節(jié)能型紡織機械電機專用控制器.doc

1、節(jié)能型紡織機械電機專用控制器中文摘要:針對紡織機械電機開啟后不宜停止的特性，分析了其耗能浪費的主要原因,提出了節(jié)能的主要思路，并設計了一套適用于紡織機械電機的變頻控器,探討了怎樣使用芯片STC12C5412AD來實現三相的SPWM 逆度，以及在單片機中的軟件實現。在主電路上采用IGBT作為開關器件，并分析和設計了系統(tǒng)的軟硬件結構。英文摘要：For the textile machinery shouldnt be stopped after its openness, this essay firstly makes an analysis about the main reasons tha

2、t cause its energy consumption and waste， and then proposes the major thinking about saving energy, designs a set of frequency converters for textile machinery and discusses how to achieve the threephase inverse degree through using the chip STC12C5412AD as well as the realization of singlechip soft

3、ware。 In addition, this essay proposes the use of IGBT as the switching devices in the main circuit， analyzes and designs the structure of the systematic hardware and software.文檔為個人收集整理，來源于網絡文檔為個人收集整理，來源于網絡中文關鍵詞：SPWM變頻器;單片機；異步電機英文關鍵詞：SPWM inverter；microcontroIIer；asynchronous motor目錄一、引言21二、設計思想。22三

4、、硬件設計：2331 模擬SPWM發(fā)生器電路2332 SPWM輸出驅動電路2533 功率輸出電路25四、軟件設計。2541模擬SPWM設計。264.2 軟件抗干擾設計.26五、創(chuàng)新點及社會效益分析.27六、產品實物圖：29一、引言目前專業(yè)變頻器性能優(yōu)良、節(jié)能效果突出，但很難普及，其根本原因是成本居高不下，對企業(yè)用戶而言，節(jié)能不省錢,使企業(yè)成本大增，難以接受。使變頻器成本過高的主要原因有：1、 專業(yè)變頻器功能很多，造成成本增加?，F在變頻器一般都具有完成閉環(huán)控制的多種輸入,變頻范圍0400Hz，多種通信模式和種種安全保護措施。但在實際應用中僅有幾種功能有用，不足系統(tǒng)功能的10%,況且，許多功能需要

5、專業(yè)工人經過培訓后方能操作，造成資源浪費，也影響普及.2、 變頻器控制芯片多為83C196MD、TMS320F240等集成有三相PWM發(fā)生器的微處理器，或用HEF4752、SLE4520、SA4828等專用芯片，因其開發(fā)過程復雜，為少數廠家所壟斷，價格極高，影響變頻器的普及.3、 變頻技術為少數企業(yè)所掌握，而紡織行業(yè)使用的電機特別多，因其工作性質的原因，機器啟動后是不宜停機的，否則可能影響布面或紡紗質量，基本都是連續(xù)運行。因此紡織企業(yè)建廠時，都有自己的專用配電設備，考慮到電網的電壓波動，為了保證在用電高峰期時(此時電壓最低）保證企業(yè)所有電機都能正常工作，大多設定的輸出電壓高于380V.當到用電

6、低谷時，電壓超過400V.做為電機在設計時，必須在360V就能達到額定工作力矩和轉速,電壓達到400V以上時電機轉速并沒有線性的提高，對系統(tǒng)的產量也沒有增加,電機的功耗卻增加了，這部分功耗轉換成熱量使電機升溫，影響電機的使用安全.因而在紡織行業(yè)中節(jié)能潛力極大。如理論上一個4KW的電機，額定工作電壓380V,工作電流應該是6A，而在實際應用中允許電壓變化10%,那么電機在360時就應達到額定工作狀態(tài)，而在工廠里,為了使企業(yè)24小時都能正常開工，工作電壓時常達400V以上.而電機的工作電流隨著電壓的升高而增加。節(jié)能控制器根據電機的負載大小調整PWM輸出的占空比,使電機較少受到外部電壓變化的影響。假

7、定電流不隨電壓升高而增加，況且電機滿負荷工作，節(jié)能效果如下:（400-360）÷400=10。因此最少節(jié)能10%。假設節(jié)能效果為8，每日4×24×8%×0.8=6。14（元/天） 6.14×300（天)=1842（元）。開發(fā)節(jié)能型紡織機械電機專用控制器的目標:變頻范圍在3099Hz，調節(jié)方便，功能夠用,價格便宜（一年內省出投資），直接安裝使用（免培訓）,輸出功率最大4KW。二、設計思想.1、 變頻范圍在3099Hz，頻率跨度不大，在保證額定轉矩的條件下，頻率過低，工作電流較大，對主功率器件安全有影響；頻率過高則要求有較高的載波頻率，增加器件的功

