[doc] 高压线圈半自动绕线机控制系统的硬件设计

[doc] 高压线圈半自动绕线机控制系统的硬件设计 高压线圈半自动绕线机控制系统的硬件设 计 上海电器技术(2007No.4)高压线圈半自动绕线机控制系统的硬件设计?工业自动化 高压线圈半自动绕线机控制系统的硬件设计 马英庆程福辽宁机电职业技术学院 摘要:针对自主研制的用于绕制x射线机上高压线圈的绕线机,以LPC2l32微处理芯片为核心,附之以 检测电路,显示电路,键盘,电源监控,存储器电路,步进电机驱动电路等硬件构建控制系统.采用ARM 技术 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ,简化控制系统的结构,降低成本.采取光电隔离抗干扰措施,提高工作可靠性.控制系统具有 设置工作参数的功能,使得绕线机能够适应不同的绕制圈数和线径的生产要求.详细 说明 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 各种硬件及电路 的设计原理和实现方法,对其它种类绕线机控制系统的硬件设计具有较高的参考价值. 关键词:ARMX射线机高压线圈绕线机 HardwareDesignforControlSystemofaHalf-automation CoilingMachinefortheHighTensionCoil Abstract:Thecon~olsystemoftheself-madecoilingmachinemakingthehig htensioncoilintheX-rayflawdetector isbasedonthemicro.controllerLPC2132,andincludessensingcircuit,monitorcircuit,keoard,powermonitor, memo~circuit,anddriving.circuitforthesteppermotoraswel1.TheARMschemewasadoptedtosimplifythe structureofthesystemanddecreasethecost.ThePhotoelectricisolationanti—referenceme~urewasappliedtoassure wprkingreliability.Thiscontrolsystemhasthefunctionofmodifyingtheworkingparameterssuchasthecoilnumbers andthediameterofthewire,fulfillingtherequirementfortheproductionflexibilityofthecoilingmachinetoahigh degree.Thispaperdescribesthedesignprincipalsandtheimplementmethodsforallthehardwareandcircuitindetail. whichisahigh-Valuereferenceforthehardwaredesignforthecontrolsystemofothercoilingmachines. Keywords:ARMx-rayflawdetectorhightensioncoilcoilingmachine 0前言 高压变压器 (电压通常达50, 400kV)是x射线探 伤机中一个很重要 的器件.如图I所 示.变压器线圈质 量的好坏直接影响 着变压器产品的质 - 30- 3 5 1一绝缘筒(骨架);2一绕组;3一外层绝缘; 4一层间绝缘翻边;5一外包皱纹纸 图1一种高压绕组结构图 量和性能【l1.对变压器线圈绕制的要求是: 在匝数多,导线细的情况下,绕组也必须排 列整齐,不能交叉和叠层,漆包线的绝缘层 绝对不能有一点破损,且匝数一定要准.由 于采用普通绕线机很难完成自动排线任务 及达到张紧度的要求,为此,研制用于绕制 x射线机上高压线圈的自动化设备. 