产品描述
6ES7216-2BD23-0XB8产品齐全
随着电力电子技术的提高,以微处理器为的数字化变频调速系统,以其调速范围宽、效、动态性能好等特点,越来越广泛地应用在交流调速领域[1]。数字信号处理器(DSP)作为高速的微处理器,运算功能强大,速度快,在数字控制领域应用广泛。其中,美国TI公司的16位DSP –TMS320LF2407,是专门为电机控制设计的,它内部自带了PWM输出单元,易于编程实现三相空间互差120o的SPWM波形,特别适合三相电机的控制[2]。它处理速度很快,并且片内集成了丰富的外设,大地减少了系统设计的元器件数量,提高了系统的控制精度。
1、 系统总体设计
基于DSP的数字控制变频调速系统的原理框图如图1所示。
主回路由三相整流电路、大电容滤波电路和PWM逆变电路构成,PWM逆变电路使用了全控开关器件IGBT,即绝缘栅型双晶体管。它集合了MOSFET和GTR的优点,输入阻抗高、速度快、热稳定性好,而且耐压高、容量大,驱动电路简单,很适合在电机拖动场合的逆变器电路上应用。
控制电路由DSP芯片、驱动电路和键盘显示等外围电路构成。DSP芯片处理由键盘输入的控制信号,一方面输出到显示部分显示电机的运行信息,另一方面输出SPWM信号到驱动电路,从而控制逆变电路中的6个IGBT的通断,达到控制电机转速的目的。此外,DSP芯片还控制限流电阻R的切除。为避免大滤波电容在合上电源开关通电瞬间产生过大的充电电流,设计中在整流器和滤波电容间的直流回路上串联了限流电阻R,刚通电时,R接入电路,经过一定时间,DSP芯片控制开关S将R短路,以免变频器正常工作时产生附加损耗。
检测电路由电流检测和电压检测组成。电流和电压均采用霍尔元件检测,以满足精度的要求。电流检测有两部分,一个是对定子电流检测,另一个是对主电路电流检测,当检测到主电路电流过流时,就会立即给DSP发送信号,封锁SPWM波形的输出。对这两类信号检测,送入DSP芯片进行处理,可以实现电机的过流和过压保护,提高电机运行性能。
2、 硬件设计
设计中硬件主要是以DSP为,除了利用了TMS320LF2407本身的一些功能模块外,还在此基础上进行了扩展,终实现SPWM信号的产生、模拟量的采集、数据的输入输出等功能,构成了完整的调速系统。
TMS320LF2407的指令执行速度为30MIPS(指令周期只有33ns),它不仅片内有丰富的存储器资源,而且还有可扩展的多达192K字空间的外部存储器。它有两个事件管理器模块(EVA和EVB),可以用来控制交流感应电机、无刷直流电机、开关磁阻电机、步进电机、多级电机和逆变器。 它的片内集成了丰富的外设,大地减少了系统设计的元器件数量。从系统的结构图中可以看到,设计中主要使用了它的A/D转换模块、EVB模块、IO口和JTAG接口。
2407的带内置采样/保持的10位A/D转换器,其小转换时间为500ns,可以选择由两个事件管理器来触发两个8通道输入A/D转换器或一个16通道输入的A/D转换器。设计中由于只对电压、电流进行了采样,所以只用到了2个采样通道,分别为ADCIN0和ADCIN1。
两个事件管理器模块EVA、EVB,每个都包括两个l 6位通用定时器和8个16位的脉宽调制(PWM)通道。利用它们可以产生PWM的对称和非对称波形;在当外部引脚/PDPINTx出现低电平时能快速关闭PWM通道;并可使用可编程的PWM死区控制来防止上、下桥臂同时输出触发脉冲。 设计中用到了EVB模块的PWM7~PWM12管脚,输出6路对称的SPWM信号,通过驱动电路控制IGBT的通断。使用引脚/PDPINTB来检测外部故障信号,以便在故障发生时能快速关闭PWM通道。
2407的数字输入输出模块有高达40个可单编程或复用的通用输入输出引脚。这些引脚的功能可通过两种控制寄存器来设置:I/O口复用控制寄存器(MCRx)和数据和方向控制寄存器(PxDAR)。设计中用到了IOPB0~IOPB5作为键盘的输入,控制电机频率的增、减和电机的正反转。每按频率增加键一次,频率增加1;按频率减小键,频率减小1,增减的幅度是由内部编程设定的。另外还使用了IOPC1~IOPC3管脚与LCD液晶显示模块12232F进行,用来显示转速信息及瞬时频率。12232F内置了汉字库和ASCII字符集,可完成图形显示,也可显示16*16点阵的汉字。与外部CPU接口可采用并行或串行方式控制,本系统中为减少数据口的使用,同时与DSP好地接口,采用了串行控制的方式。
