电机铁芯扭槽叠扣冲压控制系统的抗干扰设计

在中小型电动机中，转子或定子铁芯往往制作成扭槽，即将转子或定子槽口扭斜成一定的形状。这种特殊的结构形式，可以改善磁路，削弱高次电磁谐波，从而达到发电机波形光滑，减小电机的噪声和振动，降低损耗和提高效率，同时可获得良好的启动性能，并能提高整机的电气、机械耐冲击性及耐振动能力。

在控制系统中，往往要求单片机系统具有很强的实时响应功能，对外界环境能够实时反应，而且系统必须长期稳定、可靠地运行，否则将导致控制误差加大，严重时会使控制系统失灵，甚至造成巨大的损失。这就要求单片机系统具有很高的工作可靠性，有一定的抗干扰能力，减少或免除各种不良因素对控制系统的影响和损害，提高系统工作的可靠性和稳定性。

所谓干扰，一般是指有用信 以外的噪声，在信 输入、传输和输出过程中出现的一些有害的电气变化现象。干扰对电路的影响，轻则降低信 的质量；重则破坏电路的正常功能，造成逻辑关系混乱，控制失灵，整个控制系统陷入混乱乃至瘫痪，导致设备损坏。

电机铁芯扭槽形式

根据电机铁心的结构，扭斜方式可分为三类：即不分段单扭斜、分段单扭斜和分段双扭斜。

要实现对电机扭槽的加工，仅靠高速冲床显然是不能完成的，因为扭槽模具每冲一片后需要移动一个步距到达另一个特定位置，再冲另一片，连续冲出的铁芯片，经叠压后，才能形成所要求的扭槽形状。为实现此功能，必须设计一控制系统以配合高速冲床来完成。

控制系统主要功能

本论文是为实现模具加工智能化控制要求，为企业设计的实用性产品，其要求是对高速冲床附加一智能模具控制器，该控制器在不影响冲床原有的运行及控制的基础上，采集相关的输入信 ，并实现对所冲模具的有效控制。为此该控制系统应具备以下功能：

1. 提供五路批量控制（批量A、B、C、D、E）和两路斜槽控制，每路控制都可控制双排冲模具，即每路控制都有两个输出，分别用于控制双排冲模具的左右两列；
2. 参数可以通过按键自由设定，其中包括每路批量控制的六段参数设定、扭槽开/关设定、扭槽形式设定、输入信 形式设定、电机转动方向设定、减速比设定、步距角设定、扭转角设定等；
3. 用图形点阵液晶模块自动显示总计数量及各路批量的当前数；
4. 断电时自动保存设定参数及当前计数值

控制系统原理图

根据控制功能要求，采用SM8954单片机作为控制器，扩展一片8255进行输入输出控制，选用AT93C46串行EEPROM进行断电数据存储，具有8X4行汉字的LCM12864ZK液晶模块实现显示，其硬件组成图及系统控制原理图如图1所示。

图1 硬件组成及系统控制原理图

图2 控制系统的硬件原理图

系统用SM8954单片机，这是一8位单片机，内含16KB Flash 及1K字节RAM，因此程序存储空间和数据存储空间已满足要求。扩展一片8255，PA口作为键输入，PB口作为LCM12864ZK液晶模块的数据线，PC口批量控制信 输出及电机控制信 输出。单片机P1口用来控制串行EEPROM。

硬件抗干扰技术

硬件抗干扰措施是通过合理地设计印制电路板、选择合适的元器件、设计抗干扰电路等措施，从而抑制外界有害信 对系统的干扰，是系统抗干扰的很重要的一个方面，是系统抗干扰的重要措施之一。

（一）从印制电路板设计角度

在印制电路板的设计中，还要符合抗干扰的设计原则。为了提高控制系统的抗干扰能力，在控制系统的印制电路板设计中，采取了以下抗干扰措施：

1．在元器件的布局方面，把相互有关的元件尽量放的靠近一些，如时钟发生器、晶振等都易产生噪音，在放置的时候应把它们靠近些；对于那些易产生噪声的器件、小电流电路、大电流电路、开关电路等，应尽量使其远离单片机控制电路，这样有利于抗干扰，提高电路工作的可靠性。

2．地线尽量加粗，以提高抗干扰能力；若接地线很细，则地线电阻将会很大，造成接地电位随电流的变化而变化，致使信 电平不稳，导致电路抗干扰能力下降。数据线宽度尽量宽，以减少阻抗。

