变压器的智能绕线功能系统设计方案.docx
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变压器的智能绕线功能系统设计方案
变压器的智能绕线功能系统设计方案
1前言
随着电子电器工业的发展,线圈的需求量越来越大、品种也越来越多,从大型的电力变压器、牵引电机绕组到充电用的微型线圈、节能灯具用线圈,以及各类电子设备都使用线圈。
绕线机是用来绕制线圈的设备。
在使用的各种绕线机中,有最早的手工绕线,现在大都用机械式的绕线机。
机械式绕线机精度较差,线圈需逐匝检验,工作效率较低,劳动强度高,尤其是机械式绕线机由于没有采用自动控制技术,线滚子由于惯性超越运行,散线易划去表面绝缘层,影响产品质量。
现在国内绕线机已有了全自动、多功能、自动化产品。
从线圈生产的上线、排线、馈线、到线圈绕制下线等,都实现了过程自动化。
从绕线机的控制形式上看,从单一的开环控制发展到使用直流伺服系统和交流伺服系统的闭环控制,已经形成了由单轴绕制线圈到多轴同时绕制多个线圈的系列产品。
但这些先进的绕线机产品价格很高,对中小型电机制造企业的绕线使用来说,功能有比较大的冗余,价格太高,一旦出现故障自己难以维修,所以针对某中小型电机制造厂使用机械式绕线机的缺点,根据实际生产的要求,研制成本低、功能满足使用要求、简单易学、操作方便的数控绕线机。
在我国已生产和使用了多年,改革开放以来,我国元器件厂也引进了许多国外的绕线机。
常见的有平行绕线机、环行绕线机及各种特种绕线机等。
在绕制细微漆包线时,这些机器都会遇到共同的问题,如无法达到整齐排线,绕线张力无法控制等,特别是绕制0.1mm以下的一些音圈、传感器机芯等线圈时,问题尤为突出。
针对这种情况,我们研制了这种适用于细微漆包线的绕线机,很好地解决了这个问题,用它绕制的磁电式测振传感器机芯线圈,张力稳定,线圈直流电阻一致性好,排线整齐,外观达到了“镜面”效果变压器、线圈以及其他绕组是电器设备常用的部件,这些部件一般由绕线设备绕制而成。
绕线骨架有效长度、绕线线径以及绕线圈数是影响部件电气性能的3个主要技术参数,同时,也是评价绕线设备绕线质量的重要功能指标。
由于单片微机的出现和其在实时控制系统应用方面表现出的优异功能,使现代绕线机越来越多地采用单片机作为其控制电路的核心,通过适当设计可以克服上述问题,并能实现人--机对话。
本文提出了一种采用AVR单片微机为核心的智能绕线机控制电路。
由微机控制的绕线机通常由四部分组成:
电源、微机控制电路、定位伺服放大系统和机头。
其电源部分由主电源和数控电源组成,以向电机、控制电路和伺服放大系统等提供电能;定位伺服放大系统可采用脉宽调制控制伺服放大器。
通过改变直流伺服电动机电枢上的电压控制电动机转速,改变脉冲个数控制电机转过的角度,从而实现准确定位和较大范围调速;本文利用步进电机变细分驱动排线机构、直流电机调速驱动绕头,以单片机作为控制微机开发了新型自动绕线机。
该机能在有效长度不同的绕线骨架上,对不同线径的绕线实现定圈数高质量绕排,具有结构简单,变通性强,性能价格比较高等优点。
绕制绕组的设备一般都装有计数器,常用的计数器有机械式和电子式计数器。
准确快速地计数对保证产品质量和提高工作效率非常重要。
在绕组绕制过程中,当绕组匝数达到规定值停机时,由于绕线机转动惯量很大,因而绕线机不会立刻停止转动,即使是采取提前停机的措施也很难正好绕到绕组规定的匝数,还需要进行正转或反转的调整。
为此设计了一种绕线机自动计数控制器,能进行绕线机自动起、停控制和正、反转计数。
该计数控制器在测试中取得了满意的效果。
该装置运用了先进的新型MCU和显示驱动专用芯片,使其计数、显示、控制一气呵成,形成了集成度高、运行可靠、操作安全的智能化控制系统。
这种简捷、清晰、精锐的系统结构不但可用于绕线机的控制装置,也可改造并使其它机械设备的智能化程度得到提高。
1系统概述
1.1系统功能要求
1)用户能够输入产品的参数信息。
2)采用PWM控制,无极变速,慢速启动
3)自动排线,换向灵敏,到匝自动停车
4)绕制线圈最大外径:
120mm
5)绕制线圈最大长度:
180mm
