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摘要:文章就纺织机械中矢量控制变频调速系统的硬件平台的关键技术进行了分析,特别强调了一些在实际设计中容易出现的一些问题,并对电路参数选取和设计的理由作了说明。
关键词:纺织机械;变频控制;矢量控制;硬件平台实现
中图分类号:TM921文献标识码:A
文章编号:1009-2374 (2010)22-0052-03
0引言
从纺织机的原型图中,可以看出在纺机行业中,比如横机,会有频繁的起停、换向等动作,这就要求调速系统具有良好的动态特性。变频调速系统的起动、加速、稳定运行和制动减速等性能的好坏,会直接影响织物的品质。本文主要就纺织机械中矢量控制变频调速系统的硬件平台的关键技术进行分析。矢量控制变频调速系统的硬件平台,主要包括:驱动电路、DSP控制电路、检测和保护电路以及操作面板。(1)驱动电路,包括整流、滤波、逆变电路等;(2)核心DSP控制板,包括DSP最小系统、接口和检测电路;(3)保护电路,包括过压、过流、过热等保护电路。本系统是一个具有转速反馈的闭环系统,DSP负责各相电流采样、转速采样,并计算电机的转速和位置,最后运用矢量算法,得到电压空间矢量的PWM控制信号经过光藕隔离电路后,驱动逆变器功率开关器件。当系统出现短路、过流、过压、过热等故障时,DSP将封锁PWM输出信号,使电机停机,并通过指示灯显示。
1驱动电路设计
纺织工业特别是横机,一般驱动功率较小,因此本课题选用0.75kW的小型电机作为控制对象,在硬件系统设计中采用典型的交流一直流一交流电压源型电路作为变频器主电路,主电路由整流、滤波、逆变和逆变电路的吸收等电路组成。整个变频器硬件框图如图2所示:
1.1整流电路
系统输入采用220V的交流电,在经过熔断器之后,通过单向桥式不可控整流方式进行整流,可得到直流电压输出。考虑裕量和实际产品的技术参数,最终采用KBPCI010的整流桥堆,其耐压为1kV,耐流10A。
1.2滤波电路
整流电路的输出的直流电压含有脉动成分,此外逆變部分产生的脉动电流及负载变换也使直流电压脉动,为使输出直流电压达到要求,我们设计了通用的大电容滤波电路,即在整流电路的P,NO两端并联电容,电容选取过程采用NI的multisim l0进行了仿真,从仿真结果可以看出,滤波电容越大,其滤波效果越好,但在电容值达到一定值之后,加大电容容量效果不明显,而且考虑到体积、价格等因数,电容值要限制在一定的范围内。因此在实际中,我们采用的是3个470uf的电容相并联,同时考虑到整流后的电压峰值为311V,实际电容的耐压值选取为耐压450V。
1.3启动限流和电源指示电路
主电源在合闸上电的过程中,由于滤波电容两端还未建立起电压,输入电压加在阻抗很小的电解电容的两端,相当于短路;若恰好在输入电压峰值时接通电源,整流器将流过很大的浪涌电流。输入滤波电容越大,合闸浪涌电流越大且持续的时间越长,会引起开关接点、保险丝熔断;同时,电容器和整流桥多次受到大电流冲击,性能恶化,影响器件的寿命。对这一过程,采用Multisim仿真,观察流过R2两端的电流,可以看出,在合闸瞬间的电流峰值比正常情况下的峰值要大的多,同时电容的快速充电也会产生很大的冲击噪声,因此很有必要采用缓冲起动电路来限制储能电容的初始充电电流。
如果限流电阻长时间接入,将会导致很大的功率损耗,这是不允许的。所以在储能滤波电容电压达到一定值时,应该使继电器闭合,限流电阻短接。限流电阻接入的时间,可以采用延时电路或者电压检测电路来确定。采用电压检测电路的好处是判断精确,缺点是增加了电路的复杂性,还可能引入新的不可靠因素。考虑在系统中,采用了开关电源的方式对系统供电,反激式开关电源有一个特点,即母线电压超过一定的值的时候,才开始工作。因此,可以利用这一特性,直接利用开关电源的输出来控制继电器,在开关电源完全工作时,继电器吸合,限流电阻被短接。采用JSl58开关电源模块实验,发现大约在2s左右继电器完全吸合,符合系统要求。限流电阻的取值可以从电流、消耗功率以及RC构成的延时这三个方面考虑,课题中采用的是18欧姆/5瓦的功率电阻。
