一种基于嵌入式的盘式电机定子嵌线机控制系统的制作方法

本发明涉及机械控制系统领域，具体是一种基于嵌入式的盘式电机定子嵌线机控制系统。

背景技术：

嵌线机，是一种电动机铁芯嵌入线圈的机械生产设备。目前定子的加工流程多数是把铜线卷入到线模上，再以人工方式把铜线圈嵌入电机铁芯中，这种加工方式存在效率低、对人工技能要求高、人工嵌线较为松散等缺点，影响定子性能。

现有嵌线机控制系统多采用plc控制，需要plc对多个电机进行控制，plc可以进行速度模式、位置模式、转矩模式的选择，而实际工作中每个电机只需要选择一种模式即可；对电磁阀的控制只需进行开关量控制，plc除了进行开关量控制还会有监控、故障反馈等不必要的功能，会造成plc功能冗余，增加系统开发成本，接线过程繁琐，控制柜体积大，不利于设备小型化和轻量化。

申请号201410393730.2的文献公开了一种半自动卧式嵌线机，该嵌线机功能单一，系统中缺少对电机轴的监控；同时缺少信号检测模块对嵌线机进行生产过程中的监控，不能对生产过程中电机定子的品质进行实时监控，不能为后续生产提供参考指标。因此研制出处理速度快、控制精度高、可靠性好、安全性高、应用嵌入式技术的通用型嵌线机控制系统，需求迫切。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种基于嵌入式的盘式电机定子嵌线机控制系统。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种基于嵌入式的盘式电机定子嵌线机控制系统，其特征在于该控制系统包括单片机、fpga模块模拟电源输入电路、单片机电源转换模块、人机交互模块、信号检测模块、输入开关信号光耦隔离电路、fpga电源转换模块、数据存储模块和fpga模块；所述fpga模块包括fpga芯片、第一电机驱动电路、第二电机驱动电路、第三电机驱动电路和第四电机驱动电路；

所述单片机分别与人机交互模块、数据存储模块和fpga芯片双向电连接；信号检测模块通过输入开关信号光耦隔离电路与单片机单向电连接；fpga芯片分别与第一电机驱动电路、第二电机驱动电路、第三电机驱动电路和第四驱动电路单向电连接；外部电源与fpga电源转换模块电连接；fpga电源转换模块通过单片机电源转换模块与单片机电连接；fpga电源转换模块通过fpga模块模拟电源输入电路与fpga芯片电连接；

所述信号检测模块包括模具到位检测传感器、旋转臂检测传感器、举升轴到位传感器、电机温度传感器和绕线压力传感器。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

(1)该控制系统针对嵌线机需要实现的功能进行模块化设计，能够使系统更加稳定，有利于实现设备的小型化，轻量化，有利于提升设备的稳定性，能够克服现有设备笨重、稳定性差的缺点。

(2)该控制系统是一种处理速度快、控制精度高、可靠性好、安全性高、体积小，成本低，稳定性强、应用嵌入式技术的通用型嵌线机控制系统。针对嵌线机所用到的7个电机设计控制系统，避免功能冗余，降低开发成本，同时也可以实现人机交互、信号检测和数据存储等功能。

(3)因绕线时所绕线圈是一圈压住一圈的，为防止因推力过大导致拉伸受损，从而加入绕线压力传感器，实时监测电机对漆包线的压力，使得电机性能得到加强。

(4)加入了人机交互部分以及必要的传感器，能够对整个嵌线机进行实时监控，若运行中出现错误，则会在人机交互部分上显示错误的位置并及时反馈给单片机，使得嵌线机更易维护，故障率降低。