3．电路板的布线设计优劣，对系统的抗干扰性能影响很大，由于布线设计的影响因素很多，不同的电路又有其特殊性，从抗干扰的角度考虑，设计时注意了以下几个问题：

（二） 从硬件原理设计角度

在控制系统的硬件设计中，采用了光电耦合器实现输入/输出信 的隔离。光电耦合器是最常用的隔离器，由于输入和输出端在电气上是完全隔离的，输出端的信 不会反馈到输入端，不会产生地线干扰和其他串扰，因此光信 的传送不受电场、磁场的干扰，它可以有效地隔离电信 ，实现电气隔离以抑制干扰脉冲。

同时，为了提高电源的抗干扰能力，在电源电路中加上0.1uF的滤波电容，滤去输入和输出信 中的交流成分，同时滤去高频干扰，以便更好地改善集成稳压器的稳压性能。

（三）从元器件选择角度

元器件是控制系统的物质基础，其性能直接影响到整个系统的功能效果。目前市场上元器件种类繁多，要尽量选用高可靠性的元器件。本系统选用标准化、模块化的典型电路和芯片，如采用了台湾新茂公司（SyncMOS）SM8954A推出的单片机，其不仅兼容MCS-51单片机，而且具有低功耗、性能良好等优点；掉电保护电路中采用了AT93C46芯片，该芯片是Atmel公司生产的低功耗、低电压、电可擦除、可编程只读存储器，具有较高的可靠性。

总之，在设计电路板时，采用以上的原则，便可以增强系统的可靠性和稳定性，提高抗干扰能力。

软件抗干扰技术

尽管硬件上采取了抗干扰措施，但是由于干扰信 产生的原因很复杂，其频谱往往很宽，且具有很大的随机性，这使得硬件措施无法抑制所有的干扰，仍有一些干扰会侵入系统，因此为了确保控制系统的正常运行，除了采取硬件抗干扰措施外，软件抗干扰措施也是必须的，即在软件设计时也采取了抗干扰措施。

（一）软件冗余

单片机最容易受干扰的是内部程序计数器PC的值，在受到强烈的干扰后，PC的值就会被改变，改变后的值具有不确定性，这样便会使单片机程序的运行从原来的正确位置跳转到不确定的区域去执行，或将操作数当作操作码来执行，引起程序混乱。

当程序飞到某一单字节指令上时，便自动纳入正轨。当飞到某一双字节指令上时，有可能落在其操作数上，从而继续出错。当程序飞到三字节指令上时，出错的机会就更大。因此，为了使“乱飞”的程序在程序区迅速纳入正轨，在编写程序时，尽量少采用多字节指令，多采用单字节指令，并在关键的地方（对程序流向起决定作用的指令LCALL、LJMP、JB、JC等和某些对系统工作状态有重要作用的指令）有意识地插入一些空操作指令NOP，这就是冗余指令。

冗余指令的插入可以减少程序“乱飞”的次数，当弹飞的程序遇到空指令时，就使PC的内容得到调整，使程序很快纳入正确轨道。本系统采用的NOP指令的插入原则是：

（二）软件陷阱技术

当程序进入非程序区或表格区时，采用软件冗余指令程序的纳入轨道便不满足，此时对于未使用程序存储器单元，可以设定软件陷阱，拦截乱飞的程序，当程序飞到这些区域，将其迅速引向一个指定位置，在这个指定位置设置有一段专门对程序出错进行处理的程序。

软件陷阱，就是用引导指令强行将捕获到的乱飞程序引向复位入口地址0000H，在此处将程序转向对程序出错进行处理的程序，使程序纳入正轨。软件陷阱一般安排在未使用的中断区、未使用的存储区、运行程序区、中断服务程序区等地方。

（三）软件“看门狗”技术

外界对电路板的干扰会造成软件故障，甚至使单片机“死机”，这时，系统就会一直停止在某一状态，无法继续正常运行，必须重新复位才能恢复。监视定时器（WDT），俗称“看门狗”，具有监视单片机运行的功能，一旦发现“死机”，就会在很短的时间内发出复位信 ，恢复程序正常运行。使用看门狗可以使单片机摆脱因干扰而引起的瘫痪状态，使系统能够从瞬时故障中自动恢复，大大提高了系统的抗干扰能力。

在程序中，通过子程序中的软件设计，在PC7引脚不断输出高频脉冲控制步进电机。当系统无法正常运行时，即PC7引脚不能输出高频脉冲，则通过复位电路实现系统的复位，使程序重新开始执行。

该控制系统满足了国内尤其是江苏中小型电机铁芯生产企业的发展需求，可靠性很高，具有很高的性能价格比，更适用于中小型电机铁芯生产企业，为企业降低了成本。

结束语