能型纺织机械电专用控制器Word下载.docx
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SPWMinverter;
microcontroIIer;
asynchronousmotor
目录
一、引言21
二、设计思想。
22
三、硬件设计:
23
3.1模拟SPWM发生器电路23
3.2SPWM输出驱动电路25
3.3功率输出电路25
四、软件设计。
25
4.1模拟SPWM设计。
26
4.2软件抗干扰设计.26
五、创新点及社会效益分析。
27
六、产品实物图:
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一、引言
目前专业变频器性能优良、节能效果突出,但很难普及,其根本原因是成本居高不下,对企业用户而言,节能不省钱,使企业成本大增,难以接受。
使变频器成本过高的主要原因有:
1、专业变频器功能很多,造成成本增加。
现在变频器一般都具有完成闭环控制的多种输入,变频范围0~400Hz,多种通信模式和种种安全保护措施。
但在实际应用中仅有几种功能有用,不足系统功能的10%,况且,许多功能需要专业工人经过培训后方能操作,造成资源浪费,也影响普及。
2、变频器控制芯片多为83C196MD、TMS320F240等集成有三相PWM发生器的微处理器,或用HEF4752、SLE4520、SA4828等专用芯片,因其开发过程复杂,为少数厂家所垄断,价格极高,影响变频器的普及。
3、变频技术为少数企业所掌握,
而纺织行业使用的电机特别多,因其工作性质的原因,机器启动后是不宜停机的,否则可能影响布面或纺纱质量,基本都是连续运行。
因此纺织企业建厂时,都有自己的专用配电设备,考虑到电网的电压波动,为了保证在用电高峰期时(此时电压最低)保证企业所有电机都能正常工作,大多设定的输出电压高于380V。
当到用电低谷时,电压超过400V。
做为电机在设计时,必须在360V就能达到额定工作力矩和转速,电压达到400V以上时电机转速并没有线性的提高,对系统的产量也没有增加,电机的功耗却增加了,这部分功耗转换成热量使电机升温,影响电机的使用安全。
因而在纺织行业中节能潜力极大。
如理论上一个4KW的电机,额定工作电压380V,工作电流应该是6A,而在实际应用中允许电压变化10%,那么电机在360时就应达到额定工作状态,而在工厂里,为了使企业24小时都能正常开工,工作电压时常达400V以上。
而电机的工作电流随着电压的升高而增加。
节能控制器根据电机的负载大小调整PWM输出的占空比,使电机较少受到外部电压变化的影响。
假定电流不随电压升高而增加,况且电机满负荷工作,节能效果如下:
[(400-360)÷
400]=10%。
因此最少节能10%。
假设节能效果为8%,每日4×
24×
8%×
0.8=6.14(元/天)6.14×
300(天)=1842(元)。
开发节能型纺织机械电机专用控制器的目标:
变频范围在30~99Hz,调节方便,功能够用,价格便宜(一年内省出投资),直接安装使用(免培训),输出功率最大4KW。
1、变频范围在30~99Hz,频率跨度不大,在保证额定转矩的条件下,频率过低,工作电流较大,对主功率器件安全有影响;
频率过高则要求有较高的载波频率,增加器件的功耗,因此在频率范围较少的情况下有利于提高主功率器件的安全性。
2、载波频率9K、12K、15K、18K几个频点。
一般以12K为中间频率,因为在此时,通用的功率器件都能达到的开头速度,同时能够保障此状态的开关损耗较小。
3、主控器件采用通用有8位单片机STC12C5412AD,单周期指令,速度高达4MBPS,有四路PWM输出,并有8路10位AD输入,价格便宜,又能满足节能专用控制器的需求。
为了有效的防止功率器件的上、下臂同时导通造成功率器件的永久损坏,在软件上可以设置延迟导通时间外,在PWM输出时有另外的具有逻辑功能的硬件驱动电路,实现硬件延时,确保主控器系统受到强干扰死机且看门狗系统尚未复位之时,保护功率器上、下臂同时导通造成系统的损坏。
4、功率器件选用7只SGP25N1200BND,该器件负载能力强、开关速度快、开关损耗小,价格便宜,最大电流54A@25℃。
5、节能设计。
依据在恒定的负载时的电机负载曲线,通过负载电流工作状况,不断调整PWM的占空比,实现输出电流、电压最小值。
达到节能目标。
6、电机的负载性如图1所示。
负载不同,其负载曲线是不同的。
当负载恒定时,如Q1曲线。
电压高过Q1点,随电压的增加电流是增加;
当电压下降至Q1点之后随电压的下降电流也是增加的,只有在Q1电流电压最小,也就是在Q1工作点上,消耗功率最小。
该节能控制器就是根据电机的负载的动态变化实时调整SPWM输出的占空比,跟踪工作点,使电流、电压输出最小,实现节能目的。
系统主要由模拟三相SPWM发生器、SPWM输出驱动、输出电流电压变换器及SPWM功率输出电路等部分,结构如图2所示。