1.4逆变电路(IPM)
逆变电路承担了直流转变为交流的任务,是驱动模块的核心。IPM(Intelligent Power Module),具有小型化、多功能、使用方便的优点,是微电子技术和电力电子技术相结合的产物,特别适合在小功率逆变电路中使用。这里采用了型号为PS215641371的IPM的产品。这里,IPM采用4路独立的15v电源,杜绝了因自举充电而带来的隐患。为防止由电源不稳定或噪声干扰的影响,在靠近每对端子近旁设置具有良好频率特性和温度特性的平滑电容。在驱动电源管脚间追加一个稳压二极管(24V/1W),用以防止浪涌电压可能造成驱动电路的损坏。控制信号(6路PWM信号)经高速光耦隔离送入IPM。之所以采用高速光耦,是因为课题中,DSP输出的PWM波载波频率达到10kHz。普通光耦的开关速度不能满足工艺需要。
上述的连接方式中,光耦输出端放置去耦电容,保证信号平滑;放置上拉电阻R45、R16,保证有明确的电平状态;放置非门是因为当光耦导通时,输出为低电平,而IPM为高电平驱动的原因,同时如果光耦输入侧无输入信号,由于输出侧上拉电阻作用,光耦输出高电平,会发生错误,另外非门你能使逻辑信号更明确。上拉电阻和非门的引入,保证了在无输入、高阻状态下,驱动信号明确、可靠,PIM的安全工作。另外针对电机的本身特点,为了防止浪涌破坏,母线电压引线尽量要短,并且,设计中还在母线电压输入处放置了吸收电容CDE941。
2控制电路设计
控制部分以TMS320LF2407最小板和一些外围器件构成,负责电流、速度信号的采集,然后根据矢量控制算法,完成SVPWM波的发生,经光电隔离驱动IPM,实现对电机的控制。另外DSP还对系统进行软件保护,即接受到DM的故障信号时,DSP立刻封锁PWM输出,关断PM,保护器件安全。
2.1DSP芯片TMS320LF2407A
这里,使用最多的还是EV(事件管理器)的功能。事件管理器是电机控制相关的最重要、最复杂的模块,更为所有类型电机提供控制技术。每个DSP有2个事件管理器模块EVA和EVB,每个事件管理器模块包括2个通用定时器(GP)、3个比较单元、3个捕获单元以及两个正交编码脉冲电路(QEP),EVA和EVB功能相同,只是名称不同。以EVA为例,3个通用定时器具有计数/定时的功能,在软件编写中被用作时基,在控制系统中产生采样时间,为QEP电路和捕获单元的操作提供时基;三个比较单元可以输出3组(6路)PWM信号,并且具有死区控制等功能;捕获单元可以记录输入引脚上信号跳变的时刻;QEP则具有直接连接光电编码器脉冲的能力(需要电平匹配),当QEP单元被使能时,将编码和计数引脚CAPl/QEPl和CAP2/QEP2上的正交编码输入脉冲解码并记数,可以获得一个旋转电机的位置和速度的信息。
另外,2407带有两个10位的A/D转换器模块,内置采样保持单元,共有16个模拟输入通道可用。每8个模拟输入通道通过8到l的多路转换器提高给每个模数转换器。每个模数转换器的最大转换时间是375ns。基准电源由外部提供,可以设置小于等于3.3V的直流电压。系统中电流采集就是利用这个片上资源完成的。
2.2控制电路结构
由于DSP管脚众多,限于篇幅,整体电路图不再给出,现就几个关键部分给予重点介绍:
(1)供电。DSP的供电是3.3V的。输入电源电压5V,通过电源芯片TPS75333,来获取3.3V的电压,在进入电源芯片之前首先通过二极管,这样一则能防止电源接反而造成的问题,二来利用二极管的导通压降,减少电源芯片的自身功耗。为使电源更加纯净,输出侧并联去耦电容,电容容值的选取将在后面EMC的小节中加以描述,另外,为各个芯片的供电处加去耦电容,有助于提供系统平滑性。为增加电源可靠性,使用TPS3823电源监控芯片监测电源电压。
(2)时钟发生器。时钟源可以使用无源石英晶振也可以使用可编程的时钟芯片,对于产品设计而言,一般采用晶振,辅以起振电容比较常用。参考时钟输入后,经片内PLL倍频给出系统时间CU (3)片外扩展。为了方便调试,片外有必要扩展一片RAM芯片,在仿真调试阶段将仿真洲作为临时的程序存储器,将程序载入到RAM中,这样就避免了每次都将程序烧入片内FLASH中,可以进行在线仿真,由于DSP的高速性能,对存储器的存储速度要求较高,因此采用了Cypress公司的Cy7c1021芯片,它的存储时间为33ns,数据宽带为16位,容量为64K。
(4)JTAG接口设计。JTAG扫描逻辑电路接口符合IEEEll49.1设计标准,是用于仿真和测试,已经在众多芯片中采用,方便,快捷。采用JTAG可以可以将仿真器和目标板联系到一起,完成在线仿真。
2.3相电流检测电路
电流检測电路的目的是为了在闭环控制系统中为了实时得到反馈的交流电动机的定子电流信号,通过把电流传感器检测到的电流信号转换成DSP可识别的数字信号。根据异步电机的数学模型可知,定子电流检测的精度和实时性是整个矢量控制系统精度的关键,因此,对电流的检测要求精度高和速度快,显然对于普通的电流互感器很难满足要求的,因此实际采用的是霍尔传感器。与普通传感器相比,它具有精度高、线性好、频带宽、响应快、过载能力强和不损失测量电路能量等优点,并且原边电路和副边电路之间完全电绝缘,绝缘电压高达几千伏,能测量任何波形的电流。
在电路中,电压跟随电路一般做缓冲级及隔离级。因为,电压放大器的出入阻抗一般比较高,通常在几千欧到几十千欧,如果后级的输入阻抗比较小,那么信号就会有相当的部分损耗在前级的输出电阻中,此传感器RL大于等于10千欧。在这个时候,就需要电压跟随器来从中进行缓冲,起到承上启下的作用。应用电压跟随器的另外一个好处就是,提高了输入阻抗,另外一个作用就是隔离,提高了可靠性。
由于DSP的A/D转换器的输入为0～+3.3V的电压信号,超过3.3V将会对DSP造成损害,因此需要加限幅度电路。限幅电路的目的就是将电压限制在0～3.3V之内,然而选取上还是有一定的讲究的。很多在箝位电路参考标准电压的选取上,直接采用了3.3V的参考电压,但由于二极管导通时会有一定的压降Vd,1N4148实测结果为0.59V,显然该值是不合适的,其结果是将箝位电压放大到(3.3+Vd)V了,违背了限幅的初衷;另外,箝位二极管的参考电压利用分压电路分压,也不合适。
2.4速度检测电路
在构成矢量控制系统的两个闭环中另外一个就是速度环,速度检测信号必须送入DSP进行数据处理。本系统采用光电式旋转编码器作为速度传感器。旋转编码器与电机相连,当电机转动时,带动码盘旋转,便发出转速信号。编码器通常分绝对式和增量式两种,本课题采用的足增量式编码器。增量式编码器在码盘上均匀的刻上一定数量的光栅,电机旋转时,码盘一起转动,通过光栅的缝隙的作用,形成一连串的脉冲波形,称脉冲序列A,在接收端能够得到与转速相对应的方波序列,这个序列里面包含了速度的信息,却无法包含方向。为此,可再增加一路信号,两者在发光和接收位置错开1/4的相位,我们称其为脉冲序列B,则脉冲序列A和脉冲序列B的相位就相差90°。可根据A相超前或滞后与B相,来判定电机的正转还是反转。本课题的光电编码器由5V供电,三路输出,分别为A、B、Z,其中A、B用于测速,他们的相位差为90°,而Z每转一圈输出一个脉冲,配合使用,提高精度。
