蘇家偉
(中山市技師學(xué)院,廣東中山 528400)
中山市是我國(guó)乃至全球的游戲游藝研發(fā)、生產(chǎn)和銷售的重要基地。本人曾任職的某游藝機(jī)公司三人轉(zhuǎn)馬系列產(chǎn)品是傳統(tǒng)暢銷產(chǎn)品,也是游戲游藝行業(yè)的傳統(tǒng)暢銷產(chǎn)品,這種產(chǎn)品主要是面向兒童游玩者,為了提高游玩者的乘坐舒適性和安全性,通常做法是使用一臺(tái)通用的變頻器作啟動(dòng)、運(yùn)行和停止的動(dòng)作。現(xiàn)在行業(yè)內(nèi)通常的做法是直接購買一臺(tái)變頻器,價(jià)格在500元到1 000元左右。隨著競(jìng)爭(zhēng)加劇,公司在開發(fā)和生產(chǎn)產(chǎn)品中想方設(shè)法降低成本,提高競(jìng)爭(zhēng)力?;谝陨锨闆r,筆者設(shè)計(jì)開發(fā)了一款低成本小功率變頻器專門用于三人轉(zhuǎn)馬系列產(chǎn)品,成本控制在200元/臺(tái)左右,按某公司一年銷售500臺(tái)三人轉(zhuǎn)馬估計(jì),直接經(jīng)濟(jì)效益就達(dá)到15萬到40萬,如果面向全行業(yè)推廣效益非常明顯。
三人轉(zhuǎn)馬系列產(chǎn)品應(yīng)用變頻器的目的是讓產(chǎn)品由靜止?fàn)顟B(tài)到運(yùn)行狀態(tài)有一個(gè)緩慢提速的過程,勻速工作運(yùn)行3~5分鐘后再由運(yùn)行狀態(tài)到靜止?fàn)顟B(tài)有一個(gè)緩慢減速過程。一般加減速時(shí)間的設(shè)定是由0~50 Hz 5秒,由50~0 Hz也是5秒。變頻器的主要要求:輸入電壓?jiǎn)蜗嘟涣?20 V,輸出電壓三相220 V,功率400 W,變頻調(diào)速采用VVVF方式,變頻器的運(yùn)行和停止受三人轉(zhuǎn)馬的控制盒控制,變頻器的參數(shù)設(shè)定就只需設(shè)定加減速時(shí)間,運(yùn)行頻率,變頻器其他功能基本不用。并且注意到許多生產(chǎn)工人和游樂園維修人員對(duì)變頻器參數(shù)的設(shè)定覺得有困難。綜合以上信息,結(jié)合行業(yè)的實(shí)際,在開發(fā)上思路上,主要是低成本,能滿足三人轉(zhuǎn)馬系列產(chǎn)品應(yīng)用變頻器所用功能和性能要求就足夠了,并簡(jiǎn)化變頻器參數(shù)的設(shè)定方法方便生產(chǎn)工人和維修人員,最后就是開發(fā)周期短,方便生產(chǎn)。
綜合各方面因素,筆者選用Freescale公司三相交流電機(jī)控制芯片MC3PHAC。該芯片最顯著的特點(diǎn)是將最新的PWM生成和控制技術(shù)集成在一塊DSP中,用戶不用關(guān)心這方面的細(xì)節(jié),雖然無需編程但保留了設(shè)備的靈活性,用戶可以通過串行口將參數(shù)傳給MC3PHAC。完全滿足我的要求。考慮到方便生產(chǎn)提高可靠性不采用分立驅(qū)動(dòng)元件,選用三菱公司的PS21564驅(qū)動(dòng)模塊。選用常用的單片機(jī)STC89C52作為MC3PHAC的主機(jī),單片機(jī)同時(shí)擔(dān)當(dāng)用戶界面接口芯片。
圖1 原理圖
總體方案如原理圖1所示,由于本文篇幅所限,原理圖1省略了RUN、STOP、MODE、UP、DOWN、SET 6個(gè)按鈕;RUN、STOP、FWD、REV 4個(gè)指示燈;4個(gè)數(shù)碼管;控制變頻器運(yùn)行、停止的輸入回路端子;用于斷電記憶設(shè)定參數(shù)的93C46芯片等電路。MC3PHAC有兩種運(yùn)行模式,第一種孤立模式,第二種模式PC主控軟件模式,由于第二種模式可以將芯片的性能發(fā)揮最佳,本方案選用第二種模式,通過單片機(jī)STC89C52實(shí)現(xiàn)對(duì)MC3PHAC參數(shù)寫入和讀出。MC3PHAC的參數(shù)和功能設(shè)置非常豐富完全可以同市售專業(yè)變頻器的參數(shù)相媲美,但針對(duì)本項(xiàng)目我只選取了有用,夠用的參數(shù),簡(jiǎn)化了程式設(shè)計(jì),縮短了開發(fā)周期,在參數(shù)設(shè)定方法上也大大簡(jiǎn)化,讓生產(chǎn)工人和游樂園維修人員也容易上手設(shè)定參數(shù)。