6)绕制线圈最小长度:
3mm
7)绕制线圈线径范围:
0.03~0.5mm
8)计数器范围:
0~99999圈
9)主轴转速:
80~2500转/分钟
10)断线时停车报警
11)液晶屏显示参数
12)能够保存30个产品参数信息
1.2系统组成
经过分析系统功能的要求,可以将各部分功能分别由硬件完成,或硬件与软件共同完成。
得出系统的框图如图1.1。
图1.1系统组成
在硬件设计时需考虑上面所述的1),2),10),11)点。
硬件部分应该包含:
主轴电机控制电路,排线电机控制电路,圈数计数电路,排线到位检测电路,键盘输入电路,显示电路,电源电路。
此外,硬件电路设计时要考虑数字与模拟间的抗干扰问题,采取有效的抗干扰措施。
在软件设计时需考虑上面所述的1)~12)各点。
软件部分应该实现:
键盘按键的捕捉识别,主轴电机的控制,排线电机的控制,数据的显示,参数的存取,圈数计数,断线报警。
2系统设计方案的比较
2.1控制器的方案论证与选择
方案一:
采用可编程逻辑器件CPLD作为控制器。
CPLD可以实现各种复杂的逻辑功能、规模大、密度高、体积小、稳定性高、IO资源丰富、易于进行功能扩展。
采用并行的输入输出方式,提高了系统的处理速度,适合作为大规模控制系统的控制核心。
但本系统不需要复杂的逻辑功能,对数据的处理速度的要求也不是非常高。
且从使用及经济的角度考虑我们放弃了此方案。
方案二:
采用凌阳公司的16位单片机,它是16位控制器,具有体积小、驱动能力高、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强等特点。
处理速度高,尤其适用于语音处理和识别等领域。
但是当凌阳单片机在语音处理和辨识时,由于其占用的CPU资源较多而使得处理其它任务的速度和能力降低。
方案三:
采用Atmel公司的ATmaga16L单片机作为主控制器。
ATmaga16是一个低功耗,高性能的8位单片机,片内含16k空间的可反复擦些100,000次的Flash只读存储器,具有1Kbytes的随机存取数据存储器(RAM),32个IO口,2个8位可编程定时计数器,1个16位可编程定时计数器,四通道PWM,内置8路10位ADC。
且maga系列的单片机可以在线编程、调试,方便地实现程序的下载与整机的调试。
从各个角度考虑,方案三的可行性高。
2.2直流电机驱动电路的方案论证与选择
方案一:
使用模拟电路,通过电位器调节电机两端电压进行调速。
如图2.1,达林顿管串联在直流电机回路上,通过调节电位器改变电机回路的电流的大小,从而达到控制电机速度的目的。
此方案的优点在,电路简单,通过一个电位器就可以达到调节电机速度的目的,但它也存在明显的不足,三极管工作在放大区时在电机回路上将产生一个0.7~24V的压降,会产生很多的热量,效率很低。
方案二:
利用PWM控制电机调速。
PWM控制是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术,广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。
PWM控制技术[1]的理论基础是:
冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同。
PWM对半导体器件的导通和关断进行控制,是输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲,用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。
按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制,既可改变逆变电路输出电压的大小,也改变输出频率。
如图2.2所示,将方案一中的达林顿管换成场效应管。
从场效应管的栅极输入一PWM脉冲,通过调节PWM波的占空比来控制场效应管导通与截止的时间比,从而达到调整电机速度的效果。
由于场效应管工作在开关状态,且导通电阻很小,可达10毫欧,所以用此电路的效率很高,但必须有PWM波电路。