2.5控制接口电平转换
DSP是3.3V供电,而外围电路很多都是5V供电,在这样的混合电压系统中,不同电源电压的逻辑器件互相接口存在以下几个问题:(1)加到输入和输出引脚上允许的最大电压限制问题。器件对加到输入或者输出脚上的电压通常是有限制的。如果接入的电压过高,则电流将会流向电源。两个电源间电流的互串问题。在等待或者掉电方式时,3.3V电源降落到0V,大电流将流通到地,这使得总线上的高电压被下拉到地,这些情况将引起数据丢失和元件损坏;(2)接口输入转换门限问题。用5V的器件来驱动3.3V的器件有很多不同的情况,同样TTL和CMOS间的转换电平也存在着不同情况。驱动器必须满足接收器的输入转换电平,并且要有足够的容限以保证不损坏电路元件。
PWM功能是本课题的关键功能之一,由于DSP的IO口的输出驱动能力有限,并且电平不匹配,所以在使用事件管理器驱动控制逆变桥时,需要经过适当的电平转换。这里选用的芯片是SN74LVC4245,74LVC245采用双电压(一边是3.3V,另一边是5V)供电的双向驱动器来实现电平转换,实现3.3～5V电平的匹配。设置DIR和OE为低电平,那么PWM1～PWM6D的输出从右侧到左侧,将电平变换为了5V,经光电隔离用于逆变桥的控制,这在PIM模块中有相应说明。
3结语
纺机行业是变频器应用最多、使用密度最高的行业,从清花、梳棉、并条、粗纱、细纱、络筒、整经、浆纱、无梭织机等均已采用。应用变频器可以提高工艺要求、提升产品质量,同时减轻人工劳动强度、提高生产效率,可以说,变频器是纺机行业增强国际竞争能力的重要装备。本文就矢量控制变频调速系统的硬件平台的设计给予了详细介绍,特别强调了一些在实际设计中容易出现的问题,对一些电路参数选取和设计的理由给予了说明,并给出了仿真、实际运行的效果比较。
参考文献
[1] 吕新.永磁同步电动机在涤纶纺丝机变频调速中的应用[J].纺织机械,2003,(5).
[2] 贾凤霞,申碧梅,安峰.变频调速系统在涤纶二部位纺丝机上的应用[J].纺织机械,2001,(5).
作者简介:丁左(1967-),江苏镇江人,上海高士线业有限公司销售及技术服务经理,工程师,硕士,研究方向:过程控制、企业竞争战略。
关键词:纺织机械;变频控制;矢量控制;硬件平台实现
中图分类号:TM921文献标识码:A
文章编号:1009-2374 (2010)22-0052-03
0引言
从纺织机的原型图中,可以看出在纺机行业中,比如横机,会有频繁的起停、换向等动作,这就要求调速系统具有良好的动态特性。变频调速系统的起动、加速、稳定运行和制动减速等性能的好坏,会直接影响织物的品质。本文主要就纺织机械中矢量控制变频调速系统的硬件平台的关键技术进行分析。矢量控制变频调速系统的硬件平台,主要包括:驱动电路、DSP控制电路、检测和保护电路以及操作面板。(1)驱动电路,包括整流、滤波、逆变电路等;(2)核心DSP控制板,包括DSP最小系统、接口和检测电路;(3)保护电路,包括过压、过流、过热等保护电路。本系统是一个具有转速反馈的闭环系统,DSP负责各相电流采样、转速采样,并计算电机的转速和位置,最后运用矢量算法,得到电压空间矢量的PWM控制信号经过光藕隔离电路后,驱动逆变器功率开关器件。当系统出现短路、过流、过压、过热等故障时,DSP将封锁PWM输出信号,使电机停机,并通过指示灯显示。
1驱动电路设计
纺织工业特别是横机,一般驱动功率较小,因此本课题选用0.75kW的小型电机作为控制对象,在硬件系统设计中采用典型的交流一直流一交流电压源型电路作为变频器主电路,主电路由整流、滤波、逆变和逆变电路的吸收等电路组成。整个变频器硬件框图如图2所示:
1.1整流电路