JTAG接口可以克服TMS320LF2407结构复杂、工作速度快、外部引脚多、封装面积小、引脚排列密集等因素造成的不便,能够其方便地提供硬件系统的在线和测试。
简而言之,硬件部分采用了测试集成的设计思想,以DSP为基础,设计输入输出电路实现参数的设置和显示,配置相应的传感器模块对电机的电压、电流参数进行测量,实现了对电机运动状态的控制和观测。
3、 软件设计
DSP程序的编写可以用汇编语言,也可以使用C语言。一般来说,采用C语言设计的开发,效率较高,并且移植性好,利于实现模块化、组态化的设计目标,所以设计中的程序也是用C语言编写的[3]。主程序流程图如图2所示:
软件设计的一个关键部分是控制电路中6路SPWM信号的产生。要使用TMS320LF2407自身的PWM输出口,编程实现三相空间互差120o的SPWM波形的输出,可利用事件管理器模块B中的通用定时器3及与之相关的比较单元来完成。每个通用定时器都有3个与之相关的比较器,每个比较单元都可设置为PWM模式,且它对应会有两个性相反的PWM输出。所以,用3个比较单元可以实现6路的PWM信号,满足系统设计的需求。
程序设计方面,采用了在线计算占空比、用三角波作为载波的规则采样法,得到一系列幅值相等但宽度不等的矩形波。
利用上述公式计算出占空比,然后与周期寄存器T3PR中的值相乘,再送往对应的比较寄存器CMPR4~CMPR6,就会在对应的管脚输出对称的SPW波。
调制方法分同步调制法和异步调制法[4]。但异步法的输出波形对称性差,脉冲相位和个数不固定;同步法在调制波的频率很低时,由调制带来的谐波不易滤除,当调制波频率很高时,开关元件又难以承受。所以,设计中采用了分段同步调制的方法来解决这一问题。具体实现为:把调制波频率分为几个频段,在各个频段内保持载波比N恒定,不同频段的载波比N不同。选取原则为:输出频的频段用低载波比,输出频率低的频段用高载波比。同时,为了得到严格对称的双性SPWM波形,载波比应选3的整数倍且为奇数。设计中将频段分为3段,小于15Hz为一段,载波比选153;15Hz~35Hz为一段,载波比选93;35Hz以上为一段,载波比选21。分段同步的方法虽然比较复杂,但控制的精度比较高,输出波形的效果也比较好。
对于AD采样部分,只需设置定时器进行定时采样,然后将得到的值与设定的大值进行比较,检测是否过流及过压;对于与液晶显示模块间的,因是串行,只需查表将对应的字符码按照12232F的传输协议进行即可。此部分程序相对较易实现。
随着功率电子技术的飞速发展,直流电机的功率驱动集成电路也越来越多,它们具有效、输出电流大、需要外接的元件少等特点。本文介绍SA60 以及LMD18245 这两种芯片的引脚功能、特点及其各自的应用。
SA60 和LMD18245 分别是美国Apex 公司和NS 公司推出的面向中小型直流电机的全桥功率输出电路。它们既具有在外接少量元件的情况下实现电机的功率驱动、控制以及提供保护等功能的共性,又具有各自特色。下面就其引脚、功能特点及其典型应用作一个介绍。
两芯片的主要性能参数及其特点
SA60 的性能参数及应用范围
SA60 的是一个PWM 型功率输出芯片, 电路提供给电机的电源电压大可达到80V , 能连续向负载提供10A 的电流。大模拟输入电压5V , PWM载波频率可以到250kHz , 而效率可以高达97 %, 该芯片还可以外接一个可兼容的TTL 型的PWM 的信号来同步四象限模式的幅值和方向。SA60 主要应用在驱动中小型直流电机,D 类功率放大,轴承激励等场合。
LMD18245 的性能参数及应用范围
LMD18245 芯片可为电机提供大55V 的电源电压,逻辑电路电压12V ,大持续电流输出3A ,峰值电流可达6A ,小输入脉冲宽度2μS ,电流传感器大线性误差±9 %。与SA60 一样, 该功率输出级具有很高的效率。由于在芯片中集成了四位D/ A转换器和电机电流传感器、固定切断时间的斩波放大器等电路, 所以LMD18254 很容易完成对电机电流的数字控制,实现步进电机的微步驱动。因此,该芯片主要用于小型直流电机特别是步进电机的控制和驱动上。