图2.1电机驱动方式1图2.2电机驱动方式2
比较方案一与方案二,方案二的优势显著,且ATmaga16L单片机集成了PWM波输出,可以通过软件来实现电机速度的调节,所以选择方案二。
2.3显示电路的方案论证与选择
方案一:
采用数码管显示。
数码管显示的亮度高,显示效果鲜明,且价格低,软件编程简单,但数码管显示内容单一,只限于显示数字,显示的区域小,硬件连接麻烦。
如图2.3。
图2.3数码管显示的效果
方案二:
采用液晶屏显示。
液晶屏显示的内容多,不仅可以显示数字,还可以显示汉字和字母,显示区域也比数码管的大。
可以通过编程实现菜单操作,用户操作起来很方便简单。
如图2.4。
图2.4液晶显示的效果
本系统要显示的数据较多,要存取的数据也多,用液晶显示可以设计成菜单结构,显示内容直观,操作方便,故选择方案二比较合适。
3系统硬件设计
3.1单片机电路
3.1.1AVR单片机内部结构
AVR单片机[2]内部资源非常丰富,集成了各种常用的外围设备,如图3.1所示,主要由以下部分组成:
●16K字节擦写寿命10000次的系统内可编程Flash
●具有独立锁定位的可选Boot代码区
●片上Boot程序实现系统内编程
●可同时读写操作的512字节擦写寿命100000次的EEPROM
●1K字节的片内SRAM
●可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密
●JTAG接口,标准的边界扫描功能支持扩展的片内调试功能
●通过JTAG接口实现对Flash、EEPROM、熔丝位和锁定位的编程
●两个具有独立预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器
●一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器
●具有独立振荡器的实时计数器RTC
●四通道PWM
●8路10位ADC
●2个具有可编程增益(1x,10x,或200x)的差分通道
●面向字节的两线接口IIC
●两个可编程的串行USART
●可工作于主机/从机模式的SPI串行接口
●具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器TWI
●片内模拟比较器
●上电复位以及可编程的掉电检测BOD
●片内经过标定的RC振荡器
●片内/片外中断源
●6种睡眠模式:
空闲、ADC噪声抑制、省电、掉电、Standby模式
●32个可编程的I/O口
AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。
所有的寄存器都直接与算逻单元(ALU)相连接,使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。
这种结构大大提高了代码效率,并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的数据吞吐率。
AVR的ATmega16有如下特点:
16K字节的系统内可编程Flash(具有同时读写的能力,即RWW),512字节EEPROM,1K字节SRAM,32个通用I/O口线,32个通用工作寄存器,用于边界扫描的JTAG接口,支持片内调试与编程,三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器(T/C),片内/外中断,可编程串行USART,有起始条件检测器的通用串行接口,8路10位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP封装)的ADC,具有片内振荡器的可编程看门狗定时器,一个SPI串行端口,以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。