模拟三相SPWM发生器经SPWM驱动输出电路放大后,由SPWM功率输出电路输出。
输出的电流和电压经输出电流电压互感器将进行按比例变换和A/D转换后反馈到主控制系统,主控系统根据电机负载情况,自动调整SPWM输出的幅度,实现最大限度的节能。
主要特色电路如下:
图2
3.1模拟SPWM发生器电路
模拟SPWM发生器电路以STC12C5412AD为核心,晶振频率为22.1184MHz。
STC12C5412AD是单机器周期,指令与8051系列兼容的微处理器,内部集成了E2PROM、看门狗电路、4路8位PWM、8路10位A/D转换器、MAX810专用复位电路及具有主从模式的SPI同步通信口,并对输入、输出端口进行了优化,提高了系统的抗干扰能力。
利用其中的三个PWM输出,分时控制SPWM驱动输出电路模拟三相占空比可调的、波型与三相交流电相近的SPWM,经SPWM功率模块输出。
主要接口电路如图3所示。
IC6和IC1是同类型单片机。
IC6是SPWM发生器,IC1是A/D转换、显示控制、按键扫描电路。
PWM0和ORL、ORH共同构成A相输出,PWM0模拟正弦SPWM信号,ORL和ORH同时为高或低,都将关闭PWM0的输出,ORL为高电平,ORH为低时,通过SPWM输出驱动电路使功率模块的A相的上部工作,ORL为低电平,ORH为高时,则功率模块A相的下部工作。
PWM1与OBH、OBL完成B相的SPWM输出,PWM2与OYH、OYL完成C相的SPWM输出。
IC1与IC6两留有同步高速的SPI通信接口,通过该端口完成数据交换,协同完成控制任务。
SCLK为时钟,由主控IC6输出,MISO为主控输出数据,MOSI为主控接收数据。
3.2SPWM输出驱动电路
SPWM输出驱动电路主要功能一是将一路PWM输出,在SPWM发生器的控制下分解成二路SPWM信号,分别驱动二路功率器件工作。
二是在二路功率器件工作交替时,通过硬件电路产生约50uS的延时,避免因功率器件上、下两部分在交换时产生同时导通造成器件永久性损坏。
同时,在SPWM发生器系统出现死机而看门狗电路尚未复位时,对功率输出器件进行保护。
电路如图4所示,图中仅给出二相的SPWM输出驱动电路。
电路中,IC2A是74HC27集成电路,当脚1、2、13同时为低时,输出为高,当PWM0输入为低,ORH也为低,且RL为高时,经R11、C13延时,IC4D倒相后,RH才能够输出有效的低电平信号。
同样,在SPWM发生器控制下ORH变为高电平,RH为电平,输出无效,经R10、C14延时和IC4B倒相,RL成为低电平,有效输出。
如此实现二路切换时的延时。
调整R11和C13、R10和C14的值,可以改变延时时间。
3.3功率输出电路
功率输出部分集成了六只IGBT,最大输出电流48A@25℃,最高耐压1200V,
可有效推动4KW以下电机。
软件以KEILC51V6.02编写,采用模块化结构、主程序如图6所示。
不对称规则采样SPWM算法是在三角形载波的顶点和底点对调制波进行采样以形成阶梯,并用此阶阶梯波与三角波的交点来确定PWM。
由于在一个三角形载波周期中需采样两次,因此采样周期是载波周期的一半。
设调制比为M,采样周期为Ts,则在三角形顶点采样计算的脉冲数据ton、toff以及在三角形底点采样计算的脉冲数据t'
on、t'
off分别为:
ton=Ts(1+Msinωt1)/2
toff=Ts(1-Msinωt2)/2
t'
on=Ts(1+Msinωt2)/2
off=Ts(1-Msinωt2)/2
脉冲宽度为:
tpu=Ts[1+M(sinωt1+sinωt2)]/2
式中t1、t2分别为顶点采样和底点采样所对应的时刻。
不规则采样SPWM算法在载波比(即三角波与调制波频率之比)等于3的整数倍时,输出SPWM不存在偶次谐波分量,其它高次谐波的幅值也较小。
4.2软件抗干扰设计.
系统工作在电磁干扰严重的环境下,提高系统的抗干扰能力,确保运行安全可靠,是系统的重要创新之一,在该项目的抗干扰设计上,首先对程序运行状态和关键数据进行了实时备份,启用了看门狗功能,当程序发生异常而使看门狗电路复位时,系统调用备份数据而不用重新全面初始化。
其次,在程序的空闲空间和关键入口处设置了陷阱程序,当程序运行受到干扰时,确保程序指针及时、快速返回指定位置。
另外,在主程序运行过程中设置了多处标志位,监控程序随时根据标志位的变化,分析主程序运行是否正常,发现运行异常时及时修正。
主要创新点。
1.以节能为核心的软件设计与算法。
系统通过电压互感器、电流互感器对电机工作状况进行实时测量,经分析运算,感知电机负载变化,根据不同负载曲线,调整SPWM输出,使电机稳定工作在最佳工作状态。
同时通过智能分析与运算,自动适应不同型号与功率的电机。
2.使用新型微控制器和独立设计的硬件驱动电路。
使用新型高速单片机产生三