Abstract: For decreasing a mass of wastage of traditional rotating motor which is used to be linear driving equipment by shift rotary movement to linear movement via middle switch component, linear motor emerged as the times require. A new power of linear motor with bidirectional pulse variable-frequency control was introduced in this paper. Bidirectional pulse driving circuit controlled by SCM driving IGBT bridge circuit which chip model No. FGA25N120 as core component to design the power supply, to achieve frequency control by controlling impulse width and cycle with build-in keyboard, in the meantime over-voltage protection and over-current protection are taken into account.

Keywords: Bidirectional Pulse Variable-Frequency Control; IGBT Bridge Circuit; Keyboard Control

摘要:为了解决传统直线驱动装置采用旋转电机通过中间转换装置转换为直线运动,而带来的损耗大等诸多问题,直线电动机应运而生。本文主要研究了一种新型脉冲变频控制型直线电动机电源。脉冲驱动电路通过单片机控制电路以IGBT桥式电路为核心,采用绝缘栅双极型晶体管,并可以通过键盘控制脉冲的脉宽和周期,以达到变频的目的,根据选用的IGBT,驱动电路设计时又考虑了过压、过流保护电路。

关键字: 脉冲变频控制; IGBT桥式电路; 键盘控制

1 引言

直线电动机是一种将电能直接转换为直线运动的新型电机,与以往的直线驱动装置不同的是它不需要中间转换机构,可以直接驱动负载,转动零部件无磨损,机械损耗小、结构紧凑、反应速度快,系统中间环节定位误差小,可实现高精度定位,采用电磁推力驱动,整个系统的噪声小或无噪声。直线电动机主要由电机和工作电源两部分组成,论文主要研究了一种新型直线电动机的工作电源设计--脉冲变频控制型电源,采用脉冲变频控制技术,通过改变电源极性实现电源往复运动过程。

2 硬件电路设计

2.1 脉冲驱动电路结构

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图1 IGBT桥式电路结构图

脉冲变频电路采用IGBT组成的桥式电路,结构如图1所示,输入V+ , V-是经功率因数校正后的输出电源。单片机控制信号经放大后从V1,V2端接入驱动IGBT器件。图示a、b端输出接电机。当驱动输入端接受到正向脉冲发生信号V1时,IGBT1、直线电动机、IGBT3构成正向导通回路;当驱动输入端接受到负向脉冲发生信号V2时,IGBT2、直线电动机、IGBT4构成反向导通回路。

2.2桥式IGBT输出电路

根据实际情况,设计桥式IGBT电路如图2所示,电路含有过压、过流保护功能。电路主要采用FGA25N 120作为变频输出,桥式电路工作过程如下:

(1) 先假定驱动信号g1, e1和g3, e3输出12V左右的高电压,g2, e2和g4, e4输出-6V左右的低电压,则IGBT 1和IGBT3导通,IGBT2和IGBT4截至,IGBT1-直线电动机-IGBT3-IGBT1形成回路,v1输出为电源电压380V, v2为地。

(2) 撤销g1, e1和g3, e3驱动信号;

(3) 死区延时;

(4) 驱动信号g1, e1和g3, e3输出-6V左右的低电压,g2, e2和g4, e4输出12v左右的高电压时,则IGBT2和IGBT4导通,IGBT1和IGBT3截至, IGBT2-直线电动机-IGBT4-IGBT2形成回路,v1为地,v2输出为电源电压380V。

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图2桥式IGBT输出电路及保护电路

电路除了能保证IGBT输出,还设计有保护功能。一般保护措施通常有以下几种:(1) 过压保护。抑制电路过电压,限制过量dv/dt;(2) 过流保护。对过流信号检测,区分过载或是短路状况,当危险情况发生时切断栅极控制信号;(3) 过热保护。检测并控制主电路是否过热,并能在过热时及时切断主回路,实现过热保护;(4) 欠电压锁定。本文设计的保护电路包含有前三种保护功能。