系统输入采用220V的交流电,在经过熔断器之后,通过单向桥式不可控整流方式进行整流,可得到直流电压输出。考虑裕量和实际产品的技术参数,最终采用KBPCI010的整流桥堆,其耐压为1kV,耐流10A。
1.2滤波电路
整流电路的输出的直流电压含有脉动成分,此外逆變部分产生的脉动电流及负载变换也使直流电压脉动,为使输出直流电压达到要求,我们设计了通用的大电容滤波电路,即在整流电路的P,NO两端并联电容,电容选取过程采用NI的multisim l0进行了仿真,从仿真结果可以看出,滤波电容越大,其滤波效果越好,但在电容值达到一定值之后,加大电容容量效果不明显,而且考虑到体积、价格等因数,电容值要限制在一定的范围内。因此在实际中,我们采用的是3个470uf的电容相并联,同时考虑到整流后的电压峰值为311V,实际电容的耐压值选取为耐压450V。
1.3启动限流和电源指示电路
主电源在合闸上电的过程中,由于滤波电容两端还未建立起电压,输入电压加在阻抗很小的电解电容的两端,相当于短路;若恰好在输入电压峰值时接通电源,整流器将流过很大的浪涌电流。输入滤波电容越大,合闸浪涌电流越大且持续的时间越长,会引起开关接点、保险丝熔断;同时,电容器和整流桥多次受到大电流冲击,性能恶化,影响器件的寿命。对这一过程,采用Multisim仿真,观察流过R2两端的电流,可以看出,在合闸瞬间的电流峰值比正常情况下的峰值要大的多,同时电容的快速充电也会产生很大的冲击噪声,因此很有必要采用缓冲起动电路来限制储能电容的初始充电电流。
如果限流电阻长时间接入,将会导致很大的功率损耗,这是不允许的。所以在储能滤波电容电压达到一定值时,应该使继电器闭合,限流电阻短接。限流电阻接入的时间,可以采用延时电路或者电压检测电路来确定。采用电压检测电路的好处是判断精确,缺点是增加了电路的复杂性,还可能引入新的不可靠因素。考虑在系统中,采用了开关电源的方式对系统供电,反激式开关电源有一个特点,即母线电压超过一定的值的时候,才开始工作。因此,可以利用这一特性,直接利用开关电源的输出来控制继电器,在开关电源完全工作时,继电器吸合,限流电阻被短接。采用JSl58开关电源模块实验,发现大约在2s左右继电器完全吸合,符合系统要求。限流电阻的取值可以从电流、消耗功率以及RC构成的延时这三个方面考虑,课题中采用的是18欧姆/5瓦的功率电阻。
1.4逆变电路(IPM)
逆变电路承担了直流转变为交流的任务,是驱动模块的核心。IPM(Intelligent Power Module),具有小型化、多功能、使用方便的优点,是微电子技术和电力电子技术相结合的产物,特别适合在小功率逆变电路中使用。这里采用了型号为PS215641371的IPM的产品。这里,IPM采用4路独立的15v电源,杜绝了因自举充电而带来的隐患。为防止由电源不稳定或噪声干扰的影响,在靠近每对端子近旁设置具有良好频率特性和温度特性的平滑电容。在驱动电源管脚间追加一个稳压二极管(24V/1W),用以防止浪涌电压可能造成驱动电路的损坏。控制信号(6路PWM信号)经高速光耦隔离送入IPM。之所以采用高速光耦,是因为课题中,DSP输出的PWM波载波频率达到10kHz。普通光耦的开关速度不能满足工艺需要。
上述的连接方式中,光耦输出端放置去耦电容,保证信号平滑;放置上拉电阻R45、R16,保证有明确的电平状态;放置非门是因为当光耦导通时,输出为低电平,而IPM为高电平驱动的原因,同时如果光耦输入侧无输入信号,由于输出侧上拉电阻作用,光耦输出高电平,会发生错误,另外非门你能使逻辑信号更明确。上拉电阻和非门的引入,保证了在无输入、高阻状态下,驱动信号明确、可靠,PIM的安全工作。另外针对电机的本身特点,为了防止浪涌破坏,母线电压引线尽量要短,并且,设计中还在母线电压输入处放置了吸收电容CDE941。