8、耗，因此在頻率范圍較少的情況下有利于提高主功率器件的安全性。2、 載波頻率9K、12K、15K、18K幾個頻點。一般以12K為中間頻率，因為在此時，通用的功率器件都能達到的開頭速度，同時能夠保障此狀態(tài)的開關損耗較小.3、 主控器件采用通用有8位單片機STC12C5412AD，單周期指令，速度高達4MBPS，有四路PWM輸出，并有8路10位AD輸入,價格便宜，又能滿足節(jié)能專用控制器的需求。為了有效的防止功率器件的上、下臂同時導通造成功率器件的永久損壞,在軟件上可以設置延遲導通時間外,在PWM輸出時有另外的具有邏輯功能的硬件驅動電路,實現硬件延時，確保主控器系統(tǒng)受到強干擾死機且看門狗系統(tǒng)尚未復位之

9、時，保護功率器上、下臂同時導通造成系統(tǒng)的損壞.圖14、 功率器件選用7只SGP25N1200BND，該器件負載能力強、開關速度快、開關損耗小，價格便宜，最大電流54A25。5、 節(jié)能設計。依據在恒定的負載時的電機負載曲線，通過負載電流工作狀況，不斷調整PWM的占空比，實現輸出電流、電壓最小值.達到節(jié)能目標。6、 電機的負載性如圖1所示.負載不同，其負載曲線是不同的。當負載恒定時，如Q1曲線。電壓高過Q1點，隨電壓的增加電流是增加；當電壓下降至Q1點之后隨電壓的下降電流也是增加的，只有在Q1電流電壓最小，也就是在Q1工作點上，消耗功率最小。該節(jié)能控制器就是根據電機的負載的動態(tài)變化實時調整SPWM

10、輸出的占空比，跟蹤工作點,使電流、電壓輸出最小,實現節(jié)能目的.三、硬件設計： 系統(tǒng)主要由模擬三相SPWM發(fā)生器、SPWM輸出驅動、輸出電流電壓變換器及SPWM功率輸出電路等部分，結構如圖2所示。模擬三相SPWM發(fā)生器經SPWM驅動輸出電路放大后，由SPWM功率輸出電路輸出。輸出的電流和電壓經輸出電流電壓互感器將進行按比例變換和A/D轉換后反饋到主控制系統(tǒng)，主控系統(tǒng)根據電機負載情況，自動調整SPWM輸出的幅度，實現最大限度的節(jié)能.主要特色電路如下： 三相交流電源三項整流濾波電路SPWM功率輸出電路直流電壓電源系統(tǒng)+20V/+20V/+20V/+20V/+12V/+5V模擬三項SPWM發(fā)生器及控制

11、系統(tǒng)SPWM輸出驅動輸出電流電壓互感器輸入電壓變換器A/D轉換、顯示控制、按鍵掃描溫度傳感器圖231 模擬SPWM發(fā)生器電路模擬SPWM發(fā)生器電路以STC12C5412AD為核心，晶振頻率為22。1184MHz.STC12C5412AD是單機器周期,指令與8051系列兼容的微處理器，內部集成了E2PROM、看門狗電路、4路8位PWM、8路10位A/D轉換器、MAX810專用復位電路及具有主從模式的SPI同步通信口，并對輸入、輸出端口進行了優(yōu)化，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。利用其中的三個PWM輸出,分時控制SPWM驅動輸出電路模擬三相占空比可調的、波型與三相交流電相近的SPWM，經SPWM功率模塊輸

12、出.圖3主要接口電路如圖3所示.IC6和IC1是同類型單片機。IC6是SPWM發(fā)生器，IC1是A/D轉換、顯示控制、按鍵掃描電路。PWM0和ORL、ORH共同構成A相輸出，PWM0模擬正弦SPWM信號，ORL和 ORH同時為高或低，都將關閉PWM0的輸出，ORL為高電平，ORH為低時，通過SPWM輸出驅動電路使功率模塊的A相的上部工作,ORL為低電平，ORH為高時，則功率模塊A相的下部工作。PWM1與OBH、OBL完成B相的SPWM輸出,PWM2與OYH、OYL完成C相的SPWM輸出。IC1與IC6兩留有同步高速的SPI通信接口，通過該端口完成數據交換，協(xié)同完成控制任務。SCLK為時鐘,由主控

