DIPIPM變頻控制在噴氣織機儲緯電機的應(yīng)用

李 娜

(陜西長嶺紡織機電科技有限公司,陜西 寶雞 721013)

0 引言

目前,市面上的噴氣織機用儲緯器都是電子儲緯器,其主要由儲緯電機、擋紗銷、繞紗盤、儲緯鼓、進(jìn)紗孔、進(jìn)氣按鈕等組成。儲緯電機作為儲緯器的核心部件,其精準(zhǔn)、智能的控制與驅(qū)動極為關(guān)鍵,可通過功率模塊控制,實現(xiàn)以“弱電”控制“強電”,達(dá)到驅(qū)動電機的目的。此外,功率模塊根據(jù)頻率變化可控制電機轉(zhuǎn)速。通常儲緯電機按驅(qū)動方式分為直流電機和三相交流電機,而筆者公司研發(fā)制造的FDP(Free Drum Pooling自由鼓式,簡稱FDP)儲緯器采用三相交流電機。FDP儲緯器的電機驅(qū)動選用三菱第6代超小型DIPIPM(以下簡稱DIP Ver.6)功率模塊,帶動繞紗盤旋轉(zhuǎn),從而在儲緯器頭部卷繞一定長度的紗線[1-3]。

DIPIPM功率模塊即雙列直插式智能功率模塊,采用超低損耗的IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor絕緣柵雙極型晶體管)或CSTBTTM(載流子儲存型溝槽柵雙極晶體管)硅片通過低熱阻封裝技術(shù)實現(xiàn)小型化,內(nèi)置驅(qū)動電路、欠壓保護(hù)和短路保護(hù)電路,可直接與3.3 V或5 V單片機連接,廣泛應(yīng)用于小型伺服控制以及小功率工業(yè)通用變頻器等。

1 DIP Ver.6主要性能

1.1 產(chǎn)品特性

DIP Ver.6是一種結(jié)構(gòu)緊湊的智能功率模塊,采用壓注模封裝技術(shù),其內(nèi)部集成功率硅片、柵極驅(qū)動和保護(hù)電路,適用于交流100 V～240 V級小容量電機的變頻控制。PSS15S92F6(15 A/600 V)是其系列產(chǎn)品之一。

DIP Ver.6的主要特性如下:① 使用全新第7代CSTBT硅片,進(jìn)一步提高效率;②提高短路保護(hù)動作閾值精度,增加可用電流區(qū)間;③ 拓寬產(chǎn)品線至35 A;④ 與原有第5代產(chǎn)品封裝完全兼容,可直接替換。

1.2 產(chǎn)品功能

圖1為DIP Ver.6內(nèi)部截面示意。它由P側(cè)IGBT單元,N側(cè)IGBT單元、故障信號輸出、IGBT驅(qū)動電源及控制信號輸入接口等組成。P側(cè)IGBT單元包括驅(qū)動電路、高壓電平轉(zhuǎn)移電路、控制電源欠壓(UV)保護(hù)電路(無故障信號輸出)、內(nèi)置自舉二極管(BSD)及其限流電阻等;N側(cè)IGBT單元包括驅(qū)動電路、短路(SC)保護(hù)電路(采用外接旁路電阻方式)、控制電源欠壓(UV)保護(hù)電路(有故障信號輸出)、通過檢測LVIC的溫度實現(xiàn)過溫(OT)保護(hù)(PSS??S92E6系列產(chǎn)品)、LVIC的溫度模擬量輸出(PSS??S92F6系列產(chǎn)品);故障信號輸出:對應(yīng)N側(cè)IGBT的短路保護(hù)、N側(cè)欠壓保護(hù)以及過溫保護(hù)(PSS??S92E6系列產(chǎn)品);IGBT驅(qū)動電源采用直流15 V的單電源供電(采用自舉電路);控制信號輸入接口為施密特觸發(fā)電路,與3.3 V及5 V輸入電平兼容,控制邏輯為高電平導(dǎo)通。FDP儲緯電機驅(qū)動選用的是PSS15S92F6(15 A/600 V)[4]。

圖1 DIP Ver.6內(nèi)部截面示意

2 軟硬件設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

適配FDP儲緯器的噴氣織機系統(tǒng)中,整流濾波電路、三相逆變電路、儲緯控制(MCU)模塊與驅(qū)動(DIPIPM)模塊構(gòu)成了相對獨立的儲緯控制系統(tǒng),簡稱變頻控制。變頻控制采用脈寬調(diào)制技術(shù)(簡稱PWM技術(shù)),實現(xiàn)交流變頻調(diào)速。FDP儲緯器用儲緯電機驅(qū)動一般由變頻驅(qū)動模塊完成,即儲緯控制模塊接收噴氣織機其它單元傳輸?shù)目刂菩盘?從而控制驅(qū)動模塊,進(jìn)而由驅(qū)動模塊驅(qū)動FDP儲緯器運轉(zhuǎn)。智能功率模塊PSS15S92F6作為儲緯控制與儲緯電機之間的功率接口,可以控制2臺、4臺、6臺、8臺甚至更多臺儲緯器。以控制1臺FDP儲緯器為例,變頻控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖2。