目前,绕线机控制系统的硬件部分多 数采用PLC作为控制器[11121,少数采用单片 机为控制器【,l【41.兼顾成本和性能要求,采 工业自动化?高压线圈半自动绕线机控制系统的硬件设计上海电器 技术(2007No.4) 用嵌入式技术方案(ARM)构建控制系统,绕线机 则为半自动工作方式.以下详细说明系统的工作原 理,检测电路,显示电路,键盘,电源监控,存储 器电路,电机驱动电路等硬件的设计原理和实现方 法,并给出软件设计的主程序流程框图. 1控制系统工作原理 绕制高压线圈的骨架固定在绕线机的主轴上. 操作员手动起动主轴的电动机(变频器驱动),通 过接在变频器上的调速电位器手动控制主轴转速 (绕线速度).骨架随主轴一起旋转,从而将漆包导 线缠绕其上.盛有漆包导线(线轴)的排线架由丝 杠带动移动,主轴转一圈,微控制器自动起动驱动 丝杠的步进电机工作一次,排线架每次向前移动漆 包导线一个线径宽的距离(操作员可以根据绕制的 线径大小预先设置的参数,即步长参数).控制系 统根据主轴的转动,自动控制排线架的运动,从而 避免发生叠层绕线的问题.当骨架上的漆包线缠满 一 层后,然后手动降低主轴电机转速直至停止,然 后在绕组上包一层绝缘纸,手动改变步进电机运动 方向(层与层间的绕线,排线架水平方向运动相 反)后,起动主轴的电机,再绕骨架开始绕制下一 层的漆包导线.由于绕线机自动缠满一层后还需人 工包一层绝缘纸,所以绕线机采用的是半自动化工 作方式. 控制系统的工作原理框图如图2所示.微控制 器LPC2132作为控制的核心,有三种工作状态,即 检测控制,手动控制和设置参数.它有按键设定和 指示灯提醒工作状态.系统上电时,自动进入检测 控制工作状态. 主轴检测脉冲l 圭壁 — 电源监控 步进电机驱动器 显示 图2工作原理框图 1.1检测控制工作状态 绕线机的主轴上装有一个检测块,包括两个 传感器,用于判断主轴运动方向和检测圈数.当系 统工作状态设为检测控制时,系统以外部中断方式 开始检测两路脉冲,不断传来的脉冲信号通过整形 后送给微控制器LPC2132,经过换算后做累计并送 到存储器中,其累计值不断地在屏上显示,显示值 就是线圈绕制的圈数.微控制器根据采集到的两个 传感器脉冲各自时序的信息,判断主轴的旋转方向 (骨架是绕线还是放线),确定圈数累计值的增(减) 运算. 1.2手动控制工作状态 在绕制过程中出现断线和叠层等情况时,需 要进行手动修整.系统设置为手动控制工作状态, 微控制器继续采集主轴脉冲信息,显示绕制的圈 数,但步进电机的起动则由操作员通过按键控制. 另外,主轴上装有手动绕柄,操作员可绕动主轴带 动骨架绕线或放线,实现手动修整,绕线的功能. 1.3设置参数工作状态 当系统工作状态为设置参数时,系统关闭,采 集脉冲的外部中断,LPC2132停止接受脉冲.操作 员通过面板上的按键,设置各种参数并送到存储器 中.它们分别是圈数清零值,绕制的圈数值和步长 值. 2控制系统硬件 2.1微控制器 微控制器选用LPC2132芯片.它是内置Flash存 储器的ARM7TDMI—S内核的微控制器,内部具有 64kByte高速Flash存储器.LPC2132有47个通用, 双向的数字I/O引脚,其中大多数是基本功能和一 般的I/O功能复用.通过配置寄存器,可设置成所 需要的功能.它适用于工业控制,汽车和医药等要 求性能高的嵌入式应用系统中.其主要特性是: 1)CPUSE作电压:3.0,3.6V(I/O口可承受5V 的电压); 一 3l一 地 __-____-_ —_______________.___-—______l , 制 空C射 上海电器技术(2007No.4)高压线圈半自动绕线机控制系统的硬件设 计?工业自髓化 2)47个可承受5V的通用I/O口; 3)2个32位定时器,PWM单元(6路输出), 看门狗; 4)CPU工作频率可达60MHz; 5)单电源供电,含有上电复位和掉电检测电 路. 