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、進紗孔、進氣按鈕等組成。儲緯電機作為儲緯器的核心部件,其精準、智能的控制與驅動極為關鍵,可通過功率模塊控制,實現以“弱電”控制“強電”,達到驅動電機的目的。此外,功率模塊根據頻率變化可控制電機轉速。通常儲緯電機按驅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,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實現小型化,內置驅動電路、欠壓保護和短路保護電路,可直接與3.3 V或5 V單片機連接,廣泛應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 產品特性

DIP Ver.6是一種結構緊湊的智能功率模塊,采用壓注模封裝技術,其內部集成功率硅片、柵極驅動和保護電路,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,進一步提高效率;②提高短路保護動作閾值精度,增加可用電流區(qū)間;③ 拓寬產品線至35 A;④ 與原有第5代產品封裝完全兼容,可直接替換。

1.2 產品功能

圖1為DIP Ver.6內部截面示意。它由P側IGBT單元,N側IGBT單元、故障信號輸出、IGBT驅動電源及控制信號輸入接口等組成。P側IGBT單元包括驅動電路、高壓電平轉移電路、控制電源欠壓(UV)保護電路(無故障信號輸出)、內置自舉二極管(BSD)及其限流電阻等;N側IGBT單元包括驅動電路、短路(SC)保護電路(采用外接旁路電阻方式)、控制電源欠壓(UV)保護電路(有故障信號輸出)、通過檢測LVIC的溫度實現過溫(OT)保護(PSS??S92E6系列產品)、LVIC的溫度模擬量輸出(PSS??S92F6系列產品);故障信號輸出:對應N側IGBT的短路保護、N側欠壓保護以及過溫保護(PSS??S92E6系列產品);IGBT驅動電源采用直流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通。FDP儲緯電機驅動選用的是PSS15S92F6(15 A/600 V)[4]。

圖1 DIP Ver.6內部截面示意

2 軟硬件設計

2.1 硬件設計

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)模塊與驅動(DIPIPM)模塊構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制技術(簡稱PWM技術),實現交流變頻調速。FDP儲緯器用儲緯電機驅動一般由變頻驅動模塊完成,即儲緯控制模塊接收噴氣織機其它單元傳輸的控制信號,從而控制驅動模塊,進而由驅動模塊驅動FDP儲緯器運轉。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)結構框圖見圖2。

圖2 變頻控制系統(tǒng)結構框圖

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,在儲緯控制中經過處理產生6組PWM信號,作為功率模塊PSS15S92F6的控制信號;三相交流經過全橋整流濾波產生直流信號,再由三相逆變電路(變壓器、整流濾波)產生直流15 V作為功率模塊的驅動電壓;3.3 V MCU控制信號經由隔離電路轉換為15 V功率模塊控制信號;MCU產生的PWM信號控制功率模塊實現變頻控制,驅動儲緯電機運轉。PWM控制用于速度調節(jié),它以功率開關的占空比變化相當于外施加電壓的變化控制電機的轉速。PWM的占空比(高電平/周期)越大,說明變頻頻率越快,即儲緯電機的轉速越高。

2.2 軟件設計

DIPIPM控制是通過MCU的PWM口產生P側與N側的U,V,W的3個信號實現的。變頻控制軟件的設計流程: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備卷繞緯紗,即需要運轉之前在儲緯器上預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,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和布線寄生電感產生的浪涌電壓會轉移到控制地線上,引起控制地的電位波動,進而導致基于控制地的控制輸入信號發(fā)生波動,最終可能導致橋臂短路。

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IGBT開關動作時就會產生大的浪涌電壓,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,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側驅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致橋臂短路。

4 試驗情況

目前,國內織造企業(yè)依然以織造雙噴織物為主,即使用2路儲緯器織造[6-8]。應用DIP Ver.6功率模塊驅動儲緯電機,性能穩(wěn)定,電氣集成度高,其內部包含了門極驅動電路、過流保護電路(OC)、短路保護(SC)、欠壓保護(UV)等多種保護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。具體的試織數據,見表1。

表1 變頻控制試織數據

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

5 結語

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。實際試織數據表明,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,達到節(jié)能降耗的目的。隨著其優(yōu)越性進一步在噴氣織機市場得到驗證,必將應用的越來越廣泛。