（武漢職業技術學院電子信息工程系，湖北 武漢 430074）  楊少春

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

1 引言

    筆者在FZ-870繞線機繞制線徑為0.71mm的線圈的時候，發現其存在一個很嚴重的問題：繞線機的排線機構移動與主軸的運動協調性很差。因此，繞制出來的線圈質量較差，存在許多問題，如匝數較少層的導線分布雜亂無章、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措施。

2  原系統存在的問題
    
    此繞線機整體組成分為兩大部分：機械部分和電氣（以單片機為控制器）控制部分，其系統機械運動主要是卷繞主軸運動和排線運動。主軸運動,即線圈骨架隨主軸旋轉運動，使漆包線在骨架上繞制；排線運動，即漆包線沿骨架軸向連續運行或者點動運行，使漆包線能夠按要求均勻繞制在骨架上，因此決定繞制質量的關鍵是系統主軸運動與排線運動的協調。

    FZ-870繞線機系統的特點在于主軸電機和排線電機都是由單片機控制，如果在控制上不能確保，則主軸運動和排線運動的協調性也得不到保證。主軸運動速度是一定的，排線機構如何確定在主軸旋轉一圈后步排線步進距離，而且在骨架長度一定的情況下，如果繞制匝數不同，步進距離也不一樣。

    對于系統中出現的問題，可以歸納為步進電機工作電源，即脈沖源的精度和脈沖當量α選取的問題，可以通過實例來說明這個問題。

    現繞制一個線圈：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，全部匝數繞完停止。在主軸旋轉一圈時，步進電機控制排線機構步進距離應該是一定長度。而步進電機的旋轉是由其控制電源的脈沖數決定的，所以問題就在于步進電機的工作電源脈沖源的精度和脈沖當量α的選取。如果脈沖源精度不高，即脈沖的寬度不一樣時，步進電機旋轉的角度會準確，排線的步進距離也會不準確，繞制出來線圈在同一層上每一匝之間的距離就會不一樣。而脈沖當量α是指一個脈沖過來步進電機旋轉一個角度α，α角度的大小對應了排線距離的長短，如果α選取不好就直接影響到步進距離。

3  改進措施

    針對上述問題，可以通過以下途徑進行解決：

    首先，采用更加先進、功能更齊全的單片機；

    其次，利用單片機輸出脈沖序列作為步進電機的工作電源，控制排線距離。

    原采用的控制單片機，其采用的外圍電路很少，且功能比較單一。 改進后整個系統的功能方框圖如圖1所示。

圖1  改進后系統功能方框圖

    新系統采用單片機采用美國ATMEL公司生產的AT89C51單片機。該芯片不僅具有MCS51系列單片機的所有特性，而且片內集成有4KBytes的電擦除閃存（Flash ROM），無需擴展外部ROM。可以利用AT89C51作為系統的控制器，控制步進電機。

    繞線軸運動由電機帶動的皮帶盤來控制，主軸運動決定了骨架隨主軸旋轉速度。在繞制一個線圈所有匝數時，主軸的速度是固定不變的。

    排線機構由單片機來控制，由于排線運動決定漆包線沿骨架軸向連續步進或者點動的距離。原來排線速度由面板上的速度調節電位器來控制的，現在結合排線速度要求，可以利用數字輸入、單片機編程來控制步進距離，改變原系統依賴人工經驗來控制匝間距離，使28匝可以均勻分布在整個骨架上面。 

    整個系統的控制思想是在主軸速度一定的前提下，先利用單片機編程計算出排線距離，再由單片機輸出相應脈沖序列作為步進電機工作電源，然后再利用硬件電路對信號進行相應的處理，保證信號的穩定控制步進距離，達到均勻排線的控制要求。

    3.1  硬件電路改進

    硬件電路是AT89C51單片機的輸出脈沖，經過放大電路放大處理后作為步進電機的工作電源，控制步進電機速度，以達到控制排線距離的目的。

圖2  控制流程圖

    在步進電機由單片機控制后，其工作電源改為單片機的輸出脈沖，而單片機的輸出脈沖比較穩定。再經過放大電路處理之后，信號更加穩定，沒有干擾。在繞制一個線圈時，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，通過調節占空比來改變步進的間距，這樣，不管高速還是低速，速度都是穩定的。

    3.2  軟件改進

    軟件編程是先輸入骨架可排線長度、所需繞制的匝數以及主繞電機當前的速度，再由單片機計算出匝與匝之間的間距，然后將此間距轉化成一個脈沖系列。其關鍵在于如何確定輸出脈沖系列的波形。

    主軸的運行速度是一定的，即380rpm。主軸旋轉一圈需要0.1578s，在這段時間內，步進電機旋轉一定圈，才能使排線在整個骨架上是均勻。

    步進電機的工作電源是脈沖序列，一個脈沖信號使步進電機旋轉角度為α，步進電機旋轉一周，排線機構步進距離為L，步進電機旋轉一周需要 個脈沖信號，若骨架長為H，排線匝數為28匝，則每一匝之間距離為 （包括線徑），每一個間距驅動需要 個脈沖信號。

    在主軸旋轉一圈的時候，步進電機需要接受到（1+ ）脈沖信號。每一個脈沖信號的時間是 s。

    對應單片機輸出信號也是一樣的電平值，對應輸出脈沖序列也是一樣的。若匝數為42時，只需要將步進距離所需脈沖個數改為即可。
編程思路如下：

    (1)  確定骨架長H和所需繞的匝數X；

    (2)  算出主軸旋轉一圈時步進電機所需的脈沖信號和排線機構的步進距離；

    (3)  在完成（1+  ）脈沖信號后，單片機發出一個中斷信號；

    (4)  單片機檢測中斷源，是否有中斷信號輸出，并且利用累加器Acc計算中斷信號的個數，直到計數值等于需繞匝數X為止，系統停止運行。

    兩個子程序軟件流程圖如圖3所示。

圖3  控制軟件流程圖

4  結語

    改進后繞線機采用了比原系統功能更強的單片機―AT89C51單片機，可以解決排線機構在運行時出現的問題，利用單片機控制步進電機，可以使繞制出來線圈每一層匝數分布均勻，同時也可以保證機器在低速運行時速度保持穩定。實踐證明，繞制出來的線圈性能比以前更加穩定，而且外觀也比以前要整齊。

參考文獻
[1]  AT89C51:8-Bit Microcontroller with 4K Bytes Flash. Atmel Corp.
[2]  何立民. MCS-51系列單片機應用系統設計系統配置與接口技術[M]. 北京航空航天大學出版社, 1996.
[3]  李永東. 交流電機數字控制系統[M]. 機械出版社, 2002.