CN209731116U - 一种基于嵌入式的盘式电机定子嵌线机控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于嵌入式的盘式电机定子嵌线机控制系统，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。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。

Description

一种基于嵌入式的盘式电机定子嵌线机控制系统

技术领域

本实用新型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。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型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。

本实用新型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，本实用新型有益效果在于：

(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为本实用新型一种实施例的控制系统连接和控制示意框图；

图2为本实用新型一种实施例的信号检测模块的控制示意框图；

图3为本实用新型一种实施例的单片机的电路图；

图4为本实用新型一种实施例的FPGA模块模拟电源输入电路图；

图5为本实用新型一种实施例的单片机电源转换模块电路图；

图6为本实用新型一种实施例的人机交互模块芯片引脚连接图；

图7为本实用新型一种实施例的输入开关信号光耦隔离电路图；

图8为本实用新型一种实施例的FPGA电源转换模块电路图；

图9为本实用新型一种实施例的数据存储模块电路图；

图10为本实用新型一种实施例的FPGA芯片的部分引脚图；

图11为本实用新型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

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

本实用新型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signal out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signal in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。

本实用新型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。

本实用新型未述及之处适用于现有技术。

Claims (7)

1.一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。

2.根据权利要求1所述的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还包括指示灯；单片机与指示灯双向电连接。

3.根据权利要求1所述的基于嵌入式的盘式电机定子嵌线机控制系统，其特征在于FPGA芯片用于控制电磁阀的通断；第一电机驱动电路用来驱动第一电机和第二电机；第二电机驱动电路用来驱动第三电机和第四电机；第三电机驱动电路用来驱动第五电机和第六电机；第四电机驱动电路用来驱动第七电机和绕线压力调节电机。

4.根据权利要求1所述的基于嵌入式的盘式电机定子嵌线机控制系统，其特征在于所述模具到位检测传感器用于检测模具中的模柱是否下落到指定位置；所述旋转臂检测传感器用于检测旋转臂是否旋转至指定位置；所述举升轴到位传感器用于检测举升轴是否举升到位；所述电机温度传感器用于检测第一电机、第二电机、第三电机、第四电机、第五电机、第六电机和第七电机的温度；所述绕线压力传感器用于检测线圈的绕线松紧。

5.根据权利要求1所述的基于嵌入式的盘式电机定子嵌线机控制系统，其特征在于所述单片机由STM32F407ZGT6芯片及其外围电路组成；FPGA模块模拟电源输入电路的电源输入连接磁珠；单片机电源转换模块由AMS1117-3.3v芯片及其外围电路组成；人机交互模块采用芯片为JMT070S80048的触摸屏；输入开关信号光耦隔离电路由TLP521芯片及其外围电路组成；FPGA电源转换模块由AMS1117-5v芯片及其外围电路组成；数据存储模块采用IS62WV51216芯片；FPGA芯片由EP3C5E144A7芯片及其外围电路组成；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的电路相同，由TB6612FNG双电机驱动芯片及其外围电路组成。

6.根据权利要求5所述的基于嵌入式的盘式电机定子嵌线机控制系统，其特征在于单片机的引脚PE0-PE15分别连接FPGA芯片的引脚5、38、4、37、3、36、2、35、1、32、44、31、43、30、42和29；单片机的引脚PF0-PF15分别连接FPGA芯片的引脚27、16、26、15、25、14、24、13、22、10、21、9、20、8、19和7；单片机的引脚PG0-PG6分别连接FPGA芯片的引脚18、23、28、40、39、41和17；单片机的引脚PD0-PD15分别连接人机交互模块的引脚D0-D15；单片机的引脚PA0-PA15分别连接数据存储模块的引脚5、38、4、37、3、36、2、35、1、32、44、31、43、30、42和29；单片机的引脚PB0-PB15分别连接数据存储模块的引脚27、16、26、15、25、14、24、13、22、10、21、9、20、8、19和7；单片机的引脚PC0-PC6分别连接数据存储模块的引脚18、23、28、40、39、41和17；单片机的引脚PC7-PC15均连接输入开关信号光耦隔离电路的signal out引脚；信号检测模块连接输入开关信号光耦隔离电路的signal in引脚；单片机电源转换模块的VCC3.3V连接单片机的VDD引脚，+5V连接FPGA电源转换模块的+5V；

第一电机驱动电路的TB6612FNG芯片的PWMA口、AN1口和AN2口分别与FPGA芯片的引脚28、30和31连接，AO1和AO2口控制第一电机；PWMB口、BN1口和BN2口分别与FPGA芯片的引脚38、39和42连接，BO1和BO2口控制第二电机；

第二电机驱动电路的TB6612FNG芯片的PWMA口、AN1口和AN2口分别与FPGA芯片的引脚54、55和56连接，AO1和AO2口控制第三电机；PWMB口、BN1口和BN2口分别与FPGA芯片的引脚57、58和59连接，BO1和BO2口控制第四电机；

第三电机驱动电路的TB6612FNG芯片的PWMA口、AN1口和AN2口分别与FPGA芯片的引脚60、61和62连接，AO1和AO2口控制第五电机；PWMB口、BN1口和BN2口分别与FPGA芯片的引脚63、64和65连接，BO1和BO2口控制第六电机；

第四电机驱动电路的TB6612FNG芯片的PWMA口、AN1口和AN2口分别与FPGA芯片的引脚66、67和68连接，AO1和AO2口控制第七电机；PWMB口、BN1口和BN2口分别与FPGA芯片的引脚69、70和71连接，BO1和BO2口控制绕线压力调节电机；FPGA模块模拟电源输入电路的5V连接FPGA电源转换模块的+5V，另一端连接FPGA芯片；FPGA电源转换模块的12V接外部电源。

7.根据权利要求1所述的基于嵌入式的盘式电机定子嵌线机控制系统，其特征在于模具到位检测传感器和举升轴到位传感器使用KTS-A微开型拉杆直线位移传感器；旋转臂检测传感器使用深圳奥德克电子WDA-D35-D4A角度位移传感器；绕线压力传感器使用威势精密测量RTT；电机温度传感器使用PWZD温度传感器。