13、IC6輸出，MISO為主控輸出數據，MOSI為主控接收數據.32 SPWM輸出驅動電路SPWM輸出驅動電路主要功能一是將一路PWM輸出，在SPWM發(fā)生器的控制下分解成二路SPWM信號，分別驅動二路功率器件工作.二是在二路功率器件工作交替時，通過硬件電路產生約50uS的延時，避免因功率器件上、下兩部分在交換時產生同時導通造成器件永久性損壞。同時，在SPWM發(fā)生器系統(tǒng)出現死機而看門狗電路尚未復位時，對功率輸出器件進行保護。圖4電路如圖4所示，圖中僅給出二相的SPWM輸出驅動電路.電路中，IC2A是74HC27集成電路，當腳1、2、13同時為低時,輸出為高，當PWM0輸入為低，ORH也為低，且RL為

14、高時，經R11、C13延時，IC4D倒相后，RH才能夠輸出有效的低電平信號.同樣，在SPWM發(fā)生器控制下ORH變?yōu)楦唠娖?RH為電平，輸出無效，經R10、C14延時和IC4B倒相，RL成為低電平，有效輸出。如此實現二路切換時的延時.調整R11和C13、R10和C14的值,可以改變延時時間。33 功率輸出電路功率輸出部分集成了六只IGBT,最大輸出電流48A25，最高耐壓1200V,可有效推動4KW以下電機。四、軟件設計。軟件以KEIL C51 V6.02編寫,采用模塊化結構、主程序如圖6所示.41模擬SPWM設計。5不對稱規(guī)則采樣SPWM算法是在三角形載波的頂點和底點對調制波進行采樣以形成階梯

15、，并用此階階梯波與三角波的交點來確定PWM。由于在一個三角形載波周期中需采樣兩次,因此采樣周期是載波周期的一半.設調制比為M，采樣周期為Ts，則在三角形頂點采樣計算的脈沖數據ton、toff以及在三角形底點采樣計算的脈沖數據t'on、t'off分別為：     ton=Ts（1+Msint1)/2     toff=Ts（1-Msint2）/2     t'on=Ts(1+Msint2）/2     t'

16、off=Ts（1Msint2）/2     脈沖寬度為：     tpu=Ts1+M（sint1+sint2)/2     式中t1、t2分別為頂點采樣和底點采樣所對應的時刻。     不規(guī)則采樣SPWM算法在載波比（即三角波與調制波頻率之比）等于3的整數倍時，輸出SPWM不存在偶次諧波分量,其它高次諧波的幅值也較小.4。2 軟件抗干擾設計。5系統(tǒng)工作在電磁干擾嚴重的環(huán)境下，提高系統(tǒng)的抗干擾能力,確保運行安全可靠,是系統(tǒng)的重要創(chuàng)新之一,

17、在該項目的抗干擾設計上,首先對程序運行狀態(tài)和關鍵數據進行了實時備份,啟用了看門狗功能,當程序發(fā)生異常而使看門狗電路復位時，系統(tǒng)調用備份數據而不用重新全面初始化。其次，在程序的空閑空間和關鍵入口處設置了陷阱程序,當程序運行受到干擾時，確保程序指針及時、快速返回指定位置。另外，在主程序運行過程中設置了多處標志位，監(jiān)控程序隨時根據標志位的變化，分析主程序運行是否正常,發(fā)現運行異常時及時修正。YN程序初始化接收控制指令電壓超高或電壓過低電流限制PWM占空比減少進入保護程序進入保護程序PWM占空比增加工作電壓正常？輸出電流 > 設定值PWM占空比增加，輸出電流也增加，反之減少?PWM占空比增加，輸出電流減少，反之增加?YYYNNN五、創(chuàng)新點及社會效益分析。主要創(chuàng)新點。1 以節(jié)能為核心的軟件設計與算法。系統(tǒng)通過電壓互感器、電流互感器對電機工作狀況進行實時測量，經分析運算，感知電機負載變化，根據不同負載曲線,調整SPWM輸出，使電機穩(wěn)定工作在最佳工作狀態(tài)。同時通過智能分析與運算，自動適應不同型號與功率的電機。 2 使用新型微控制器和獨立設計的硬件驅動電路.使用新型高速單片機產生三路PWM，經硬件驅動電路形成對稱的六路三相SPWM輸出,一是節(jié)省硬件資源，降低成本；二是上、下橋功率器件輸出延時具有軟件調整的靈活性和硬件的可靠性。3 低成本、易普及的設計理念。變頻器大多都