工作于空闲模式时CPU停止工作,而USART、两线接口、A/D转换器、SRAM、T/C、SPI端口以及中断系统继续工作;掉电模式时晶体振荡器停止振荡,所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作;在省电模式下,异步定时器继续运行,允许用户保持一个时间基准,而其余功能模块处于休眠状态;ADC噪声抑制模式时终止CPU和除了异步定时器与ADC以外所有I/O模块的工作,以降低ADC转换时的开关噪声;Standby模式下只有晶体或谐振振荡器运行,其余功能模块处于休眠状态,使得器件只消耗极少的电流,同时具有快速启动能力;扩展Standby模式下则允许振荡器和异步定时器继续工作。
是以Atmel高密度非易失性存储器技术生产的。
片内ISPFlash允许程序存储器通过ISP串行接口,或者通用编程器进行编程,也可以通过运行于AVR内核之中的引导程序进行编程。
引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用Flash存储区(ApplicationFlashMemory)。
在更新应用Flash存储区时引导Flash区(BootFlashMemory)的程序继续运行,实现了RWW操作。
通过将8位RISCCPU与系统内可编程的Flash集成在一个芯片内,ATmega16成为一个功能强大的单片机,为本系统的应用提供了灵活的解决方案。
图3.1单片机内部结构
3.1.2AVR单片机引脚功能
图3.2AVR单片机引脚功能
图3.2是AVR单片机DIP封装的引脚图,以下是各引脚功能说明。
VCC数字电路的电源
GND地
端口A(PA7..PA0)端口A做为A/D转换器的模拟输入端。
端口A为8位双向I/O口,具有可编程的内部上拉电阻。
其输出缓冲器具有对称的驱动特性,可以输出和吸收大电流。
作为输入使用时,若内部上拉电阻使能,端口被外部电路拉低时将输出电流。
在复位过程中,即使系统时钟还未起振,端口A处于高阻状态。
端口B(PB7..PB0)端口B为8位双向I/O口,具有可编程的内部上拉电阻。
其输出缓冲器具有对称的驱动特性,可以输出和吸收大电流。
作为输入使用时,若内部上拉电阻使能,端口被外部电路拉低时将输出电流。
在复位过程中,即使系统时钟还未起振,端口B处于高阻状态。
端口B也可以用做其他不同的特殊功能。
端口C(PC7..PC0)端口C为8位双向I/O口,具有可编程的内部上拉电阻。
其输出缓冲器具有对称的驱动特性,可以输出和吸收大电流。
作为输入使用时,若内部上拉电阻使能,端口被外部电路拉低时将输出电流。
在复位过程中,即使系统时钟还未起振,端口C处于高阻状态。
如果JTAG接口使能,即使复位出现引脚PC5(TDI)、PC3(TMS)与PC2(TCK)的上拉电阻被激活。
端口C也可以用做其他不同的特殊功能。
端口D(PD7..PD0)端口D为8位双向I/O口,具有可编程的内部上拉电阻。
其输出缓冲器具有对称的驱动特性,可以输出和吸收大电流。
作为输入使用时,若内部上拉电阻使能,则端口被外部电路拉低时将输出电流。
在复位过程中,即使系统时钟还未起振,端口D处于高阻状态。
端口D也可以用做其他不同的特殊功能。
RESET复位输入引脚。
持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。
门限时间见P36Table15。
持续时间小于门限间的脉冲不能保证可靠复位。
XTAL1反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端。
XTAL2反向振荡放大器的输出端。
AVCCAVCC是端口A与A/D转换器的电源。
不使用ADC时,该引脚应直接与VCC连接。
使用ADC时应通过一个低通滤波器与VCC连接。
AREFA/D的模拟基准输入引脚。
3.1.3AVR单片机最小系统电路
图3.3是AVR单片机最小系统电路图,图中U1是AVR单片机,是整个系统的核心控制单元,R1和C1组成单片机的复位电路,晶振XTAL,和C1,C2是单片机时钟源的辅助电路。
AVR单片机的外围电路非常简单,使系统更加的简单,提高可靠性,降低故障率。
图3.3AVR单片机最小系统电路
复位电路是为了保证单片机在正式运行程序之前,将内部各个功能寄存器的状态回复到初始状态,以保证单片机按照程序设计者的意图运行。