附图说明

图1为本发明一种实施例的控制系统连接和控制示意框图；

图2为本发明一种实施例的信号检测模块的控制示意框图；

图3为本发明一种实施例的单片机的电路图；

图4为本发明一种实施例的fpga模块模拟电源输入电路图；

图5为本发明一种实施例的单片机电源转换模块电路图；

图6为本发明一种实施例的人机交互模块芯片引脚连接图；

图7为本发明一种实施例的输入开关信号光耦隔离电路图；

图8为本发明一种实施例的fpga电源转换模块电路图；

图9为本发明一种实施例的数据存储模块电路图；

图10为本发明一种实施例的fpga芯片的部分引脚图；

图11为本发明一种实施例的第一电机驱动电路图；

图中：1、单片机；2、fpga模块模拟电源输入电路；3、指示灯；4、单片机电源转换模块；5、人机交互模块；6、信号检测模块；7、输入开关信号光耦隔离电路；8、fpga电源转换模块；9、数据存储模块；10、fpga模块；101、fpga芯片；102、第一电机驱动电路；103、第二电机驱动路；104、第三电机驱动路；105、第四电机驱动路；601、模具到位检测传感器；602、旋转臂检测传感器；603、举升轴到位传感器；604、电机温度传感器；605、绕线压力传感器；11、第一电机；12、第二电机；13、第三电机；14、第四电机；15、第五电机；16、第六电机；17、第七电机；18、电磁阀；19、气缸；20、小圆棒；21、绕线压力调节电机；22、旋转臂；23、举升轴；24、绕线压力调节辊；25、模柱；26、线圈。

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。

本发明提供了一种基于嵌入式的盘式电机定子嵌线机控制系统(简称控制系统)，其特征在于该控制系统包括单片机1、fpga模块模拟电源输入电路2、单片机电源转换模块4、人机交互模块5、信号检测模块6、输入开关信号光耦隔离电路7、fpga电源转换模块8、数据存储模块9和fpga模块10；所述fpga模块10包括fpga芯片101、第一电机驱动电路102、第二电机驱动电路103、第三电机驱动电路104和第四电机驱动电路105；

所述单片机1分别与人机交互模块5、数据存储模块9和fpga芯片101双向电连接，实现双向通信；信号检测模块6通过输入开关信号光耦隔离电路7与单片机1单向电连接；fpga芯片101分别与第一电机驱动电路102、第二电机驱动电路103、第三电机驱动电路104和第四驱动电路105单向电连接；外部12v电源与fpga电源转换模块8电连接，为单片机1和fpga芯片101供电；fpga电源转换模块8通过单片机电源转换模块4与单片机1电连接；fpga电源转换模块8通过fpga模块模拟电源输入电路2与fpga芯片101电连接；

所述信号检测模块6包括模具到位检测传感器601、旋转臂检测传感器602、举升轴到位传感器603、电机温度传感器604和绕线压力传感器605；模具到位检测传感器601和举升轴到位传感器603使用kts-a微开型拉杆直线位移传感器；旋转臂检测传感器602使用深圳奥德克电子wda-d35-d4a角度位移传感器；绕线压力传感器605使用威势精密测量rtt；电机温度传感器604使用pwzd温度传感器。

该控制系统还包括指示灯3；单片机1与指示灯3双向电连接，实现双向通信；指示灯3用于指示控制系统的工作状态。

所述单片机1由stm32f407zgt6芯片及其外围电路组成(参见图3)，单片机1内置rt-thread操作系统；单片机1对由rt-thread操作系统发送来的各电机相应参数进行转换处理并发送给fpga模块10；将从fpga模块10读取到的各电机的实时状态参数进行处理，并发送到人机交互模块5进行显示。

rt-thread操作系统用于该控制器的任务管理。其需求的资源少，移植方便，实时性满足应用需要。任务调度机制是嵌入式实时操作系统的核心技术。通过任务调度，可使多个任务的运行呈现并发运行，对于单核的cpu来说，在任意时间点，只有一个任务占用cpu运行。rt-thread操作系统既支持优先级调度算法也支持轮换调度算法，系统对任务的数量没有限制。rt-thread操作系统的调度器在任务调度时，首先进行优先级调度，若此时该优先级下只有一个就绪的任务，则该任务进入运行状态，若该优先级有多个任务，则rt-thread操作系统采用时间片轮调度算法实现多任务的运行调度。

fpga模块模拟电源输入电路2(参见图4)的电源输入连接磁珠，可对信号进行电磁隔离，使控制系统功能更稳定。

单片机电源转换模块4由ams1117-3.3v芯片及其外围电路组成(参见图5)，将5v转换成3.3v；连接电容为c24为100μf，c23为0.1μf。

人机交互模块5采用芯片为jmt070s80048(参见图6)的触摸屏；人机交互模块5对第一电机11、第二电机12、第三电机13、第四电机14、第五电机15、第六电机16和第七电机17进行监控和状态显示；对气缸19工作状态进行显示；实时显示信号检测模块6检测到的相关信息。