由于MC3PHAC采用了多種優(yōu)化技術(shù)[6],在三相波形產(chǎn)生器里面產(chǎn)生可變頻變壓的六路輸出,而且為了提高直流電壓利用率,在基頻中注入了一個(gè)三次諧波,可使最大輸出提高15%的幅度。實(shí)際應(yīng)用表明低速力矩提升明顯,可以同市售臺(tái)達(dá)變頻器的參數(shù)相媲美,比售價(jià)500~600元/臺(tái)的變頻器低速力矩高出許多。
三菱公司的PS21564驅(qū)動(dòng)模塊[8]采用三菱第五代IG?BT,死區(qū)時(shí)間達(dá)到了2μs,可有效提升輸出力矩;載波頻率最大可以是20 kHz,讓變頻器運(yùn)行噪聲減?。豢梢詥坞娫打?qū)動(dòng);內(nèi)置專用HVIC,無需絕緣電路,可從MC3PHAC直接接收控制信號(hào);三人轉(zhuǎn)馬的電機(jī)功率是370 W,筆者選PS21564驅(qū)動(dòng)模塊功率為750 W,讓變頻器有足夠的功率剩余,進(jìn)一步提高變頻器的可靠性。
單片機(jī)選用STC89C52RC主要是價(jià)格合適,IO口驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng),穩(wěn)定性好,開發(fā)工具便宜,編寫程序方便。
這款低成本小功率變頻器的工作原理:?jiǎn)纹瑱C(jī)STC89C52RC通過串口(RXD、TXD)和MC3PHAC串口(RXD、TXD)實(shí)現(xiàn)參數(shù)的寫入和讀出,數(shù)據(jù)格式要符合相應(yīng)協(xié)議。單片機(jī)負(fù)責(zé)接收用戶的設(shè)定信息,并將這些信息轉(zhuǎn)為相應(yīng)的數(shù)據(jù)格式發(fā)給MC3PHAC,比如啟動(dòng)變頻器、設(shè)定加減速時(shí)間等等;同時(shí)如果有需要也可以從MC3PHAC讀入想要了解的信息,比如變頻器當(dāng)前運(yùn)行的頻率等。MC3PHAC會(huì)根據(jù)單片機(jī)發(fā)給的指令或信息執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。只需設(shè)好參數(shù)發(fā)給MC3PHAC,MC3PHAC內(nèi)部的DSP已經(jīng)有編好的程序產(chǎn)生先進(jìn)的6路PWM信號(hào),這6路信號(hào)直接連到PS21564的輸入端,經(jīng)PS21564的驅(qū)動(dòng)放大就可以直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)了。由于篇幅所限單片機(jī)上的程序就不提供了。
圖2 萬用板制作完成的樣板
制作完成的樣板如圖2,在實(shí)際的樣板電路開發(fā)中,加入了過熱保護(hù)電路,防止開機(jī)電壓浪涌電路,故障停機(jī)延時(shí)自動(dòng)復(fù)位等功能,制作完成的三塊樣板裝在不同的三臺(tái)三人轉(zhuǎn)馬上滿負(fù)荷反復(fù)對(duì)比測(cè)試,都能滿足各項(xiàng)要求,最終成本、性能都達(dá)到了當(dāng)初的設(shè)計(jì)要求。這款低成本變頻器設(shè)計(jì)取得了初步的成功。經(jīng)過進(jìn)一步完善電路,和產(chǎn)品工藝化等工作后,進(jìn)行了小批量試產(chǎn),試投入運(yùn)營(yíng),初步運(yùn)營(yíng)結(jié)果顯示該變頻器性能穩(wěn)定、降低了產(chǎn)品成本,提高了產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力,取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。
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