微控制器主要完成如下功能: 1)查按键,转换系统工作状态; 2)检测2路脉冲信号,根据脉冲时序,累计, 显示绕线圈数; 3)在检测控制工作状态时,自动控制步进电 机的运行,每次运行一个步长; 4)在设置参数工作状态时,将参数值写到存 储器中,并显示; 5)”喂狗”. 2.2显示电路, 显示电路接线如图3所示.它实现两种功能: D a .. 32.. B[31I-?仁 量El口5—[= E2口6l壬—仁 E3口7b—r l3 l2 lO U 14 o7 06 05 04 03 02 O1 O0 工作状态显示和数字显示.工作状态显示电路主要 由芯片U5,U6,电阻R.4和R.5,Rl9,三极管O,和发 光二极管D.,D组成.功能是实现系统5种工作状 态指示.它们分别代表的工作状态是: 1)若发光二极管D.亮,检测控制; 2)若发光二极管D,亮,手动控制; 3)若发光二极管D,亮,绕线圈数清零; 4)若发光二极管D亮,修改绕线圈数; 5)若发光二极管D亮,设置步长值. 数字显示电路由芯片IJ5,U6,限流电阻,R 和R.,,三极管O.,Q6,数码管DPY1,DPY6组 成.74HC138是三/八译码器.它与LPC2132的P1.16, P1.18端口相连,实现数码管的位选.74HC595具有8 位移位寄存器和一个存储器,3态输出功能.它与 LPC2132的P1.21,P1.23端口相连,实现数码管的段 选.LED为共阳极数码管,型号是LN3161BS.其主 要功能是:在不同的工作状态下,实现对应的数字 Rl5,R223301’2x8 至 c_ 口 口 d口 UDD3.3V Ql 8550 簿Q4 8550 UOD3.3V Q2 8550 _3VII]./ojjV 口d口 d口 图3显示电路 UDD3.3V Q3 8550 v.I./o)Ju 一一一一一一一一,鲫 嗳 ?D 【 西阳 e, bCde[[d 昆扣 e abCde[[d . ?一叫RE ,一一gi 工业自动化?高压线圈半自动绕线机控制系统的硬件设计上海电器 技术f2007No.4) 显示.它们分别是:累计的圈数值和修改的参数值. 2.3脉冲检测电路 脉冲检测电路如图4所示.其功能是:完成2 路脉冲检测.2路脉冲检测电路结构完全相同,以 第一路为例作介绍.它是由电阻R,,R,,电容C, C,芯片u,,u,和u组成.电路中的施密特触发器 CD40106作用是:消除传输线上的躁声,对脉冲波 形进行整形,使它变成理想方波.电路中的光电耦 合器P521作用是:在信号传输同时,抑制尖脉冲和 各种噪声干扰,增强系统抗干扰能力.2路检测脉 冲选用型号为LJ12A3—4—2/BX的传感器.它的工作电 压是10,24V,本系统用24V给它供电. LPC2132 U P0.16 P0.17 P0.18 P0.19 P0.20 P0.21 P0.22 R18l9IR30 10l10l10 5/___—— 2 , _-—— 3 , 54 _一 55 ?一 1 _一 2 K 图5键盘电路 图4脉冲检测电路 2.4键盘 键盘电路接线如图5所示.它由K,键,K,键, 数字键(0,9)~lJI-_拉电阻.,R3组成.K键,系 统工作状态键.功能是:点动K,键,转换系统工作 状态. 数字键,修改0,9数据的键.功能是:操作 数字键,先输入的是个位数值;再次操作数字键, 输入的是十位数值;依次类推,百位,千位,万位, 十万位;修改完十万位,若再次操作数字键,重新 开始输入数据,先个位,后十位,循环上一个过程. K,键,点动/确认键.功能是:若执行点动功 能,点动控制步进电机的运行;若执行确认功能, 确认输入数据有效,数据存 到CAT1025JI一30中. 按键操作方法是: 依次操作K键,D,D 分别亮,系统依次进入5种 工作状态; 若D,亮,检测控制工作 状态,操作K,键和数字键无 效; 若D亮,手动控制工作 状态,操作K,键,点动控制 步进电机的运行,操作数字键无效; 若D亮,操作K,键,绕线圈数值清零,操作 数字键无效; 若D或D亮,这两种工作状态都是系统在修 改不同内容的参数,操作数字键修改参数值,操作 K键,数据存储到CAT1025JI一30中. 2.5存储器电路,电源监控,系统时钟 电路接线如图6所示. 2.5.1存储器电路 存储器选用带IZC存储器的电源监控芯片 CAT1025JI一30,用来存储两个内容参数,即绕线圈 数值和步长值.