基于ARM單片機(jī)的壓電式送料器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃發(fā)陽(yáng)，隆志力，張建國(guó)，米長(zhǎng)軍，袁 文

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院，廣東深圳518055;2.東莞華中科技大學(xué)制造工程研究院，廣東東莞523808)

0 引言

國(guó)內(nèi)對(duì)壓電式送料器的研究起步時(shí)間較短，其電源驅(qū)動(dòng)技術(shù)還不成熟［1，2］，電源穩(wěn)定性和效率低于國(guó)外技術(shù)水平，致使國(guó)內(nèi)行業(yè)大部分使用的驅(qū)動(dòng)器仍來(lái)源于國(guó)外，如日本SANKI公司的驅(qū)動(dòng)器，性能高但價(jià)格昂貴。國(guó)內(nèi)驅(qū)動(dòng)器長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)發(fā)熱比較嚴(yán)重以及保護(hù)功能較少，長(zhǎng)期工作時(shí)波形畸變甚至進(jìn)入停機(jī)狀態(tài)，降低電能利用率和生產(chǎn)效率。針對(duì)這些問(wèn)題，本文開(kāi)發(fā)了基于ARM單片機(jī)控制的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，并開(kāi)展實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)成本和發(fā)熱量降低，過(guò)流保護(hù)與過(guò)熱保護(hù)措施使其能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。

1 總體方案

由于系統(tǒng)需要D/A、A/D、互補(bǔ)SPWM波，本方案選擇了ARM系列中的STM32F103單片機(jī)，其集成了工作頻率為72MHz的高性能ARM Cortex-M3和32位RISC內(nèi)核，帶有3個(gè)12位ADC、4個(gè)16位通用定時(shí)器和2個(gè)PWM定時(shí)器，以及標(biāo)準(zhǔn)與高級(jí)通信接口。

本系統(tǒng)主要包括:信號(hào)生成部分、LC濾波部分、開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)與保護(hù)部分、過(guò)流保護(hù)、溫度采集、掉電存儲(chǔ)、人機(jī)交互模塊等部分。其中信號(hào)生成部分由單片機(jī)生成SPWM調(diào)節(jié)逆變電路的頻率和D/A調(diào)節(jié)其幅值組成;過(guò)流保護(hù)由電流采樣、濾波放大、A/D處理構(gòu)成;人機(jī)交互模塊由數(shù)碼顯示和功能按鍵組成。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框架

系統(tǒng)工作時(shí)，單片機(jī)產(chǎn)生頻率可調(diào)的SPWM波，同時(shí)D/A輸出幅值變化的模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)電路逆變和LC濾波后生成正弦波，然后經(jīng)過(guò)變壓器的升壓隔離驅(qū)動(dòng)負(fù)載，即壓電式送料器。通過(guò)按鍵調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電壓和頻率的大小，使其處于最佳運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，即系統(tǒng)諧振狀態(tài)。數(shù)碼管可顯示驅(qū)動(dòng)電壓和頻率的大小以及系統(tǒng)故障。

2 逆變電路設(shè)計(jì)

2.1 逆變電路的架構(gòu)

設(shè)計(jì)了一種H型全橋逆變電路［3］，如圖2所示，A、B、C、D是4個(gè)相同型號(hào)的 IGBT，標(biāo)為 A_G、B_G、C_G、D_G是其控制端，A與D同時(shí)通斷 (B與C同時(shí)通斷)。為了得到良好的正弦波，控制端信號(hào)選用 SPWM波［4］。D6、D7、D8、D9是雙向穩(wěn)壓二極管，使其柵極電壓穩(wěn)定在正負(fù)一定的電壓值，既可快速開(kāi)啟IGBT也可快速關(guān)斷IGBT。因?yàn)镮GBT的G-E電壓VGE正向越高，其開(kāi)通交換時(shí)的時(shí)間和損耗越小，VGE反向越高，其關(guān)斷時(shí)的時(shí)間和損耗越小。電感L1和L2起慣性環(huán)節(jié)的作用，使其輸出電流不能立即變化，并且其與電容C1、C2、C3、C4形成LC濾波，濾除除基波外的高次諧波而得到正弦波。輸出頻率變化是通過(guò)改變SPWM中的信號(hào)波頻率，輸出幅值變化是通過(guò)DAC間接地改變直流電壓ADJ_VCC的值實(shí)現(xiàn)。

2.2 逆變電路中SPWM波生成機(jī)理

系統(tǒng)中的SPWM波是根據(jù)等面積法生成的，其思路是將正弦半波分成N等份，把每一等份的正弦波曲線與橫軸所包圍的面積用與此面積相等的等高矩形脈沖代替［5，6］。在圖3中的正弦半波波形中取一小區(qū)間［t'，t'+Δt］=正弦波幅值為Usin，調(diào)制度為M，矩形脈沖幅值為Us，δ(i)為第i(i=1、2、…N)個(gè)脈沖寬度，則由第i份正弦波面積對(duì)應(yīng)的第i個(gè)SPWM脈沖面積相等得

圖2 逆變電路與直流電壓ADJ_VCC調(diào)節(jié)電路

圖3 等面積法原理

由式 (1)求得脈寬δ(i)

然后對(duì)其進(jìn)行迭代即可生成單極性的SPWM波。

2.3 逆變電路中的LC濾波

由于LC濾波電路參數(shù)設(shè)定較為復(fù)雜，選用MATLAB中Simulink模塊對(duì)其進(jìn)行仿真分析［7］。如圖4所示仿真模型中L1=L2=1mH，C1=C2=C3=C4=47nF，載波頻率45KHz，調(diào)制頻率100Hz，采樣時(shí)間 Ts=10-6s，調(diào)制度M=0.8，脈沖幅值Us=Ud=300V。如圖5所示，LC濾波前為SPWM波，經(jīng)過(guò)濾波之后可得到良好穩(wěn)定的正弦波。實(shí)際中電感與電容值稍有變化，如L1=L2=2mH，C1=C2=C3=C4=100nF。由仿真結(jié)果可得，其波形變化很小，基本保持穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 LC濾波電路仿真