3 单片机控制系统设计

3.1 单片机控制系统硬件设计

脉冲信号由单片机控制电路产生,通过外围辅助键盘电路实现变频目的,通过LCD电路显示直线电动机工作状态、脉冲周期、PWM脉宽和报警信号。

1、电路电源模块与复位电路。单片机控制系统主要包括AT89C52单片机和型号为CCM 162B2B的LCD这两块芯片都是采用5V电源供电,课题使用LM7805提供系统电源。AT89C52的复位电路如图3所示。电路采用电平复位方式兼有上电复位和按键复位两个功能。单片机进入复位状态RST必须保持至少两个机器周期的高电平。当上电复位时,充电时间由电容C1和电阻R2确定,电容充电时间不超过几十毫秒。当采用按键复位时S1按下,S1, R1和R2形成分压回路,Reset端的输入电压即为电阻R2上的电压:松开S1后,单片机完成复位过程。电容C2的作用是消除按键抖动。

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图3 复位电路

2、键盘电路。键盘电路的作用是控制直线电动机工作状态并对脉冲周期、脉宽进行调整。按键共有六个,分别表示电机启动/停止、脉冲周期增大、脉冲周期减小、脉宽增大、脉宽减小。行线分别与AT89C52的P1.0, P1.1, P1.2连接,列线分别与AT89C52的INT0、INT1连接,该硬件结构和键盘扫描程序一起实现键盘操作功能。

3、变频脉冲由单片机P1.3, P1.4分别输出,P1.3输出的控制信号控制图1中的IGBT1, IGBT3驱动电路模块:P1.4输出的控制信号控制IGBT2, IGBT4驱动模块。采用TLP521-4光祸隔离。

4、LCD显示模块。LCD液晶采用CCM162B2B,供电电压4.5~5.5V,工作电流2mA,显示容量16×2个字符,字符尺寸2.95×4.35 (WXH) mm。除正负电源线、液晶显示偏压信号、背光源电源接线外,还有8位数据线、1位使能信号线、数据/命令选择端和/写选择端。引脚详细说明见表1所示。

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3.2 单片机控制系统软件设计

软件编程主要产生PWM变频脉冲以及根据外部按键调整脉冲周期、脉宽等等,总程序流程见图4。程序对单片机各个应用单元进行初始化设置并在初始化液晶后判断键盘是否有按键按下,当有键按下时进入相应中断处理程序并及时刷新液晶显示。本文主要设计有六个处理子程序(1)启动电机;(2)停止电机;(3)增大周期:(4)减小周期;(5)增大脉宽;(6)减小脉宽。

1、键盘程序设计。键盘按矩阵结构设计,借助“键盘扫描”程序读取进行,。程序对P1.0, P1.1, P1.2循环设置低电平,当有按键按下时,INT0或INT1将收到中断请求信号,在开中断情况下,系统进入相应中断处理程序,设置5~10ms延迟信号后再判断按键,当判断无按键按下时,则为假信号,退出中断继续扫描键盘;当判断有键按下时,则进入相应子程序实现按键功能。

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图4 系统主流程图

2、电机启动和停止程序设计。电机启动或停止只要发送或撤销P1.3和P1.4输出的控制信号即可,程序流程见图5所示。

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图5电机启动/停止流程图

3、PWM脉冲程序设计。直线电动机是由电磁驱动,考虑磁滞现象设定PWM宽度D为4-10ms,周期T不小于20ms。AT89C52产生两路PWM波,这两路信号将驱动桥式IGBT,桥式电路有两个同时位于上、下桥臂的IGBT器件,这两个IGBT不能在一个周期内同时导通,否则,上、下桥臂两个IGBT直通后电路将短路,为此,软件设计时要延迟一段时间,让IGBT完全关断,这段时间称为死区延时,单位ms。死区延时时间由FGA25N120的开关特性和应用环境确定,本文选取2ms作为死区延时。本文设定脉宽和周期都以1ms增减,当PWM脉宽D设定为l0ms,T为24ms时,处于上下两个桥臂同时导通临界状态。

本文作者创新点:

本文提出了一种新型脉冲变频控制节能型直线电动机电源系统设计。这种工作电源采用双向变频智能控制技术,驱动效果比现有通用的PWM变频电源更好,创新的智能变频电源核心技术还可以用于许多节能轻便电动工具上,具有非常广泛的应用价值。