張軍

摘要：本文旨在以某型倒角機(jī)圓周軸為控制研究對象，根據(jù)機(jī)床工作原理、工藝要求、工作環(huán)境等特點(diǎn)設(shè)計(jì)變頻調(diào)速的簡易專用變頻調(diào)速器，該變頻調(diào)速器是把微控制器芯片和電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)合成一個(gè)整體設(shè)備，能夠?qū)︱?qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)施實(shí)時(shí)變頻調(diào)速控制，不僅具有通用型變頻調(diào)速器的部分變頻功能，還針對特定的控制對象具有自身特有的控制功能。

Abstract： This paper takes the circular shaft of a chamfering machine as the control and research object. The working principle， technical requirements， work environment and other characteristics of the machine are used to design the simple dedicated frequency conversion governor of variable voltage and variable frequency. The variable voltage and variable frequency governor combines the micro controller chip and motor speed control system into a whole equipment to implement real-time frequency control for the motor speed control of drive motor. It has some frequency conversion function of the universal variable voltage and variable frequency and it also has its own unique control function for the specific control object.

關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速器；SPWM；研究

Key words： variable voltage and variable frequency；SPWM；study

中圖分類號：TK243.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）07-0162-03

0 引言

現(xiàn)今社會廣泛應(yīng)用變頻調(diào)速的技術(shù)在各行各業(yè)，這種技術(shù)應(yīng)用改變了傳動(dòng)的方式性，改變了傳動(dòng)的適用性。變頻空調(diào)的應(yīng)用既是對資源的節(jié)約，又在改善人們的生活。變頻調(diào)速滿足著各種需求，變頻調(diào)速器從最初的電力電子器件的模塊化，不斷改革創(chuàng)新，先實(shí)現(xiàn)了交流電路開關(guān)的高頻化，后實(shí)現(xiàn)了控制手段的全數(shù)字化。當(dāng)前企業(yè)生產(chǎn)中采用的機(jī)加工設(shè)備使用到的變頻調(diào)速器大部分為通用型變頻調(diào)速器，通用變頻調(diào)速器用于一般工業(yè)驅(qū)動(dòng)，但是其通用的功能設(shè)置較為復(fù)雜造成了某些設(shè)備的功能冗雜，控制程序多，資源浪費(fèi)，在這種情況下，人們對專用變頻調(diào)速器的需求越來越強(qiáng)烈，同時(shí)針對通用變頻調(diào)速器存在的成本高、系統(tǒng)復(fù)雜等問題，人們還設(shè)計(jì)了簡易變頻調(diào)速器，不僅有效解決了傳統(tǒng)變頻調(diào)速中存在的問題，還可將其用于某些特殊應(yīng)用領(lǐng)域的特定的控制對象，滿足某些特定的控制要求[1]。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

考慮到本設(shè)計(jì)中倒角機(jī)的特點(diǎn)及工藝要求，設(shè)計(jì)簡易變頻調(diào)速器時(shí)應(yīng)綜合考慮其可靠性、經(jīng)濟(jì)性和專用性等特點(diǎn)，功率器件選取智能功率模塊（IPM模塊作），核心控制芯片采用LM3S6911，主回路采用的是典型的交-直-交電壓源型功率變換器結(jié)構(gòu)。

變頻器的主回路主要三大部分：

①整流電路：三相橋式不可控整流器。該電路的功能是將三相交流電（AC）整流：變成直流電（DC），整流后的電為脈沖電壓，必需要經(jīng)濾波后供給負(fù)載。

②中間直流環(huán)節(jié)：該部分包含制動(dòng)電路、限流電路、濾波電路等[3]。整流電路輸出的電壓經(jīng)過中間環(huán)節(jié)輸出穩(wěn)定的直流電供給后續(xù)電路。

③逆變電路。逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，該電路將中間環(huán)節(jié)輸出的直流電轉(zhuǎn)變成交流電，其輸出為PWM波形。原理圖如圖1所示。

如圖1所示：外部工頻電源R、S、T分別由接線端子J1的1、2、3端經(jīng)熔斷器輸入到整流器模塊的1、2、3電源引腳，在整流電路中輸入380V三相交流電，使其變化為537V的直流電；經(jīng)整流后的直流電通過濾波電路進(jìn)行濾波，減小了整流后直流電中的脈動(dòng)成分變成平滑的直流電；將該直流電輸入到逆變電路模塊，該直流電將被逆變成為電壓、頻率均可調(diào)的220V三相交流電，逆變電路的引腳4、5、6分別輸出U、V、W三相電壓，經(jīng)接線端子J2的1、2、3端輸出給與其相連的三相交流異步電機(jī)。此外在直流回路中串入的限流電阻RL，它的功能是為了避免大電解電容在通電瞬間產(chǎn)生過大的沖擊電流，造成電路損壞。

