DIPIPM变频控制在喷气织机储纬电机的应用

李 娜

(陕西长岭纺织机电科技有限公司,陕西 宝鸡 721013)

0 引言

目前,市面上的喷气织机用储纬器都是电子储纬器,其主要由储纬电机、挡纱销、绕纱盘、储纬鼓、进纱孔、进气按钮等组成。储纬电机作为储纬器的核心部件,其精准、智能的控制与驱动极为关键,可通过功率模块控制,实现以“弱电”控制“强电”,达到驱动电机的目的。此外,功率模块根据频率变化可控制电机转速。通常储纬电机按驱动方式分为直流电机和三相交流电机,而笔者公司研发制造的FDP(Free Drum Pooling自由鼓式,简称FDP)储纬器采用三相交流电机。FDP储纬器的电机驱动选用三菱第6代超小型DIPIPM(以下简称DIP Ver.6)功率模块,带动绕纱盘旋转,从而在储纬器头部卷绕一定长度的纱线[1-3]。

DIPIPM功率模块即双列直插式智能功率模块,采用超低损耗的IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor绝缘栅双极型晶体管)或CSTBTTM(载流子储存型沟槽栅双极晶体管)硅片通过低热阻封装技术实现小型化,内置驱动电路、欠压保护和短路保护电路,可直接与3.3 V或5 V单片机连接,广泛应用于小型伺服控制以及小功率工业通用变频器等。

1 DIP Ver.6主要性能

1.1 产品特性

DIP Ver.6是一种结构紧凑的智能功率模块,采用压注模封装技术,其内部集成功率硅片、栅极驱动和保护电路,适用于交流100 V～240 V级小容量电机的变频控制。PSS15S92F6(15 A/600 V)是其系列产品之一。

DIP Ver.6的主要特性如下:① 使用全新第7代CSTBT硅片,进一步提高效率;②提高短路保护动作阈值精度,增加可用电流区间;③ 拓宽产品线至35 A;④ 与原有第5代产品封装完全兼容,可直接替换。

1.2 产品功能

图1为DIP Ver.6内部截面示意。它由P侧IGBT单元,N侧IGBT单元、故障信号输出、IGBT驱动电源及控制信号输入接口等组成。P侧IGBT单元包括驱动电路、高压电平转移电路、控制电源欠压(UV)保护电路(无故障信号输出)、内置自举二极管(BSD)及其限流电阻等;N侧IGBT单元包括驱动电路、短路(SC)保护电路(采用外接旁路电阻方式)、控制电源欠压(UV)保护电路(有故障信号输出)、通过检测LVIC的温度实现过温(OT)保护(PSS∗∗S92E6系列产品)、LVIC的温度模拟量输出(PSS∗∗S92F6系列产品);故障信号输出:对应N侧IGBT的短路保护、N侧欠压保护以及过温保护(PSS∗∗S92E6系列产品);IGBT驱动电源采用直流15 V的单电源供电(采用自举电路);控制信号输入接口为施密特触发电路,与3.3 V及5 V输入电平兼容,控制逻辑为高电平导通。FDP储纬电机驱动选用的是PSS15S92F6(15 A/600 V)[4]。

图1 DIP Ver.6内部截面示意

2 软硬件设计

2.1 硬件设计

适配FDP储纬器的喷气织机系统中,整流滤波电路、三相逆变电路、储纬控制(MCU)模块与驱动(DIPIPM)模块构成了相对独立的储纬控制系统,简称变频控制。变频控制采用脉宽调制技术(简称PWM技术),实现交流变频调速。FDP储纬器用储纬电机驱动一般由变频驱动模块完成,即储纬控制模块接收喷气织机其它单元传输的控制信号,从而控制驱动模块,进而由驱动模块驱动FDP储纬器运转。智能功率模块PSS15S92F6作为储纬控制与储纬电机之间的功率接口,可以控制2台、4台、6台、8台甚至更多台储纬器。以控制1台FDP储纬器为例,变频控制系统结构框图见图2。

