基于智能功率模块的台式离心机电控系统

　2008年　第12期

仪表技术与传感器

I nstru ment Technique and Sens or 2008　

No 112　

收稿日期:2007-10-15　收修改稿日期:2008-08-11

基于智能功率模块的台式离心机电控系统

徐　猛,刘波峰,马建林,胡乃杰

(湖南大学电气与信息工程学院,湖南长沙　410082)

摘要:以单片机89E58为核心,结合使用无刷直流电机的专用控制芯LM621和智能功率模块6MBP15RH060进行驱动和控制,给出完整的软硬件控制方案。在转速测量方面,提出了一种可行的更为精确的软件实现方法。关键词:离心机;无刷直流电机;I P M;转速测量

中图分类号:TP212 文献标识码:A 文章编号:1002-1841(2008)12-0109-03

Con trol System for Table Top Cen tr i fuge Ba sed on I P M

XU M eng,L I U Bo 2feng,MA J ian 2lin,HU Nai 2jie College of Electr i ca l and I nfor ma ti on,Hunan Un i versity

Abstract:This paper used the 89E58as the m icr ocontr oller with the particular chi p LM621and the I P M ,constituted a syste m of high 2s peed and centrifuge .The contr olling p lan of the s oft w are and the hard ware were given .The paper p r oposed a more accurate and feasible method on the as pect of the s peed measuring .Key words:centrifuge;brushless DC;I P M;s peed measuring 0　引言

离心机是利用离心力分离液体与固体颗粒或液体与液体的混合物中各组成成分的机械。按结构和分离要求,可把离心机分为过滤离心机、沉降离心机和分离机3类,它大量应用于化工、食品、制药、选矿、水处理、家电等领域。离心机的动力通常由电动机提供,一般是交流电动机和直流电动机。随着电子技术的发展,由现代电子技术、控制理论和电机技术结合产生的无刷直流电动机近年来正在以每年大约15%的比例增加,它具有不易产生电弧,可靠性高,寿命长,响应速度快,起动转矩大等优点,该系统采用直流无刷电机[1]。

1　系统硬件设计

系统工作原理如图1所示,主要由带霍尔传感器的三相无刷直流电机(BLDC )、电机控制芯片L M621、智能功率模块

(I P M )6MBP15RH060、单片机89E58及其他外围元件组成,可

实现离心机的转速、温度、运行时间控制,故障检测和与上位机数据通讯等功能。

111　电机控制与测速

系统采用LM621三相或四相无刷直流电机的专用集成芯片,带有过流保护和欠压保护的功能,外部与P WM 信号相连,实现调速功能。电机自带的3个霍尔传感器以120°的角度分布,分别对应3个输出H 1,H 2,H 3。可直接连LM621的5,6,7引脚,信号H 1接单片机引脚可获得脉冲信号,通过计算单位时间内脉冲的个数得到电机速度[2]。电机速度控制采用脉宽调制(P WM )方法,由单片机的P3.4口引脚输出脉冲信号,通过调节占空比来改变输给电机的有效电压实现电机速度控制[3]。

单片机通过控制与压缩机相连的三通电磁阀完成离心室的温度调节

。

图1　离心机电制系统原理图

另外该系统可通过串口RS -232与上位机连接实现相应的数据输出和各参数曲线的绘制。

112　直流电机的驱动

智能功率模块(I P M )相比于I G BT 与驱动电路的组合有许多优点[4],它将驱动电路内置,能在最佳设置条件下驱动I G 2

BT,驱动电路与I G BT 的连线短,驱动电路阻抗低,无须反向偏

置电源[5]。电机功率为(300V,215A ),考虑到裕量,反向压降取600V,导通电流取15A,I P M 采用6MBP15RH060。该芯片内置的保护电路能提供过流保护、短路保护、欠压保护、过热保护、以及外部输出警报等功能。

智能功率模块6MBP15RH060的内部结构原理如图2所示,其内部集成了6个带续流二极管的I G BT 。ALM 管脚的作用是警报输出,当保护功能动作时,警报输出端子相对各基准电位G ND 导通,警报信号输出持续2m s .当警报原因消除,经过2m s 以上的时间,并且无输入信号,则警报解除。

芯片内部结构如图2所示,从L M621发出的脉冲通过光耦隔离进入6MBP15RH060,这样可以增强系统抗干扰能力,而且不会将直流母线上的电压引入控制部分。

　110　

I nstru ment

Technique and Sens or

Dec 12008

图2　6M BP15RH060的结构原理图

光耦HCP L -4504是专为I P M 等功率器件设计的光电隔离的高速、高共模比的接口芯片,内部集成有高灵敏度光传感器[6]。

当输入信号为高电平的时候,V in 为低电平,输入低电平的时候,V in 为高电平。输出端需要加反向器。为了减小光耦合器和I P M 控制端子间的配线阻抗,应尽量最短配线,一次到二次之间各个配线不靠近,以免加大杂散电容。图3为输入电路

6MBP15RH060与光耦HCP L4505的连接。

电机的控制由芯片L M621完成。其SI N K1、SI N K2、SI N K3端通过光耦分别连接到6MBP15RH060的上臂输入V in U 、V in V 和V in W.S OURCE1、S OURCE2、S OURCE3端通过光耦分别连接到6MBP15RH060的上臂输入V inX 、V inY 和V inZ .LM621与

I P M 及单片机的连接如图4所示。单片机89E58同时连接温度

控制,LE D 、LC D 显示以及键盘控制等模块。

2　系统软件设计

软件采用模块化设计,程序结构包括了主程序模块、键盘扫描模块、速度控制模块、温度控制模块和时间中断模块等。

211　软件流程

软件流程图如图5所示,开机进行系统初始化,包括定时器、I/O 口、中断、变量等,并将上次运行设定数据通过EEPRO M 读入,然后等待按键,当有按键按下时,判断键值,即转入该键值对应的子程序入口,执行相应的子程序处理函数,完成所需的功能,运行过程中若有超温、超速或发生故障则立即报警和停机。

212　转速测量

测量原理为:以1s

为时间周期中计算霍尔传感器传来的

脉冲个数整除3(该电机3个霍尔传感器以120°的电角度分布),即得到当前电机转子的转速,即获得的hall 脉冲为hp .

v =(hp /3)×60=20hp =n (r/m in )

(1)

方法1:定时器0的定时时间为50m s,循环tcount =20次即为1s,每s 若干个脉冲,如图6所示。

转子在运行过程中,特别处于调速状态的时候,速度变化引起脉冲宽度变化,即影响到真实速度值的变化,这样测得速度,在不同的调速状态会产生不同的偏差(升速时计算所得值偏小,降速时所得值偏高)。