控制電路的控制芯片采用LM3S6911微控制器，它擁有ARM微控制器所具有的大部分優(yōu)點(diǎn)，其具有工作頻率為50MHz、32位RISC性能、提供系統(tǒng)時(shí)鐘、4個(gè)通用定時(shí)器模塊，每個(gè)模塊提供2個(gè)16位定時(shí)器。由于LM3S6911芯片的供電電壓只能是3.3V，而給整個(gè)控制系統(tǒng)供電的是一個(gè)外部+5V直流電源，如此在設(shè)計(jì)系統(tǒng)電路時(shí)必須設(shè)置一個(gè)電壓電路，以便實(shí)現(xiàn)兩個(gè)不同電壓的轉(zhuǎn)化，確保穩(wěn)壓電源來給微控制器供電。

系統(tǒng)的控制單元使用DV12864C點(diǎn)陣LCD液晶顯示模塊，該模塊是128x64點(diǎn)陣LCD，將該模塊的外部引腳與LM3S6911微處理器的GPIO寄存器的外部接口相連接，構(gòu)成顯示電路圖，如圖2所示，該部分電路采用8位并行傳輸方式與微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[3]，可將各設(shè)定參數(shù)及傳感器數(shù)值顯示出來，同時(shí)具有光標(biāo)閃爍、字符移動(dòng)等功能。

2 軟件設(shè)計(jì)

簡易變頻調(diào)速器既保證能夠達(dá)到性能指標(biāo)要求，又簡化了通用型變頻調(diào)速器的硬件電路，因此要最大限度的保證系統(tǒng)的安全性、可靠性以及更好實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的性能指標(biāo)，這無疑對軟件設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

軟件的關(guān)鍵組成部分是SPWM的實(shí)現(xiàn)，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，SPWM波形依靠軟件就可以生成，本設(shè)計(jì)就是采用了軟件生成SPWM的方法。軟件設(shè)計(jì)的主程序主要包括初始化模塊、循環(huán)調(diào)用模塊、中斷模塊、故障檢測模塊等，通過變化各模塊的組合使用情況，改變功能模塊之間的關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)不同的功能要求。其中初始化模塊包括：ARM初始化、系統(tǒng)初始化、定時(shí)器（GPTM）初始化、ADC初始化、PWM寄存器初始化、PWM比較器初始化、GPIO端口初始化等。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過多次試驗(yàn)，使六路輸出的信號PWM 0-PWM 5分別經(jīng)過了驅(qū)動(dòng)電路控制IPM中相應(yīng)IGBT管的導(dǎo)通與關(guān)斷，以輸出三相正弦脈寬調(diào)制波，控制電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速[4]。IPM的逆變橋的同一個(gè)橋臂上有上下兩個(gè)IGBT，但在實(shí)際工作過程中兩個(gè)IGBT無法同時(shí)導(dǎo)通，這時(shí)需要對兩者的驅(qū)動(dòng)信號進(jìn)行觀測，波形圖如圖3中（a）所示；并在電路正常運(yùn)行的前提下對控制工作組的U相上IGBT管和V相下IGBT管的驅(qū)動(dòng)信號進(jìn)行了觀測，波形圖如圖3中（b）所示。

調(diào)試好的SPWM生成程序經(jīng)過調(diào)試試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電機(jī)的換向控制要求基本上都可以得到滿足，因此軟件部分完成，進(jìn)入硬件調(diào)試階段。在硬件調(diào)試階段，應(yīng)采用示波器進(jìn)行觀測同時(shí)記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

4 結(jié)束語

LM3S6911芯片不僅簡化了系統(tǒng)的硬件電路，還有效解決了傳統(tǒng)系統(tǒng)中存在的弊端，具有很高的可靠性、實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確度，系統(tǒng)穩(wěn)定性好。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉學(xué)俊，饒萬里.集中安裝效果良好——交流變頻調(diào)速器在銅精礦的應(yīng)用狀況[J].電工技術(shù)雜志，2004（06）.

[2]陳立功，周志超，彭昱.基于FX2N的電機(jī)無級調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].西華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010（01）.

[3]Rogelio Luck，Asok Ray. Experimental verification of a delay compensation algorithm for integrated communication and control systems.

[4]吳浪武，邱國旺，周林玉.PLC中移位、比較、傳送指令在順序控制程序編程方法的應(yīng)用[J].化工自動(dòng)化及儀表，2011（09）.