图2 变频控制系统结构框图

变频控制工作原理:储纬控制模块接收织机其它单元的控制信号,在储纬控制中经过处理产生6组PWM信号,作为功率模块PSS15S92F6的控制信号;三相交流经过全桥整流滤波产生直流信号,再由三相逆变电路(变压器、整流滤波)产生直流15 V作为功率模块的驱动电压;3.3 V MCU控制信号经由隔离电路转换为15 V功率模块控制信号;MCU产生的PWM信号控制功率模块实现变频控制,驱动储纬电机运转。PWM控制用于速度调节,它以功率开关的占空比变化相当于外施加电压的变化控制电机的转速。PWM的占空比(高电平/周期)越大,说明变频频率越快,即储纬电机的转速越高。

2.2 软件设计

DIPIPM控制是通过MCU的PWM口产生P侧与N侧的U,V,W的3个信号实现的。变频控制软件的设计流程:MCU在完成系统初始化、输入输出初始化、用户初始化等各项初始化后,先检查是否存在故障。若存在故障,需先处理故障;无故障时,MCU的PWM口根据输入的速度码,以及加减速指令,输出两路三相PWM信号,以此完成手动储纬器预备卷绕纬纱,即需要运转之前在储纬器上预备卷绕一定长度的纱线。再判断输出的PWM信号是否与速度匹配,匹配则输出速度指令,否则调整输出PWM信号。变频控制软件流程图如图3所示。

图3 变频控制软件流程图

3 PCB布线注意事项

智能功率模块的PCB布线与使用功能、效果密切相关,其注意事项如下。

a) 控制地和功率地走线不能重叠。否则,由功率地上流过的、不连续大电流的di/dt和布线寄生电感产生的浪涌电压会转移到控制地线上,引起控制地的电位波动,进而导致基于控制地的控制输入信号发生波动,最终可能导致桥臂短路。

b) 不能存在地(GND)的环路。否则,地的环路中会流过漂移电流,引起控制地电位和基于控制地输入信号电平的波动,也可能导致桥臂短路。

c) N和N1之间布线电感不能过大。布线长则寄生电感大,当IGBT开关动作时就会产生大的浪涌电压,可能引起2项故障:①VS电位(输出端电位)大幅降低,导致HVIC误动作;②LVIC因浪涌电压而损坏[5]。

d) 电容及稳压二极管的位置与模块端子应离得较近。如果无电容或稳压二极管,或它们的位置与模块端子离得较远,会使控制IC因浪涌电压而损坏,或引起误动作。

e) 输入信号线与P侧驱动电源线不能靠的太近,也不能平行走线。因为干扰噪声很容易通过其布线间的寄生电容相互传递,DIPIPM就可能获得错误输入信号而导致桥臂短路。

4 试验情况

目前,国内织造企业依然以织造双喷织物为主,即使用2路储纬器织造[6-8]。应用DIP Ver.6功率模块驱动储纬电机,性能稳定,电气集成度高,其内部包含了门极驱动电路、过流保护电路(OC)、短路保护(SC)、欠压保护(UV)等多种保护电路以及故障检测等。将此变频控制配套安装在笔者公司制造的CA082系列喷气织机上,在陕西、湖北、江苏、山东等地区的多家织造企业使用,状态稳定。具体的试织数据,见表1。

表1 变频控制试织数据

表1试验数据表明:FDP储纬器变频控制采用DIP Ver.6功率模块驱动储纬电机,其运行效率均在95%以上,较之前提升了5%。经纺织厂6个月运行试验,无发热问题,运行平稳,在可重复性、可靠性及性能方面均有一定优势。

5 结语

采用DIP Ver.6功率模块的储纬器,性能稳定,集成度高,成本低,适合在各种工业环境中运行。实际试织数据表明,该储纬器满足目前喷气织机的使用要求,能提高储纬电机能效,达到节能降耗的目的。随着其优越性进一步在喷气织机市场得到验证,必将应用的越来越广泛。