输入开关信号光耦隔离电路7由tlp521芯片及其外围电路组成(参见图7)，将外部io信号进行光电隔离。

fpga电源转换模块8由ams1117-5v芯片及其外围电路组成(参见图8)，将12v电源转换成5v。管脚电容c22为100μf，c21为0.1μf，c25为100μf，c27为0.1μf。

数据存储模块9采用is62wv51216芯片(参见图9)，可以储存运行过程中的故障信息，方便维护人员对设备进行维护；可以储存压力信息，为产品质量提供数据参考。

fpga芯片101由ep3c5e144a7芯片及其外围电路组成(参见图10)；第一电机驱动电路102、第二电机驱动电路103、第三电机驱动电路104和第四电机驱动电路105的电路相同，由tb6612fng双电机驱动芯片及其外围电路组成(参见图11)。

具体是：单片机1的引脚pe0-pe15分别连接fpga芯片101的引脚5、38、4、37、3、36、2、35、1、32、44、31、43、30、42和29；单片机1的引脚pf0-pf15分别连接fpga芯片101的引脚27、16、26、15、25、14、24、13、22、10、21、9、20、8、19和7；单片机1的引脚pg0-pg6分别连接fpga芯片101的引脚18、23、28、40、39、41和17；单片机1的引脚pd0-pd15分别连接人机交互模块5的引脚d0-d15；单片机1的引脚pa0-pa15分别连接数据存储模块9的引脚5、38、4、37、3、36、2、35、1、32、44、31、43、30、42和29；单片机1的引脚pb0-pb15分别连接数据存储模块9的引脚27、16、26、15、25、14、24、13、22、10、21、9、20、8、19和7；单片机1的引脚pc0-pc6分别连接数据存储模块9的引脚18、23、28、40、39、41和17；单片机1的引脚pc7-pc15均连接输入开关信号光耦隔离电路7的signalout引脚；信号检测模块6连接输入开关信号光耦隔离电路7的signalin引脚；单片机电源转换模块4的vcc3.3v连接单片机1的vdd引脚，+5v连接fpga电源转换模块8的+5v；

第一电机驱动电路102的tb6612fng芯片的pwma口、an1口和an2口分别与fpga芯片101的引脚28、30和31连接，ao1和ao2口与第一电机11连接，控制第一电机11；pwmb口、bn1口和bn2口分别与fpga芯片101的引脚38、39和42连接，bo1和bo2口与第二电机12连接，控制第二电机12；

第二电机驱动电路103的tb6612fng芯片的pwma口、an1口和an2口分别与fpga芯片101的引脚54、55和56连接，ao1和ao2口与第三电机13连接，控制第三电机13；pwmb口、bn1口和bn2口分别与fpga芯片101的引脚57、58和59连接，bo1和bo2口与第四电机14连接，控制第四电机14；

第三电机驱动电路104的tb6612fng芯片的pwma口、an1口和an2口分别与fpga芯片101的引脚60、61和62连接，ao1和ao2口与第五电机15连接，控制第五电机15；pwmb口、bn1口和bn2口分别与fpga芯片101的引脚63、64和65连接，bo1和bo2口与第六电机16连接，控制第六电机16；

第四电机驱动电路105的tb6612fng芯片的pwma口、an1口和an2口分别与fpga芯片101的引脚66、67和68连接，ao1和ao2口与第七电机17连接，控制第七电机17；pwmb口、bn1口和bn2口分别与fpga芯片101的引脚69、70和71连接，bo1和bo2口与绕线压力调节电机21连接，控制绕线压力调节电机21；fpga模块模拟电源输入电路2的5v连接fpga电源转换模块8的+5v，另一端连接fpga芯片101；fpga电源转换模块8的12v接外部电源。

所述控制系统控制的盘式电机定子嵌线机包括第一电机11、第二电机12、第三电机13、第四电机14、第五电机15、第六电机16、第七电机17、电磁阀18、气缸19、小圆棒20、绕线压力调节电机21、旋转臂22、举升轴23、绕线压力调节辊24、模柱25和线圈26；

fpga芯片101与电磁阀18电连接，用于控制电磁阀18的通断；电磁阀18控制气缸19动作，气缸19用于实现小圆棒20的上下运动；绕线压力调节电机21控制绕线压力调节辊24，用于调节绕线压力调节辊24；第一电机驱动电路102用来驱动第一电机11和第二电机12；第二电机驱动电路103用来驱动第三电机13和第四电机14；第三电机驱动电路104用来驱动第五电机15和第六电机16；第四电机驱动电路105用来驱动第七电机17和绕线压力调节电机21；第一电机11实现模柱25旋转15°；第二电机12实现嵌线；第三电机13实现绕线；第四电机14实现模柱25的上下移动；第五电机15带动旋转臂22旋转；第六电机16实现换线；第七电机17实现压线。

