高压变压器产生的电压通常在50kV~400kV,是X射线探伤机中一个很重要的器件。变压器质量的好坏直接影响着变压器产品的质量和性能，所以对变压器绕线机的要求比较高。

    变压器线圈的绕制要求比较多，如下:①匝数多;②线细;③绕组必须排列整齐;④不能交叉和有叠层;⑤漆包线的绝缘层绝对不能有破损;⑥匝数要准。

    根据以上要求采用普通绕线机很难完成任务要求，为此有必要专门研制用于绕制X射线机上高压线圈的自动化设备，我公司就有这一款产品。

    目前，绕线机控制系统的硬件部分多数采用PLC为控制器，少数采用单片机为控制器兼顾成本和性能要求，现采用嵌入式技术方案(ARM)构建控制系统，绕线机采用自动工作方式。

    以下详细说明我公司变压器线圈绕线机的工作原理，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。

    绕制高压线圈的骨架固定在绕线机的主轴上。操作员手动启动主轴的电动机(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，由丝杠带动它移动，主轴转一圈，LPC2132单片机自动启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)。控制系统自动协调排线架的移动与主轴的转动，从而避免发生叠层绕线的问题。当骨架一层缠满后，操作员手动降低主轴电机转速直到停止，操作员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，送线器水平方向运动相反)后，启动主轴的电机，再绕骨架下一层的漆包导线。由于绕线机自动缠满一层，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。

    控制系统以单片机为控制核心。它有三种工作状态(检测控制、手动控制、设置参数)，由按键设定，且有指示灯提醒工作状态。系统上电时，先自动进人检测控制工作状态。

     (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，送给单片机，经过换算后做累计并存到存储器中，且其累计值不断在屏上显示，显示的值就是线圈绕制的圈数。单片机根据采集到两个传感器脉冲的各自时序信息，能判断出主轴的旋转方向(骨架是绕线还是放线)，确定匝数累计值的增(减)运算。

     (2)手动控制工作状态。当绕制过程中，出现断线和叠层等情况时，需要手动修整。将系统设为手动控制工作状态，单片机继续采集主轴脉冲信息，显示绕制的圈数，但步进电机的启动由操作员通过按键控制。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。

     (3)设置参数工作状态。当系统工作状态设为设置参数时，系统关闭采集脉冲的外部中断，单片机停止接受脉冲，操作员通过面板上的按键设置各种参数并放到存储器中，它们分别是圈数清零值、绕制的圈数值和步长值。

    绕线机主要完成如下功能。

    ①查按键，转换系统工作状态;

    ②检测两路脉冲信号，根据脉冲时序，并累计、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)显示电路。显示电路如图1所示。它实现两种功能:工作状态显示和数值(字)显示。

    状态显示电路主要由芯片US和U6、电阻R14~R19、三极管Q7和发光二极管D1~DS组成，功能是实现检测控制、手动控制、绕线圈数清零、修改绕线圈数、设置步长值这五种工作状态指示。

    数值(字)显示电路，它由芯片US和U6、限流电阻R8~R13和R15~R22、三极管Q1~Q6,数码管DPY1~DPY6组成。74HC138是三/八译码器，与LPC2132的P1.16~P1.18端口相连，实现数码管的位选。74HC595有8位移位寄存器和一个存储器，具有三态输出功能。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。数值(字)显示电路的主要功能是在不同的工作状态下，实现对应(各种)的数值(字)显示。它们分别是累计的圈数值、修改的参数值。

     (3)脉冲检测电路。脉冲检测电路如图2所示，功能是完成两路脉冲检测。两路脉冲检测电路结构完全相同，下面以第一路为例进行介绍。

它由电阻R1~R7、电容C1~C4, U1，U2和U3组成。电路中的施密特触发器CD40106的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;电路中的光电荆合器P521的作用是在信号传输的同时，抑制尖脉冲和各种噪声干扰，增强系统抗干扰能力。两路检测脉冲的传感器都选用型号为LJ 12A3-4-2/BX的传感器，工作电压是10~24V，本系统用24V为其供电。

     (4)键盘电路。键盘电路由K1和K2两个按键、0~9十个数字键和上拉电阻组成。

    ①K1键，系统工作状态键，功能是点动K1键，转换系统工作状态。

    ②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(重复)上一个过程。

   OK2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，并将数据存到CAT1025JI-30中。

   (5)存储器电路、电源监控、系统时钟。

    ①存储器电路。存储器选用带IZC存储器的电源监控，芯片CAT1025JI-30，用来存储绕线圈数值和步长值两个内容参数。

    ②电源监控。LPC2132单片机有看门狗功能，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。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。为提高系统抗干扰能力，在电路中设计了电源监控芯片CAT1025JI-30，它的2引脚和LPC2132的复位脚57相连。当需要手动复位时，按下按键，给CAT1025JI-30的引脚一个低电平，CAT1025JI-30的2引脚立即输出复位信号，使LPC2132单片机复位。

    ③系统时钟电路。系统时钟电路由两个电容和品振组成。品振选用的频率为11.0592MHzo

  (6)步进电机电路、主轴电机电路、电源。

    ①步进电机电路。

    驱动丝杠运行的步进电机，选用的型号是BSHB368o

    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以下，定位精度最高可达60000步/转。

    步进电机电路如图3所示。它由电阻R 3 5 ~R43, Q8, U8, K3和驱动器Q3HB64MA组成。

控制驱动器工作的主要有三个信号，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)，通过光电荆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K3，操作K3键，实现步进电机的正转(反转)控制。

    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，选用的是台达变频器VFDO15M23A。由于用于绕制的漆包导线线径较小，绕线时要低速启动，低速停止，线径不同，速度也不同，系统中配VFDO15M23A变频器控制主轴电动机的运行。

    主轴电动机控制电路由按键、调速电位器和变频器VFDO15M23A组成。按键是主轴电动机的启动和停止键。调速电位器主要实现手动控制电动机的运行速度。

    ③电源。系统的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)。

在软件的设计中设置了六个子程序，较复杂的工作在子程序中实现。

主程序流程框图如图4所示。

    它包括八个部分: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。

    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。

软件中有六种功能的子程序。

    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置并存储、显示及“喂狗”。

    采用这种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。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，已经在企业中得到了成功的应用。