2控制电路设计
控制部分以TMS320LF2407最小板和一些外围器件构成,负责电流、速度信号的采集,然后根据矢量控制算法,完成SVPWM波的发生,经光电隔离驱动IPM,实现对电机的控制。另外DSP还对系统进行软件保护,即接受到DM的故障信号时,DSP立刻封锁PWM输出,关断PM,保护器件安全。
2.1DSP芯片TMS320LF2407A
这里,使用最多的还是EV(事件管理器)的功能。事件管理器是电机控制相关的最重要、最复杂的模块,更为所有类型电机提供控制技术。每个DSP有2个事件管理器模块EVA和EVB,每个事件管理器模块包括2个通用定时器(GP)、3个比较单元、3个捕获单元以及两个正交编码脉冲电路(QEP),EVA和EVB功能相同,只是名称不同。以EVA为例,3个通用定时器具有计数/定时的功能,在软件编写中被用作时基,在控制系统中产生采样时间,为QEP电路和捕获单元的操作提供时基;三个比较单元可以输出3组(6路)PWM信号,并且具有死区控制等功能;捕获单元可以记录输入引脚上信号跳变的时刻;QEP则具有直接连接光电编码器脉冲的能力(需要电平匹配),当QEP单元被使能时,将编码和计数引脚CAPl/QEPl和CAP2/QEP2上的正交编码输入脉冲解码并记数,可以获得一个旋转电机的位置和速度的信息。
另外,2407带有两个10位的A/D转换器模块,内置采样保持单元,共有16个模拟输入通道可用。每8个模拟输入通道通过8到l的多路转换器提高给每个模数转换器。每个模数转换器的最大转换时间是375ns。基准电源由外部提供,可以设置小于等于3.3V的直流电压。系统中电流采集就是利用这个片上资源完成的。
2.2控制电路结构
由于DSP管脚众多,限于篇幅,整体电路图不再给出,现就几个关键部分给予重点介绍:
(1)供电。DSP的供电是3.3V的。输入电源电压5V,通过电源芯片TPS75333,来获取3.3V的电压,在进入电源芯片之前首先通过二极管,这样一则能防止电源接反而造成的问题,二来利用二极管的导通压降,减少电源芯片的自身功耗。为使电源更加纯净,输出侧并联去耦电容,电容容值的选取将在后面EMC的小节中加以描述,另外,为各个芯片的供电处加去耦电容,有助于提供系统平滑性。为增加电源可靠性,使用TPS3823电源监控芯片监测电源电压。
(2)时钟发生器。时钟源可以使用无源石英晶振也可以使用可编程的时钟芯片,对于产品设计而言,一般采用晶振,辅以起振电容比较常用。参考时钟输入后,经片内PLL倍频给出系统时间CU
(4)JTAG接口设计。JTAG扫描逻辑电路接口符合IEEEll49.1设计标准,是用于仿真和测试,已经在众多芯片中采用,方便,快捷。采用JTAG可以可以将仿真器和目标板联系到一起,完成在线仿真。
2.3相电流检测电路
电流检測电路的目的是为了在闭环控制系统中为了实时得到反馈的交流电动机的定子电流信号,通过把电流传感器检测到的电流信号转换成DSP可识别的数字信号。根据异步电机的数学模型可知,定子电流检测的精度和实时性是整个矢量控制系统精度的关键,因此,对电流的检测要求精度高和速度快,显然对于普通的电流互感器很难满足要求的,因此实际采用的是霍尔传感器。与普通传感器相比,它具有精度高、线性好、频带宽、响应快、过载能力强和不损失测量电路能量等优点,并且原边电路和副边电路之间完全电绝缘,绝缘电压高达几千伏,能测量任何波形的电流。
在电路中,电压跟随电路一般做缓冲级及隔离级。因为,电压放大器的出入阻抗一般比较高,通常在几千欧到几十千欧,如果后级的输入阻抗比较小,那么信号就会有相当的部分损耗在前级的输出电阻中,此传感器RL大于等于10千欧。在这个时候,就需要电压跟随器来从中进行缓冲,起到承上启下的作用。应用电压跟随器的另外一个好处就是,提高了输入阻抗,另外一个作用就是隔离,提高了可靠性。