所述模具到位检测传感器601用于检测模具中的模柱25是否下落到指定位置；所述旋转臂检测传感器602用于检测旋转臂22是否旋转至指定位置；所述举升轴到位传感器603用于检测举升轴23是否举升到位；所述电机温度传感器604设置于电机上，用于检测第一电机11、第二电机12、第三电机13、第四电机14、第五电机15、第六电机16和第七电机17的温度，防止温度过高造成电机损坏，如果电机发生过载故障，电机温度传感器604会将故障信息传递给单片机1，单片机1将信息传递给数据存储模块9、指示灯3和人机交互模块5；所述绕线压力传感器605安装在模柱25上，用于检测线圈26绕线松紧，将压力信息反馈给单片机1，单片机1运算处理后将信息传输给fpga芯片101，fpga芯片101通过绕线压力调节电机21控制绕线压力调节辊24进行绕线松紧的调节。

第一电机11、第二电机12、第三电机13、第四电机14、第五电机15、第六电机16、第七电机17和绕线压力调节电机21的型号均为2s86q-3465。电磁阀18的型号为沃萨阀门osase-23系列二位三通换向电磁阀。

本发明的工作原理和工作流程是：

首先，打开电源，整个控制系统上电，嵌线机上电，指示灯3亮，系统正常运行。

三个线桶分别放置三相电的三个相线(相位依次互差120°)。手工完成穿线，穿线完成后，按人机交互模块5中的下模柱按钮，第二电机驱动电路103驱动第四电机14动作，开始下五个模柱25(编号一-五)，模具到位检测传感器601检测到模柱25下落到指定位置后，第四电机14停止动作，电磁阀18控制气缸19动作，气缸19带动小圆棒20伸出；之后第二电机驱动电路103驱动第三电机13动作，绕制第一把线。绕制过程中，绕线压力传感器605检测线圈26的绕线松紧，将压力信息反馈给单片机1，单片机1运算处理后将信息传输给fpga芯片101，fpga芯片101通过绕线压力调节电机21控制绕线压力调节辊24进行绕线松紧的调节。绕制完成第一把线后，电磁阀18控制气缸19动作，气缸19带动小圆棒20收缩，第二电机驱动电路103驱动第四电机14动作，此五个模柱25(编号一-五)复位。模柱25复位完成后，第四电机驱动电路105驱动第七电机17动作，第七电机17带动举升轴23向上运动，举升轴到位传感器603检测到举升轴23举升到位后，进行压线，使模柱25上的线压紧。之后第一电机驱动电路102驱动第一电机11动作，模柱25旋转15°，此时第一把线圈绕制完成。再通过第二电机驱动电路103驱动第四电机14从模具中下落五个模柱25(编号二-六)，重复上述步骤，至第二把线圈绕制完成。(模具共有二十四个模柱25，每次下五个，旋转15°再下五个，共计二十四次)

接下来，第三电机驱动电路104驱动第六电机16动作进行换线，换成第二个线桶，第三把线圈和第四把线圈绕制过程与第一把线圈和第二把线圈相同。然后再换第三个线桶绕制第五把线圈和第六把线圈，绕制过程与第一把线圈和第二把线圈相同。完成三相电的绕制。

重复上述过程直至二十四把线圈绕制完成。

最后，第三电机驱动电路104驱动第五电机15带动旋转臂22旋转，旋转臂定位检测传感器602检测到旋转臂22到位后，第三电机驱动电路104控制停止第五电机15动作。第一电机驱动电路102驱动第二电机12动作，开始嵌线。

整个过程电机温度传感器604实时检测电机的温度。以上设计的每个控制步骤都会在人机交互模块5上显示，实现实时监控，若嵌线机运行中出现错误，则会在人机交互模块5上显示错误的位置并及时反馈给单片机1，有助于系统维护。

本发明未述及之处适用于现有技术。