基于IGBT模块的工业缝纫机主电路控制系统的设计

21 江苏电器 (2007 No.3) 作者简介：夏威(1981- ),男,硕士研究生,主要研究方向为机电一体化和人工智能。 　　工业缝纫机是纺织行业中广泛使用的大宗设备 之一，其工作机理是通过控制电机的运动形成锁式 线迹，将两层或多层缝料缝合。在市场经济的大范 围环境下，如何有效的降低成本，扩大利润空间是 该行业不断研究的热点问题。由于IGBT模块廉价高 效，故本 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 基于IGBT模块，设计了以80C196MC 单片机为核心的控制系统来控制缝纫机电机的运动， 完成工作要求。 　　Easy IGBT模块系列是专为低成本工业驱动控 制和家电应用领域而设计的，双层铜片DCB陶瓷底 层、无附加铜基板的设计可确保Easy模块与散热器 间2.5kV的绝缘。与单管IGBT相比，Easy模块具 有安装更简单、热性能明显改善、PCB封装更小、杂 散电感更低以及作为一个100%预检测子系统而可 靠性进一步增强等优点。 驱动电路、保护电路组成。并设计了以80C196MC单片机为核心的控制系统，来控制工业缝纫机电机的运动 和实现包括LCD显示、EEROM数据存储等功能，达到了设计要求。实验结果验证了该 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 的可行性。 基于IGBT模块的工业缝纫机主电路控制系统的设计 介绍了基于IGBT模块的工业缝纫机的主电路设计过程及其工作原理。主电路由辅助电源电路、 IGBT模块；工业缝纫机；主电路设计；80C196MC单片机 夏威，芮延年，朱如春，马燕平 (苏州大学 机电工程学院，江苏 苏州 215021) Abstract: Introduces the working principles and design processes of the hardware circuit of industrial sewing machine, which based on the IGBT module. The hardware circuit comprises the assisting power circuit, the driving circuit and the protective circuit. In addition, the control system with the chip of 80C196MC as its core was designed to control the movement of motors in industrial sewing machine and to carry out functions like LCD displaying, EEROM data storing, etc, which, meets the design needs. The result of the experiment also proved the feasibility of this scheme. Key words: IGBT module; industrial sewing machine; hardware circuit design; 80C196MC singlechip XIA Wei, RUI Yan-nian, ZHU Ru-chun, MA Yan-ping （College of Mechanical and Electronic Engineering, Soochow University, Suzhou 215021, China） Design of Hardware Circuit of Industrial Sewing Maching on the Basis of IGBT Module 中图分类号：TM763 文献标识码：A 文章编号：1007-3175(2007)03-0021-03 摘 要： 关键词： 1 工业缝纫机的主电路设计及其工作原理 1.1 辅助电源电路的设计 　　考虑到过高的关断电压有可能使MOSFET管被损 坏，为此设计了如图1所示的辅助电源电路以保护 MOSFET管[1]。 　　当MOSFET关断时，辅助电源电路为感生电流il 提供了一条通道：由LM、DS和RS构成了一条续流回 图1 辅助电源电路及其外围接法 基于IGBT模块的工业缝纫机主电路控制系统的设计 22 江苏电器 (2007 No.3) 路。漏电感Ll储存的磁能转化为电能储存到电容CS 中，然后再消耗在电阻RS上。漏电感储存的能量为： 　　同时，根据变压器的相关知识可以计算得出： 　　这样VT(t)钳制在一个固定的电位上，只要选 择合适的参数就可以尽量减小VT(t)的大小了。 　　在实际应用中CS电容值应该尽可能的大，因为 电容越大其两端的电压就越稳定。所以使用了大电 容后可以推出： 1.2 驱动电路的设计及其工作原理 驱动电路主要采用基于TLP251(光耦)芯片，该 芯片主要由一个发光二极管和一个综合光电检测器 Photodetector组成，适合于IGBT或MOSFET的门极 驱动，尤其是低功率IGBT或MOSFET的门极驱动。设 计的基于TLP251(光耦)芯片的驱动电路见图2[2]。 　　 　　工作原理如下： IGBT的栅极驱动电压由电阻R1两端的电压差 产生，这里需要指出的是，上臂的三组驱动电路形 式完全一致，下臂中三个及刹车部分的IGBT的栅极 由同一信号产生，为了防止上下桥臂短路，需要精 心设计死区时间。