引脚及其功能
外形
SA60 和LMD18245 的外形封装如图1。
SA60 各引脚功能
SA60 的内部结构框如图2 所示。电路共有12个引脚,其中10、7 两脚分别是H 桥和PWM 及桥的驱动级电源端; 9、11 为功率信号输出端, 其输出波形与输入信号的关系是:9 脚输出PWM 信号的占空比随输入信号电压的增加而增大,11 脚却反之; 1、6脚为接地端, 前者是模拟接地端, 后者是功率接地端;8、12 端可以直接接功率地, 也可以通过一个电阻接地,作为限流感用,该端的电压大值为±2V ;2、4 两端分别是模拟和数字控制信号的输入端。
LMD18245 各引脚功能
LMD18245 的内部结构框图如图3 所示。9 脚是电源端; 1、15 脚功率桥的输出端; 12、5 脚分别是信号地和功率电路接地端; 4、6、7、8 是D/ A 转换器的二进制数据输入端, 其中4 脚为二进制数的位;10 脚是紧急停止控制端,高电平有效; 11 脚为方向逻辑输入端;3 脚上联接一个并联的RC 网络,可将单稳脉冲宽度设置为: 1. 1 RC 秒。此外, 该芯片还提供了电流传感器放大输出端(13 脚) ,比较信号输出端(2 脚) ,和数模转换参考电压输入端(14 脚) 。
芯片的应用实例
虽然这两个芯片都是开关式全桥功率驱动电路,由于内部结构的不同,工作方式也不尽相同,所以在作为电机控制电路时,电路的工作方式也各有特点。图4 是SA60 驱动直流电动机时的典型接线图,在该图中芯片被联接成模拟输入方式, 在数字输入端(2 脚) 与模拟地之间联接一个电容器CT ,改变它的大小,可以调整PWM 载波的频率在22~250kHz之间变化的。
虽说LDM18245 的持续电流输出的指标还不足SA60 的三分之一,但在控制方式上有它灵活方便的一面,采用不同的联接方式可以实现电机的不同的控制方式,获得不同的控制性能,图5 是用双性输出方式驱动直流电机的实例。其中固定斩波时间为1. 1 RC;电流传感电阻RW 参考公式:
计算,其中UREF是D/ A 转换电路的参考电压,D为D/ A 转换电路的输入电压值, IS 为电机电流的大设定值。与SA60 不同,在LMD18245 芯片中没有PWM 电路,想通过PWM 的占空比来控制电机的转速和转向,需要外接控制器,联接方法如图中所示。
应用时的注意事项
在实际使用这两种芯片时注意如下几个事项。一是在电源端和功率地端接旁路电容,否则由于电机电流跳变或换向引起的尖峰电压和浪涌电流会使芯片损坏。具体的做法是在芯片的电源端并联一个1μF 的高频陶瓷电容和一个100μF 的铝电解电容,并注意联接线要尽量的短。二是在布线时注意将模拟地和功率地严格分开,注意控制信号输入线和功率信号输出线保持距离,以免反馈、干扰。
小结
这两款功率输出芯片都具有输出电流大、工作效、电路设计简便、体积小巧、性能稳定等特点。所以它们的应用范围远不止上述所谈到的几种, 就SA60 以及它的同系列产品SA50 、51 芯片来说,作为D 类音频功率输出电路已有应用,这类功率输出装置功率之高是传统模拟音频功率输出级所望尘莫及。
随着我国国民经济的不断发展,人民生活水平的不断提高,空调已进入宾馆、饭店、工矿企业、办公楼等各领域。常规空调系统是按照大冷热负荷进行选型设计。而全年热及冷的天气只有几天,因而空调大多数时间是在机组额定负荷即部分负荷状态下运行,造成了电能大的浪费,随着科技的发展,变频器已广泛应用于各行各业,其价格,技术成熟,特别是对风机、水泵的节能改造目前已在工业领域中广泛推广,其平均节电在30%以上。关键词:变频器 空调 节能
一、空调节能方法
由于空调主要设备是风机水泵,所以节能方法就是采用变频器。目前大多数中间空调还采用以往旧的控制方式,即:通过改变压缩机机组、水泵、风机启停台数,以达到调节温度的目的。
该调节方式缺点集中表现为如下几点:
● 设备长时间全开或全闭,轮流运行,浪费电能惊人。
● 电机直接工频启动,冲击电流大,严重影响设备使用寿命。
● 温控效果不佳。当环境或冷热负荷发生变化时,只能通过增减冷热水泵的数量或使用挡风板来调节室内温度,温度波动大,舒适感差。
空调采用变频器后有如下优点:
● 变频器可软启动电机,大大减小冲击电流,降低电机轴承磨损,延长轴承寿命。
● 调节水泵风机流量、压力可直接通过改变频器的运行频率来完
成,可减少或取消挡板、阀门。
● 系统耗大下降,噪声减小。
● 若采用温度闭环控制方式,系统可通过检测环境温度,自动调节风量,随天气、热负荷的变化自动调节,温度变化小,调节。
● 系统可通过现场总线与控制室联网,实现集中远程监控。
二、供水系统变频节能改造
无论是化锂机组或电制冷(氟利昂)机组的空调系统,主机自身的能量消耗组控制,机外的电力消耗组不能控制,而这部分的成本是相当高的,却通常被人忽视了。尤其是化锂机组,在额定状态制冷运用行时,机外水泵、冷却塔的电机耗电量约占总体能源消耗成本的30%(以每公斤油2元、每度电计算)。无论从环境保护角度还是用户切身利益角度,都应将空调系统设计成节能的系统。采用变频器来控制机外水泵电机、冷却塔电机是简单、有效的节能措施。一般情况节电20%~50%,每年可节省机组及系统总运行费用的12%~20%,十分惊人。
1、 冷却水泵变频控制
空调的冷却水泵的功率是根据空调冷冻机组的压缩机满负荷工作设计的,当环境温度及各种外界因素,冷冻机组不需要开启全部压缩机组,此时空调的冷凝系统所需要的冷却量也相应地减小,这时就可以通过变频调速器来调节冷却水泵的转速,降低冷却水的循环速度及流量,使冷却水的冷负荷被冷凝系统充分利用,从而达到节能目的。从我公司对空调的变频节能改造得出以下的数据,其冷却水泵、冷温水泵在低流量运行时,可以大幅度节省电力,尤其针对直燃机冷却水流量曲线的特点,采用变频控制,意义大,从远大BZ型直燃机空调系统采用海利普变频器控制
水泵测试数据为例:
当制冷量75%时,机组所需冷却水流量34%,水泵电耗约20%;
当制冷量50%时,机组所需冷却水流量22%,水泵电耗约15%。
2、 冷温水泵变频控制
空调的冷媒水泵的功率是根据空调满负荷工作设计的,当宾馆、酒店、大厦需要的冷量或热量没有达到空调的满负荷,这时就可以通过变频器调速器来调节冷媒水泵的转速,降低冷媒水的循环速度,使冷量和热量得到充分利用,从而达到节能目的。如果制冷、采暖共用一台水泵,则冬季水泵流量只需50%,自然可大大节省电力;即使是冬夏分泵运行,也可在低负荷季节适当降低流量,如流量时,电耗约75%。
3、 冷却塔风机变频控制
风机功率一般都较小,节电不如水泵明显。但风机采取变频控制能大地有助于冷却水恒温,这对于机组制冷恒温为关键;且能使机组溶液循环稳定,获得大限度的节省燃料。冷却塔风扇低转速运行还能大幅度减少漂水,节省水源、水质劣化、减少水雾对周围的影响。
4、 采用变频器的其他益处
由于变频器的启动、停止过程是渐强、渐弱式,能电机启动对电网的冲击。并可避免电机因过载而引起的故障。
由于电机经常处于低负荷运行,能大幅度延长电机及水泵、风机的寿命,同时因没有启动、停止的冲击,加量的减少,管路承压及所受冲击力减小,故对管道、阀门、末端设备也起到了保护作用。另一方面,设备噪音、震动均减小,保护了环境。
5、 空调机组外变频器的控制方式
● 根据冷却水出/入口的温度改变水泵转速,调整流量;
● 根据冷却水入口温度改变冷却塔风机转速,调整水温;
● 根据冷温水出/入口的温差改变水泵转速,调整流量;
● 根据冷却水出水的温度改变水泵转速,调整流量;
●根据冷媒水的回水温度改变水泵转速,调节税流量;
三、空调末端设备—变风量机组变频控制
变风量机组也是空调系统重要的组成部分,其性能指标(风量、冷量、噪音、用电量)的优劣,除了变风量机组本身的性能外,重要的还取决于控制的模式、控制器的性能、品质。
随着空调的不断普及,变风量机组调节控制器已经经历了三个发展阶段:
阶段:风阀调节。能起到调节风量的作用,但电能量消耗大、噪音大。
二阶段:可控硅调压调速。能起到调节风量、冷量、节能的作用,对变风量机组的噪音有一定的改良作用,其缺点是体积大、性稳定性低、故障。
三阶段:变频调节。能大限度的满足变风量机组对风量、冷量、噪音的调节要求,节能效果明显,体积小,性稳定性高。
目前,变频控制器以其特有的优势,正被空调业内人士所青睐。
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