R1与C1构成RC电路,在系统上电后,单片机复位端电压渐渐升高,当电压升高到复位端RESET门限电压0.9V时,单片机完成复位,在系统断电后,C1通过复位引脚内部电路放电,在下一次上电时又可以进行复位过程。
由于刚上电时,电路中的电容,电感的存在,电路电源的稳定需要一定时间才能使单片机正常可靠运行,所以复位时间长对系统的可靠性有利。
电路中R1选10k,C1选10uF,复位时间在10MS以上,可以可靠的对单片机进行复位。
R1,C1应该靠近单片机,与单片机的连线短些,可以减少因为周围干扰一起的错误复位动作。
由参考文献[11,124-125]可知。
使用外部晶振速度快,频率稳定,抗干扰强,适合在周围用电环境复杂,系统可靠性要求高的电路中。
晶振XTAL,和C1,C2与单片机内部时钟源电路一起组成8M的时钟频率,供给单片机内部使用,单片机的熔丝配置中应该选择使用外部晶振选项。
晶振,校正电容C2,C3,与单片机的连线应该越短越好,且周围不要有大电流回路,尽量不要在晶振底部走线,晶振的金属外壳要与地相连,可以提高时钟电路的稳定性和可靠性。
3.1.4AVR单片机PWM电路
为了调节电机速度,设计方案中选择了PWM方式,AVR单片机内部集成了PWM模块,通过编程可以实现PWM的频率和占空比的调整。
以下是AVR单片机PWM模块的工作原理。
图3.4PWM产生原理
图3.4是PWM占空比调整的原理图。
计时器重复地从BOTTOM计到MAX,然后又从MAX倒退回到BOTTOM。
在一般的比较输出模式下,当计时器往MAX计数时若发生了TCNTn与OCRn的匹配,OCn将清零为低电平;而在计时器往BOTTOM计数时若发生了TCNTn与OCRn的匹配,OCn将置位为高电平。
因此通过设置OCRn的值就可以改变PWM的占空比。
PWM的周期可以通过设置TCNTn计数脉冲的频率来调整,如果用系统时钟,则同过选择分频比就可以得到所需的PWM波的频率。
PWM周期的选择直接关系到电机控制的性能,PWM频率太低,则电机转动不顺畅,抖动,噪声大,输出力矩不稳定。
PWM频率太高,则驱动电机的功率管长期工作在高频开关状态,发热量大,效率低,还容易烧毁。
一般选择PWM频率为15KHZ,可兼顾两方面的要求。
3.2电源电路
由于电机需要驱动电路需要24V的工作电压而单片机、液晶显示器、传感器等工作电压需要5V,所以变压器的24V输出需要经过稳压模块稳定到单片机的工作电压范围。
考虑到电机驱动电路必须和单片机分开供电,这样可以避免电机电路对单片机电路的干扰所以采取对单片机单独供电,步进电机和直流电机桥臂共用一个24V电源。
系统电源电路原理如图3.5所示。
图3.5系统电源电路原理
3.2.1电源电路的结构
由变压器出来的交流信号经过桥式整流[3]和电容滤波之后送给LM7805,稳压5V输出,它的输出单独供给单片机。
在三端稳压管的输入输出端与地之间连接大容量的滤波电容,使滤掉纹波的效果更好,输出的直流电压更稳定。
接小容量高频电容以抑制芯片自激,输出引脚端连接高频电容以减小高频噪声,使单片机工作在一个良好的电源环境中,提高系统稳定性。
3.2.2电源芯片引脚功能
电源电路主要运用到7805稳压芯片,输出电压为5V,加散热片时驱动电流可达1A,输出电流200~300mA时,7805温度在50度左右,并且有过温切断输出起到保护功能。
该系列芯片技术成熟,所需的外围器件少,性价比高,运用的非常广泛,其内部原理图如图3.6。
图3.67805内部原理图
图3.7为7805的引脚图:
INPUT电源输入端,最大可达35V
GROUND电源地
OUTPUT+5V输出端
图3.77805的引脚图
步进电机的稳驱动采用专用的驱动电路模块,使用模块电路可以加快产品开发速度,使系统结构简单,稳定,可靠。
且单片机只需2个接口就可以完成步进电机的方向和步进控制。
所选用的驱动器型号为森创公司的SH-20403,它的主要参数如下:
●10V~40V直流供电
●H桥双极恒相流驱动
●最大3A的8种输出电流可选
●最大64细分的7种细分模式可选
●输入信号光电隔离