圖5 LC濾波前后的顯示結(jié)果

3 保護(hù)模塊

3.1 開(kāi)關(guān)管保護(hù)

圖6 中標(biāo)有“CPU”為單片機(jī)的I/O口，IGBT中的集電極C與發(fā)射極E接主電路，該電路特點(diǎn)如下:

(1)正常情況下，當(dāng)CPU為高電平時(shí)，光耦輸出為低電平，V2、V3導(dǎo)通，V1關(guān)閉，則IGBT關(guān)閉;當(dāng)CPU為低電平時(shí)，光耦輸出為高電平，V2、V3關(guān)閉，V1導(dǎo)通，則IGBT導(dǎo)通。

(2)當(dāng)IGBT導(dǎo)通遇到短路過(guò)電流時(shí)，考慮IGBT斷開(kāi)時(shí)驅(qū)動(dòng)信號(hào)切斷過(guò)電流，IGBT集電極與發(fā)射極之間的電壓VCE急劇增大，可能大于最大允許值而使 IGBT燒壞原因［8-10］，電路中增加了 TVS管 D1、穩(wěn)壓管 D4、電容 C10。當(dāng)VCE增大，IGBT集電極的電位升高，D1反向?qū)ǎ率闺娙軨10的電位大于D4穩(wěn)壓值，促使V4、V2導(dǎo)通，且由于C10存有電荷，V3源極電位高于柵極電位，則V3導(dǎo)通，導(dǎo)致IGBT關(guān)閉。以此同時(shí)門極存儲(chǔ)的電荷通過(guò)R8緩慢放電，抑制了IGBT關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生過(guò)大的尖峰電壓。

(3)R7值越大，IGBT交換時(shí)間和交換損耗也越大，但交換時(shí)的浪涌電壓變小，且誤觸發(fā)率降低。鑒于該因素選擇R7為10歐姆的電阻，交換損耗不大且浪涌電壓足夠小，無(wú)誤觸發(fā)現(xiàn)象。

圖6 開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)與其過(guò)流保護(hù)電路

3.2 過(guò)流保護(hù)

利用采樣電阻R1、R2、R3對(duì)主電路的電流采樣，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)線性光耦EL817獲得含雜波的半波信號(hào)，再通過(guò)二階有源濾波電路濾除雜波，得到半波信號(hào)，最后將半波信號(hào)輸入單片機(jī)的ADC，對(duì)其電流有效值進(jìn)行監(jiān)控。根據(jù)負(fù)載電流分為3段保護(hù):其一，短路保護(hù)，用于驅(qū)動(dòng)器輸出短路保護(hù)，當(dāng)實(shí)際電流值遠(yuǎn)大于驅(qū)動(dòng)器的額定電流值 (約為額定值的6倍)時(shí)，驅(qū)動(dòng)器進(jìn)入停機(jī)保護(hù)狀態(tài);其二，短延時(shí)過(guò)流保護(hù)，用于保護(hù)電流值小于短路保護(hù)值，且是額定電流的2～6倍;其三，長(zhǎng)延時(shí)過(guò)流保護(hù)，用于保護(hù)電流值是額定電流值的1～2倍左右［11］。主電路過(guò)流保護(hù)電路如圖7所示。

圖7 主電路過(guò)流保護(hù)電路

3.3 溫度保護(hù)

標(biāo)有“Rt”為負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，“Temp”為單片機(jī)A/D引腳，則長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)，當(dāng)溫度大于65℃時(shí)進(jìn)入溫度保護(hù)，驅(qū)動(dòng)器停止工作，直到溫度小于45℃時(shí)退出保護(hù)，驅(qū)動(dòng)器重新啟動(dòng)。溫度測(cè)試電路如圖8所示。

圖8 溫度測(cè)試電路

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

選用型號(hào)3528壓電式送料器作為負(fù)載，設(shè)定驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電壓有效值220V、頻率285Hz的正弦波。如圖9所示，實(shí)際輸出平滑的正弦波，輸出電壓有效值216V，輸出頻率285.3Hz，表明電壓和頻率的實(shí)際值與理論值基本一致。該系統(tǒng)可長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)驅(qū)動(dòng)壓電式送料器后，其輸出波形基本不變，相比國(guó)內(nèi)其它同類驅(qū)動(dòng)器發(fā)熱量也明顯減小。

圖9 工作情況下驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸出波形

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)目前壓電式送料器驅(qū)動(dòng)器長(zhǎng)時(shí)間工作波形畸變和發(fā)熱嚴(yán)重的缺點(diǎn)，本系統(tǒng)采用ARM單片機(jī)控制架構(gòu)，結(jié)合逆變器設(shè)計(jì)思路，再外加上述3種保護(hù)措施，設(shè)計(jì)出幅值頻率均可調(diào)、輸出波形穩(wěn)定且發(fā)熱量少的壓電式送料器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)型號(hào)3528壓電式送料器及類似的自動(dòng)化裝置。該系統(tǒng)具有掉電存儲(chǔ)、鍵盤鎖定功能，便于生產(chǎn)中使用。但該系統(tǒng)后期還需與實(shí)際生產(chǎn)線結(jié)合調(diào)試，防止送料器送料過(guò)程中料盤出現(xiàn)料滿、缺料等非正常工作情況。

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