决：

    首先，采用更加先进、功能更齐全的单片机；

    其次，利用单片机输出脉冲序列作为步进电机的工作电源，控制排线距离。

    原采用的控制单片机，其采用的外围电路很少，且功能比较单一。 改进后整个系统的功能方框图如图1所示。

图1  改进后系统功能方框图

    新系统采用单片机采用美国ATMEL公司生产的AT89C51单片机。该芯片不仅具有MCS51系列单片机的所有特性，而且片内集成有4KBytes的电擦除闪存（Flash ROM），无需扩展外部ROM。可以利用AT89C51作为系统的控制器，控制步进电机。

    绕线轴运动由电机带动的皮带盘来控制，主轴运动决定了骨架随主轴旋转速度。在绕制一个线圈所有匝数时，主轴的速度是固定不变的。

    排线机构由单片机来控制，由于排线运动决定漆包线沿骨架轴向连续步进或者点动的距离。原来排线速度由面板上的速度调节电位器来控制的，现在结合排线速度要求，可以利用数字输入、单片机编程来控制步进距离，改变原系统依赖人工经验来控制匝间距离，使28匝可以均匀分布在整个骨架上面。 

    整个系统的控制思想是在主轴速度一定的前提下，先利用单片机编程计算出排线距离，再由单片机输出相应脉冲序列作为步进电机工作电源，然后再利用硬件电路对信号进行相应的处理，保证信号的稳定控制步进距离，达到均匀排线的控制要求。

    3.1  硬件电路改进

    硬件电路是AT89C51单片机的输出脉冲，经过放大电路放大处理后作为步进电机的工作电源，控制步进电机速度，以达到控制排线距离的目的。

图2  控制流程图

    在步进电机由单片机控制后，其工作电源改为单片机的输出脉冲，而单片机的输出脉冲比较稳定。再经过放大电路处理之后，信号更加稳定，没有干扰。在绕制一个线圈时，所有输出脉冲系列中的高电平是一定的，无论哪一层的脉冲高电平值都是相同的，不同的是每一层脉冲系列的占空比，通过调节占空比来改变步进的间距，这样，不管高速还是低速，速度都是稳定的。

    3.2  软件改进

    软件编程是先输入骨架可排线长度、所需绕制的匝数以及主绕电机当前的速度，再由单片机计算出匝与匝之间的间距，然后将此间距转化成一个脉冲系列。其关键在于如何确定输出脉冲系列的波形。

    主轴的运行速度是一定的，即380rpm。主轴旋转一圈需要0.1578s，在这段时间内，步进电机旋转一定圈，才能使排线在整个骨架上是均匀。

    步进电机的工作电源是脉冲序列，一个脉冲信号使步进电机旋转角度为α，步进电机旋转一周，排线机构步进距离为L，步进电机旋转一周需要 个脉冲信号，若骨架长为H，排线匝数为28匝，则每一匝之间距离为 （包括线径），每一个间距驱动需要 个脉冲信号。

    在主轴旋转一圈的时候，步进电机需要接受到（1+ ）脉冲信号。每一个脉冲信号的时间是 s。

    对应单片机输出信号也是一样的电平值，对应输出脉冲序列也是一样的。若匝数为42时，只需要将步进距离所需脉冲个数改为即可。
编程思路如下：

    (1)  确定骨架长H和所需绕的匝数X；

    (2)  算出主轴旋转一圈时步进电机所需的脉冲信号和排线机构的步进距离；

    (3)  在完成（1+  ）脉冲信号后，单片机发出一个中断信号；

    (4)  单片机检测中断源，是否有中断信号输出，并且利用累加器Acc计算中断信号的个数，直到计数值等于需绕匝数X为止，系统停止运行。

    两个子程序软件流程图如图3所示。

图3  控制软件流程图

4  结语

    改进后绕线机采用了比原系统功能更强的单片机―AT89C51单片机，可以解决排线机构在运行时出现的问题，利用单片机控制步进电机，可以使绕制出来线圈每一层匝数分布均匀，同时也可以保证机器在低速运行时速度保持稳定。实践证明，绕制出来的线圈性能比以前更加稳定，而且外观也比以前要整齐。

参考文献
[1]  AT89C51:8-Bit Microcontroller with 4K Bytes Flash. Atmel Corp.
[2]  何立民. MCS-51系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术[M]. 北京航空航天大学出版社, 1996.
[3]  李永东. 交流电机数字控制系统[M]. 机械出版社, 2002.