存储器电路是由芯片u和上拉电阻 一 33一 上海电器技术(2007No.4)高压线圈半自动绕线机控制系统的硬件设 计?工业自动化 C5 DD…lT X1’AL26l— lI30pF复键几Rl23 =I=!MRUcc8UllRESET_——LPC2l32YI ——_]L,.........一3[RESET2RESET?- R2410lQ7WPSCL6一JI22P0.2C6 4VSSSDA5’l26P0.3X1’AL162IJ30pF U一Il (-TlO25JI.30Uss: 图6存储器电路,电源监控,系统时钟电路 ,组成. 2.5.2电源监控 电源监控电路是 由电阻R23一R25,键 K4,芯片U组成.K4 是复位键.LPC2132有 看门狗功能,也含有 上电复位和掉电检测 电路,但由于ARM芯 片的高速,低功耗和 低电压,导致其噪声 容限低.因对电源 的纹波,瞬态响应性 能,时钟源的稳定和 电源监控可靠性提出 了更高的要求,为提 高系统的抗干扰能 力,在电路中设计了 电源监控芯片 2.6步进电机电路, 主轴电机电路,电源 2.6.1步进电机电路 驱动丝杠运行的步进 电机选用的型号是 BSHB368. 步进电机驱动器选用 的型号是Q3HB64MA.它是等角度,恒力矩,细分 型驱动器,工作电压为DC12—40V,电流在5.8A CAT1025JI一30.它的2个引脚和LPC2132的复位脚 57相连.当需要手动复位时,按下K键,CAT1025JI 一 30的2个引脚立即输出复位信号,使LPC2132芯 片复位. 2.5.3系统时钟电路 系统时钟电路是由电容C,C和晶振Y.组成. 晶振选用11.0592MHz. - 34- 图7步进电机电路 以下,定位精度最高可达60000步/rad,满足排线 的精度要求. 步进电机控制电路如图7所示.它由电阻一 R43,三极管Q8,芯片u8,键和驱动器Q3HB64MA 组成.控制驱动器工作主要有三个信号,它们分别 是:电机释放信号,步进脉冲信号和方向控制信 号.在该电路中,三种信号的正输入端通过限流电 阻后,都接在24V电源正端.电机释放信号负端接 工业自动化?高压线圈半自动绕线机控制系统的硬件设计上海电器 技术(2007No.4) 高电平,系统得电后,实现步进电机始终使能;步 进脉冲信号负端受控于微控制器P0.7口,P0.7口由 软件设为PWM输出口.它输出调制脉冲(控制步 进电机运行的步长信息),通过光电耦合器送给步 进脉冲信号负端;方向控制信号负端接方向控制 键K,操作K键,实现步进电机的正转,反转控 制. 2.6.2主轴电机电路 主轴电动机的型号是YLJW80—2/4.YLJw系列 力矩三相异步电动机是一种卷绕用电动机. 驱动主轴电动机运行的变频器选用的是 VFD015M23A.由于用于绕制的漆包导线线径较细, 而绕线时要求低速起动,低速停止,线径不同,则 速度也不同,故系统中配置VFD015M23A变频器, 以控制主轴电动机的运行. 主轴电动机控制电路如图8所示.它由键K, 调速电位器R和变频器VFD015M23A组成.K是 主轴电动机的起动和停止键.当K闭合时,M与 GND短接,变频器起动运行;当K打开时,M与 GND断开,变频器停止运行.R是调速电位器,实 现手动控制电动机的运行速度. 电机起动/停止键 KU ......................... ,—:M VFD015M23AV GND哇WAV.速度设定用电源 步 图8主轴电动机电路 2.6.3电源 系统电源采用的是标准开关电源,分别提供 了3-3V和24V两种直流电压,且它们不共地(这 里不详述). 3控制系统程序流程框图 在软件设计中,设置了6个子程序,较复杂的 图9主程序流程框图 工作在子程序中实现.主程序流程框图如图9所示. 