另外，由于隔离需要，本文采用 了TLP251芯片；CPU在TLP251的第2脚及第3脚分 别输出不同的电平信号，其中第2脚为恒定的+5V。 当CPU给第3脚一个低电平信号时，发光二极管发 光，第6脚与第8脚之间的晶体管导通。TLP251上 端晶体管、R1、R2、R22的回路，此时在变压器二极 侧产生的+23.5V电压开始起作用，使R1、R2两端 产生电压差，即为IGBT的驱动电压；当TLP251的 发光二极管不工作时，下端的晶体管导通，这样在 电阻R1上产生负电压，IGBT被关断。 1.3 保护电路的设计及其工作原理 1.3.1 继电器的工作原理 　　继电器的工作原理如图3所示，R1的作用是限 制充电时电容的峰值电流。但是R1的功率极小，若 UPN上升到一定值时，线路中的电流可能超过R1所 能承受的最大电流。因此当UPN上升到一定值(一般 450V左右)，CPU将发出指令使RA闭合，将R1短路。 　　当RA6为低电平时，光耦右边的发光二极管导 通，这就使3和4导通，继电器的6脚被强行置为 低电平。由继电器内部结构知道5脚跟6脚之间接 的是一个电感，且U5,6=+24V。恒定电流产生了磁场 使继电器闭合；当RA6为高电平时，光耦不工作，光 耦的4脚悬空为高电平，继电器5脚与6脚之间电 感上的电流通过二极管续流。 1.3.2 风扇的工作原理 　　如图4所示，风扇保护电路是配合控制电路一 起工作的，其中报警的LED在控制板上。正常情况 下，FINT端为高电平，这样光耦就不导通，FAN端 就悬空(为高电平)；当风扇不正常工作时，FINT端 为低电平，FAN端也相应地为低电平，报警黄灯亮。 1.3.3 温度检测部分工作原理 　　工业缝纫机用变频器主电路的温度检测通常包 括电机转子电阻的温度检测和变频器本身的异常温 度检测[3]。由于热敏电阻可以对温度的连续变化进 行检测，所以可以用于检测电机转子电阻的温度变 化，以便根据检测结果进行必要的补偿；而双金属 片式的热传感器则被用来检测变频器散热片的温升， 图2 驱动电路图 图3 继电器的工作原理图 图4 风扇工作原理图 (2)VT(t)=Vg+Vs (3)CS＞＞ VT(t)≈VS TS RS (1)wl= LLil2= LlI212 1 2 基于IGBT模块的工业缝纫机主电路控制系统的设计 23 江苏电器 (2007 No.3) 以便在变频器因过载而发生异常温升时对主电路半 导体换流器件进行保护。其具体电路如图5所示。 当温度升高时，热敏电阻R的阻值下降，此时， R1两端的电压升高，得到一个高电平信号NTC的A/D 值给CPU，CPU再通过程序对IGBT的控制作相应的 调整以实现温度保护功能。 2 数字控制电路的设计 　　选择8xC196MC系列单片机作为本系统核心[4]。 根据80C196MC的特点和缝纫机要求达到的功能，设 计出如图6所示的控制系统原理图。主要包括： (1)脚踏信号的采集：脚踏包括三个信号，一个 为向前踩的开通信号，第二个为向后踩的后踏剪线 信号，图中一起 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示为“脚踏信号”，第三个信号为 由向前踩的深度决定电机转速的调速信号。(2)电机 位置信号的采集：本设计的无刷直流电机采用光电 信号来检测电机的位置。(3)PWM信号的输出：通过 80C196MC的WFG(WAVEFORM GENERATOR，波形发 生器)功能产生六路PWM输出，然后经过隔离电路驱 动IPM。(4)动作继电器的控制：根据高速平缝机要 求达到的功能，用了4个继电器驱动电路，分别用 来驱动剪线、拨线、倒缝、抬押脚4个继电器。利 图5 温度检测电路 用3-8译码器来控制4路驱动输出。(5)其它功能： 包括LCD显示，EEROM数据存储等。 　　在系统原理图的设计过程中，考虑到芯片I/O 口的合理利用，本文对口的分配进行了认真的分析。 有些输入信号就用芯片的输入口，输出信号就用输 出口，而一些时序上比较重要的信号则采用捕获口， 具体分配如图6所示。 3 结语 　　根据实际需要，结合功能实现和成本考虑，采 用Intel 80C196MC微控制器作为工业缝纫机控制系 统的核心控制部件。总体来说，方案切合实际需要， 实际调试结果也证实了这点。 　　 参考文献 [1] 韩安容.通用变频器及其应用[M].北京：机械工 业出版社,2001. [2] 胡德祥.美国无刷直流电动机市场和技术发展动向 [J].微电机,1991,24(4):26-29. [3] 何罡,黄业清,赵晶,等.无齿轮电梯专用永磁同 步电机调速系统的实现[J].电力电子技术,2003(4). [4] 李志民,李钟,张艳花,等.同步电动机调速系统 [M].北京：机械工业出版社，2001. 收稿日期：2007-02-05 图6 控制系统原理图 中国电力投资集团正式下文采信产品认证 为积极推动《中华人民共和国认证认可条例》的实施，有效防止假冒伪劣产品进入电力工程建设和生产领域， 2007年4月16日，中国电力投资集团向各相关单位正式下发《关于在集团公司电站辅助设备招标中采信产品认证 结果的通知》。通知中明确提出“在电站辅助设备采购招标中采信产品认证结果，对通过产品认证的设备在评标时 适当加分、同等优先”。通过部分省网电力公司和发电集团的采信，产品认证将最终成为电力系统内供应商投标的 必要条件。作为国内专业从事机电产品认证的机构，电能(北京)产品认证中心由国家认证认可监督管理委员会批准 成立，对机电产品进行认证。 电能(北京)产品认证中心 办公室 供稿 2007-05-10 基于IGBT模块的工业缝纫机主电路控制系统的设计