圖2 變頻控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

變頻控制工作原理:儲緯控制模塊接收織機其它單元的控制信號,在儲緯控制中經(jīng)過處理產(chǎn)生6組PWM信號,作為功率模塊PSS15S92F6的控制信號;三相交流經(jīng)過全橋整流濾波產(chǎn)生直流信號,再由三相逆變電路(變壓器、整流濾波)產(chǎn)生直流15 V作為功率模塊的驅(qū)動電壓;3.3 V MCU控制信號經(jīng)由隔離電路轉(zhuǎn)換為15 V功率模塊控制信號;MCU產(chǎn)生的PWM信號控制功率模塊實現(xiàn)變頻控制,驅(qū)動儲緯電機運轉(zhuǎn)。PWM控制用于速度調(diào)節(jié),它以功率開關(guān)的占空比變化相當(dāng)于外施加電壓的變化控制電機的轉(zhuǎn)速。PWM的占空比(高電平/周期)越大,說明變頻頻率越快,即儲緯電機的轉(zhuǎn)速越高。

2.2 軟件設(shè)計

DIPIPM控制是通過MCU的PWM口產(chǎn)生P側(cè)與N側(cè)的U,V,W的3個信號實現(xiàn)的。變頻控制軟件的設(shè)計流程:MCU在完成系統(tǒng)初始化、輸入輸出初始化、用戶初始化等各項初始化后,先檢查是否存在故障。若存在故障,需先處理故障;無故障時,MCU的PWM口根據(jù)輸入的速度碼,以及加減速指令,輸出兩路三相PWM信號,以此完成手動儲緯器預(yù)備卷繞緯紗,即需要運轉(zhuǎn)之前在儲緯器上預(yù)備卷繞一定長度的紗線。再判斷輸出的PWM信號是否與速度匹配,匹配則輸出速度指令,否則調(diào)整輸出PWM信號。變頻控制軟件流程圖如圖3所示。

圖3 變頻控制軟件流程圖

3 PCB布線注意事項

智能功率模塊的PCB布線與使用功能、效果密切相關(guān),其注意事項如下。

a) 控制地和功率地走線不能重疊。否則,由功率地上流過的、不連續(xù)大電流的di/dt和布線寄生電感產(chǎn)生的浪涌電壓會轉(zhuǎn)移到控制地線上,引起控制地的電位波動,進(jìn)而導(dǎo)致基于控制地的控制輸入信號發(fā)生波動,最終可能導(dǎo)致橋臂短路。

b) 不能存在地(GND)的環(huán)路。否則,地的環(huán)路中會流過漂移電流,引起控制地電位和基于控制地輸入信號電平的波動,也可能導(dǎo)致橋臂短路。

c) N和N1之間布線電感不能過大。布線長則寄生電感大,當(dāng)IGBT開關(guān)動作時就會產(chǎn)生大的浪涌電壓,可能引起2項故障:①VS電位(輸出端電位)大幅降低,導(dǎo)致HVIC誤動作;②LVIC因浪涌電壓而損壞[5]。

d) 電容及穩(wěn)壓二極管的位置與模塊端子應(yīng)離得較近。如果無電容或穩(wěn)壓二極管,或它們的位置與模塊端子離得較遠(yuǎn),會使控制IC因浪涌電壓而損壞,或引起誤動作。

e) 輸入信號線與P側(cè)驅(qū)動電源線不能靠的太近,也不能平行走線。因為干擾噪聲很容易通過其布線間的寄生電容相互傳遞,DIPIPM就可能獲得錯誤輸入信號而導(dǎo)致橋臂短路。

4 試驗情況

目前,國內(nèi)織造企業(yè)依然以織造雙噴織物為主,即使用2路儲緯器織造[6-8]。應(yīng)用DIP Ver.6功率模塊驅(qū)動儲緯電機,性能穩(wěn)定,電氣集成度高,其內(nèi)部包含了門極驅(qū)動電路、過流保護(hù)電路(OC)、短路保護(hù)(SC)、欠壓保護(hù)(UV)等多種保護(hù)電路以及故障檢測等。將此變頻控制配套安裝在筆者公司制造的CA082系列噴氣織機上,在陜西、湖北、江蘇、山東等地區(qū)的多家織造企業(yè)使用,狀態(tài)穩(wěn)定。具體的試織數(shù)據(jù),見表1。

表1 變頻控制試織數(shù)據(jù)

表1試驗數(shù)據(jù)表明:FDP儲緯器變頻控制采用DIP Ver.6功率模塊驅(qū)動儲緯電機,其運行效率均在95%以上,較之前提升了5%。經(jīng)紡織廠6個月運行試驗,無發(fā)熱問題,運行平穩(wěn),在可重復(fù)性、可靠性及性能方面均有一定優(yōu)勢。

5 結(jié)語

采用DIP Ver.6功率模塊的儲緯器,性能穩(wěn)定,集成度高,成本低,適合在各種工業(yè)環(huán)境中運行。實際試織數(shù)據(jù)表明,該儲緯器滿足目前噴氣織機的使用要求,能提高儲緯電機能效,達(dá)到節(jié)能降耗的目的。隨著其優(yōu)越性進(jìn)一步在噴氣織機市場得到驗證,必將應(yīng)用的越來越廣泛。