由于DSP的A/D转换器的输入为0～+3.3V的电压信号,超过3.3V将会对DSP造成损害,因此需要加限幅度电路。限幅电路的目的就是将电压限制在0～3.3V之内,然而选取上还是有一定的讲究的。很多在箝位电路参考标准电压的选取上,直接采用了3.3V的参考电压,但由于二极管导通时会有一定的压降Vd,1N4148实测结果为0.59V,显然该值是不合适的,其结果是将箝位电压放大到(3.3+Vd)V了,违背了限幅的初衷;另外,箝位二极管的参考电压利用分压电路分压,也不合适。
2.4速度检测电路
在构成矢量控制系统的两个闭环中另外一个就是速度环,速度检测信号必须送入DSP进行数据处理。本系统采用光电式旋转编码器作为速度传感器。旋转编码器与电机相连,当电机转动时,带动码盘旋转,便发出转速信号。编码器通常分绝对式和增量式两种,本课题采用的足增量式编码器。增量式编码器在码盘上均匀的刻上一定数量的光栅,电机旋转时,码盘一起转动,通过光栅的缝隙的作用,形成一连串的脉冲波形,称脉冲序列A,在接收端能够得到与转速相对应的方波序列,这个序列里面包含了速度的信息,却无法包含方向。为此,可再增加一路信号,两者在发光和接收位置错开1/4的相位,我们称其为脉冲序列B,则脉冲序列A和脉冲序列B的相位就相差90°。可根据A相超前或滞后与B相,来判定电机的正转还是反转。本课题的光电编码器由5V供电,三路输出,分别为A、B、Z,其中A、B用于测速,他们的相位差为90°,而Z每转一圈输出一个脉冲,配合使用,提高精度。
2.5控制接口电平转换
DSP是3.3V供电,而外围电路很多都是5V供电,在这样的混合电压系统中,不同电源电压的逻辑器件互相接口存在以下几个问题:(1)加到输入和输出引脚上允许的最大电压限制问题。器件对加到输入或者输出脚上的电压通常是有限制的。如果接入的电压过高,则电流将会流向电源。两个电源间电流的互串问题。在等待或者掉电方式时,3.3V电源降落到0V,大电流将流通到地,这使得总线上的高电压被下拉到地,这些情况将引起数据丢失和元件损坏;(2)接口输入转换门限问题。用5V的器件来驱动3.3V的器件有很多不同的情况,同样TTL和CMOS间的转换电平也存在着不同情况。驱动器必须满足接收器的输入转换电平,并且要有足够的容限以保证不损坏电路元件。
PWM功能是本课题的关键功能之一,由于DSP的IO口的输出驱动能力有限,并且电平不匹配,所以在使用事件管理器驱动控制逆变桥时,需要经过适当的电平转换。这里选用的芯片是SN74LVC4245,74LVC245采用双电压(一边是3.3V,另一边是5V)供电的双向驱动器来实现电平转换,实现3.3～5V电平的匹配。设置DIR和OE为低电平,那么PWM1～PWM6D的输出从右侧到左侧,将电平变换为了5V,经光电隔离用于逆变桥的控制,这在PIM模块中有相应说明。
3结语
纺机行业是变频器应用最多、使用密度最高的行业,从清花、梳棉、并条、粗纱、细纱、络筒、整经、浆纱、无梭织机等均已采用。应用变频器可以提高工艺要求、提升产品质量,同时减轻人工劳动强度、提高生产效率,可以说,变频器是纺机行业增强国际竞争能力的重要装备。本文就矢量控制变频调速系统的硬件平台的设计给予了详细介绍,特别强调了一些在实际设计中容易出现的问题,对一些电路参数选取和设计的理由给予了说明,并给出了仿真、实际运行的效果比较。
参考文献
[1] 吕新.永磁同步电动机在涤纶纺丝机变频调速中的应用[J].纺织机械,2003,(5).
[2] 贾凤霞,申碧梅,安峰.变频调速系统在涤纶二部位纺丝机上的应用[J].纺织机械,2001,(5).
作者简介:丁左(1967-),江苏镇江人,上海高士线业有限公司销售及技术服务经理,工程师,硕士,研究方向:过程控制、企业竞争战略。