●标准共阳单脉冲接口
●脱机保持功能
3.3直流电机驱动电路
图3.8是直流电机驱动的整体电路,电路主要由场效应管Q1,来驱动电机,D1为二极管,在电路中起到电机电感的放电作用,以保护场效应管不会被高压击穿,R4,R5,红外发射管,红外接收管共同组成数模隔离电路,单片机输出的PWM波从电路中的PWM端口输入,红外发射管将PWM电信号转换为光信号,红外接收管再将光信号转换为电信号,控制场效应管的栅极。
这样单片机与电机驱动电路就实现了电隔离,消除了驱动电路对单片机系统的干扰。
光电隔离所用的光电管分为线性光电管,和开关式光电管,本系统的主控制器输出的PWM波属于数字信号,所以选用开关式光电管即可。
二极管4007是整流型二极管,电流通过能力高达1.5A,满足电路要求。
图3.8直流电机驱动电路
3.4传感器电路
图3.9是圈数检测电路,主要元件是红外对射管,左半部分,电源VCC经电阻R2限流,为红外二极管提供15MA的电流,右侧红外接收管接收到红外光后,导通并将R3的电位拉低,如果在红外发射管与红外接收管之间有物体,则红外接收管接收不到红外光,R3没有电流通过,输出为高电平。
在主轴电机上安装一金属挡片,电机每转过一周,经过传感器一次,传感器输出一段高电平,引发单片机中断,进行一次计数。
图3.9圈数检测电路
3.5液晶显示电路
图3.10是液晶显示器的工作电路,由于系统要求显示汉字且内容偏多,所以选择内带字库的图形点阵型[4]OCM12864液晶模块。
此模块是128×64点阵型液晶显示模块,可显示各种字符及图形,可与CPU接口,具有8位标准数据总线、6条控制线及电源线。
其最大工作范围如下:
1)逻辑工作电压(Vcc):
4.5~5.5V(12864-3、12864-5可使用3V供电)
2)电源地(GND):
0V
3)工作温度(Ta):
0~55℃(常温)/-20~70℃(宽温)
由于液晶模块内部高度集成,所以外部接口相对简单。
其引脚说明如下:
图3.10液晶显示电路
4系统的软件设计
软件部分主要完成对键盘的分析及有关数值的显示,控制绕线的启停和步进电机的反向、协调步进电机和主轴电机的运动,检测主轴脉冲发生器脉冲并计数,以及断线和中途停车报警等功能。
4.1直流电机控制子程序
直流电机控制子程序完成电机的调速工程,其执行流程如图4.1。
系统采用PWM方式控制电机运转,通过改变PWM的占空比实现电机调速。
AVR单片机输出的PWM分辨率可达256个等级,实现了电机的无级调速。
系统开始执行绕线程序时不断查询键盘,若查询到加速键按下,则增加PWM脉冲的占空比,增长周期内场效应管导通的时间,使电机转速提高,当电机速度已达到最大则速度不再增加;反之,减速键按下,则电机速度降低。
若按下暂停键,电机逐渐减速,直到停止;重新启动时,自动加速到之前速度。
图4.1直流电机控制流程图
4.2键盘子程序
键盘程序完成键盘的扫描,除抖动,键码保存的功能,其执行流程如图4.2。
单片机向行扫描口输出全为“0”的扫描码,然后从列检测口检测信号,只要有一列信号不为“1”,则表示有键按下,且不为“1”的列即对应为按下的键所在列。
然后进行逐行扫描,单片机首先是第1行为“0”,其余各行为“1”,接着进行列检测,若为全“1”,表示不在此行,否则即在此行;然后第2行为“0”,其余各行为“1”,接着进行列检测,若为全“1”,表示不在此行,否则即在此行;这样逐行检测,直到找到按下键所在的行。
当各行都扫描以后仍没有找到,则放弃扫描,认为是键的误动作。
对于4X4键盘,因为按键的位置由行号和列号唯一确定,且行列个4位,所以用一个字节来对键值编码是很合适的。
由参考文献[9,45-46]可知。
图4.2键盘识别流程图
4.3传感器子程序
为了使圈数计数正确及时,不漏计多计,故采用中断方式来进行计数。
传感器每输出一个脉冲,单片机就进入中断服务程序,进行计数,并在脉冲过后延时一段时间后退出中断服务,以保证不会应抖动多次进入中断,导致计
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- 变压器 智能 功能 系统 设计方案