一种内置式电动工具变频器设计

邱晓华+陈群挺

摘 要 描述一内置式电动工具变频器的设计原理，针对内置式电动工具的技术要求，提出一种变频器实现电路，包括主电路、驱动电路和控制回路，经性能测试和对比分析，缩短了工作时间并减少的耗材磨损。

【关键词】内置式 串励电机 变频器 驱动

采用感应电机的电动工具引入变频控制技术为其获得更高的转速和输出功率，以提升工作效率、降低砂轮片等耗材的磨损速度和作业人员的劳动强度，是当前电动工具行业的发展方向[1]。电机行业通用变频器虽能满足电动工具的调速要求，但存在体积大、成本高、不易携带等缺点，又因电动工具工作过程不需连续无级调速且追求小型化与低成本，故电机行业通用变频器不适用于电动工具。本项目开发一款内置于电动工具手柄内的变频器，并应用于1500KW电动角磨的驱动运行，达到理想的效果。

1 技术要求

电动角磨对内置式变频器的主要技术要求为：输入电源为单相220V/50Hz，输出为三相200V/400Hz，输出频率控制方式为内部给定，不设调速旋钮。采用软启动，能过载动态保护、断电保护和短路保护。可累计机器工作时间，EMC滤波器设计在输入电源线上。

2 主电路方案

考虑到变频器要装入工具手柄内，体积大幅减小，须简化、优化电路。变频器主电路采用典型的交-直-交电压型逆变电路，如图1所示。

整流桥选用BR3510桥路最大输入电压有效值为700V，最大前向整流电流为35A。滤波电容选择三个

68uF/400V以及一个22Nf/630V电容并联，该滤波电容使得整流后的电压波形尽量平直。继电器及双二极管构成的电路可以依据需要随时切断回路。电路中有500V/4A的保险丝对电路进行短路保护。10D681的压敏电阻对电路过压保护。交-直电路采用了三相电压型逆变电路，考虑到电动工具使用工况复杂，要求过载能力强，因此在设计时选用更大规格的IGBT，以保证过载情况下大电流不损坏控制器及电机，故选用由6只型号为IKW30N60T 的IGBT管构成。

3 驱动电路

IGBT属于电压控制型器件，开通与关断由栅级与发射级间的电压UGE决定，为降低其通态压降与开关损耗，一般选取UGE=15V时，IGBT导通；关断时，UGE=-5V，提高抗干扰能力。驱动电路采用以L6387为核心的电路。L6387为高低侧半桥驱动芯片，它能够把来自单片机的逆变PWM信号进行功率放大，以便能够有足够功率驱动逆变电路中的IGBT。设计时只需要配置简单的Boot电容，便能实现自举升压，使用方便，例如D1、C1就构成了自举电路，该自举电路为上桥臂的IGBT的开通提供了足够的导通电压。驱动电路如图2所示。

4 控制回路设计

单片机选用高性价比的瑞萨M30260F6AGP，其采用高性能硅栅CMOS工艺，内置了M16C/60系列CPU，具有1M字节的地址空间、一个乘法器和DMAC，片内有48K的ROM和2K的RAM，完全能满足设计要求。

程序設计采用不对称规则采样法实现SPWM脉冲波形，计算出脉冲控制字，存储在单片机的内部程序存储器里面。利用单片机的查表指令，依次从I/O端口输出存储器的控制字，就可以在逆变电路中获得正弦波形的交流电。分别用M30260F6AGP的P80、P81口控制V1、V4达到控制U相电压的目的；P72、P73口控制V3、V6 达到控制V相电压的目的；P74、P75口控制V5、V2达到控制W相电压的目的。这里有一点必须特别注意，在由U相的V1导通、V4截止转换为V1截止V4导通的瞬间，由于转换的延迟，可能有一瞬间V1和V4同时导通，从而引起短路造成元件损坏。解决的办法是单片机的输出让V1和V4有数μs同时截止时间，系统采用在每个转换点插入一个同时截止时间脉冲来实现。

5 性能测试

变频角磨与普通角磨工作对比如表1所示。

变频角磨与普通角磨使用成本对比如表2所示。

由图表可以看出，与普通串励电机角磨相比，在同一工作时间内，变频角磨可提升的工作效率，在同等工作量的情况下，缩短的工作时间取并减少的耗材磨损。

6 结束语

变频电动工具与气动和普通电动工具比，输出功率恒定、均衡，其打磨效率高、单位磨料的消耗低，维护成本极低，更适合在对工具依赖性很强的重型打磨行业。改变传统串激电机电动工具有火花、噪音、烧机三大缺陷，且大幅提高工具使用寿命，从而拓宽了电动工具的使用场合。鉴于高频电动工具相对传统电动工具具有的各种优势，再加上国家节能减排的大政策和大环境，高频电动工具有望从高端用户开始逐步替换传统电动工具，市场前景广阔。

参考文献

[1]廖海平.变频调速技术与发展[J].变频器世界，2005（10）：13-16.

[2]张燕宾.小孙学变频[M].北京：中国电力出版社，2011.

作者简介

邱晓华（1974-），男，汉族，浙江省金华市人。硕士学位。教授。主要研究方向为电子技术、系统辨识和智能设备。

作者单位

金华职业技术学院 浙江省金华市 321017