它包括8个部分:系统初始化,转换工作状态判断, 检测控制判断,手动控制判断,绕线圈数清零判断, 修改绕线圈数判断,设置步长值判断和”喂狗”等. 1)系统初始化,主要包括引脚配置初始化,系 统参数初始化,中断设定及使能看门狗等; 2)转换工作状态判断,若是,则转到工作状 态转换子程序; 3)检测控制判断,若是,则转到检测控制工 作子程序; 4)手动控制判断,若是,则转到手动控制工 作子程序; 5)绕线圈数清零判断,若是,则转到清零子 程序; (下转第40页) - 35- 上海电器技术(2007No.4)基于PLC的禽舍温湿度控制系统?工业自 动化 作,就要用相应的RST指令.X000,X001-X0109个 输入元件,代表9种环境因子情况. 6结束语 目前,市场上较成熟的禽舍控制系统主要是 “EI一2000”.它比较适合大型养殖厂.对普通家禽 养殖厂来说,该系统控制的环境因子(主要有温 度,湿度,通风,供水,供料,照明等)过多,相 对而言,系统比较复杂,价格昂贵,操作困难. 本文所开发的系统主要是抓住了禽舍环境因 子中最重要的温度和湿度来进行控制,因而控制系 统的组成可以大大简化;而操作的简单,同样也 可以为家禽提供良好的生长发育环境.由于系统根 据来自传感器的温,湿度数据而执行不同的操作, 使环境因子调整到适于家禽生存的条件,因而提高 了养殖管理的效率,能增强家禽疾病预防能力,也 进一步使禽舍的管理向着更加智能化的方向发展, 且本文采用的FX1N一40MR型的PLC非常常见,通 用性强,市场很容易买到,价格也能为许多家禽养 殖户所接受,推广前景看好. 参考文献 【1】朱思洪.机电一体化技术【M】.北京:中国农业出版社, 2004:80—86. 【2】薛明军.集成湿度传感器IH3605及其应用【J】_国外电子 元气件,2000,1:9-10. 【3】邓星钟,朱承高.机电传动控制【M】.3版.武汉:华中科技 大学出版社,2001,193,212. 【4】杨军,乔晓军,王成.基于专家系统的禽舍环境监控系统 设【J】.农机化研究,2007,6:163.165. (上接第35页) 6)修改绕线圈数判断,若是,则转到线圈数 值设置子程序;, 7)设置步长值判断,若是,则转到设置步长 值子程序; 8)”喂狗”,看门狗内部定时器清零. 在软件中,有6种功能的子程序: 1)工作状态转换子程序,主要完成系统工作 状态转换,且有指示灯提醒工作状态及”喂狗”; 2)检测控制工作子程序,主要完成使能外部 中断,允许微控制器接受脉冲,累计并显示绕线圈 数值,实现自动控制步进电机的运行及”喂狗”; 3)手动控制工作子程序,显示绕线圈数值,实 现手动控制步进电机的运行及”喂狗”; 4)清零子程序,关闭采集脉冲的外部中断,停 止微控制器接受两路脉冲,完成存储绕线圈数值的 寄存器都清零及”喂狗”; 5)线圈数值设置子程序,主要完成线圈数值 设置并存储,显示及”喂狗”; 6)设置步长值子程序,主要完成步长数值设 一 4O一 置并存储,显示及”喂狗”. 4结束语 采用该类硬件设计的控制系统,具有响应速 度快,精度高,抗干扰能力强,硬件简单,显示直 观的优点.由于绕线机成本低廉,运行可靠,便于 操作员快速,准确地控制,提高了高压线圈生产的 成品率和效率,已经在多家生产x射线仪器的企业 中得到成功的应用. 参考文献 【1】朱秋萍.变压器高压线圈全自动绕线机的研制【J】.中国科 技信息,2005,14:4. 【2】杨涛,王启江,康海霞.基于PLC绕线机控制系统设计 【J】.组合机床与自动化加工技术,2005,8:58-59. 【3】高振华,梁荣海,姜宗林.数控绕线机研究与设计【J】.现 代制造技术与装备,2006,171(2):32-33. 【4】方天红,龚民,陈白宁.全自动绕线机单片机控制系统的 研究与开发【J】_沈阳工业大学,2004,23(4):35-37. 【5】周立功,张华,等.深入浅出ARM7.LPC213X/214X[M]. 北京:北京航空航天大学出版社,2005,6,5~5. 【6】赵星寒,刘涛.从51到ARM一32位嵌入式系统入门 【M】.北京:北京航空航天大学出版社,2005,10.