CN109159024B - 一种用于内圆磨床高速电主轴驱动的中频变频器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于内圆磨床高速电主轴驱动的中频变频器。它包括斜坡函数发生器电路、PWM脉冲列形成电路、斩波脉冲产生电路、六分频环计及PWM信号形成电路、高频脉冲放大电路和斩波调压变频器主电路,斜坡函数发生器电路分别与PWM脉冲列形成电路和斩波脉冲产生电路连接,PWM脉冲列形成电路、六分频环计及PWM信号形成电路、高频脉冲放大电路和斩波调压变频器主电路依次连接,PWM脉冲列形成电路与斩波脉冲产生电路连接,斩波脉冲产生电路、高频脉冲放大电路和斩波调压变频器主电路依次连接。本发明的有益效果是:斩波频率比较高,控制电压时动态响应比较好;调压和调频两个环节同时受控于主令电压,实现U/f通调,两者在控制上配合较好。

Description

一种用于内圆磨床高速电主轴驱动的中频变频器
技术领域
本发明涉及变频器相关技术领域,尤其是指一种用于内圆磨床高速电主轴驱动的中频变频器。
背景技术
轴承制造过程中,大量采用各种内圆磨床。这些磨床都使用了高速电主轴(俗称“磨头电机”),磨头电机为交流高速电动机,是磨削零部件内孔不可或缺的一部分。采用高速电主轴直接带动砂轮,没有中间传动件,转速较高,输出功率大,短时间过载能力强,速度特性硬,振动小和主轴轴承寿命长等优点,所以应用广泛。采用中频交流静止变频器驱动高速电主轴可降低磨床的能耗、料耗,提高其工艺性能和改善作业环境,是企业节能降耗、提高效率的重要手段。
交流电动机的转速表达式为:n=(60f(1-s))/p。式中:n-异步电动机的转速;f-异步电动机的频率;s-电动机转差率;p-电动机极对数。由转速表达式可知,转速n与频率f成正比,电动机的调速可通过改变变频器的频率f实现,通过改变电动机电源频率实现速度调节是一种理想高效、高性能的调速手段。众多著作和学术论文讨论静止变频器时,都是基于50Hz工频交流电源,然而按电机调速基本理论,电机调速最高只能在3000r/min以下,基于50Hz工频的变频器在设计理论和应用实践上存在着某种局限。
内圆磨床在磨削轴承圈内孔时,因受所磨轴承圈内孔径限制,砂轮直径尺寸较小,为了达到合理的磨削速度,砂轮的转速必须很高,常用的为10000r/min~20000r/min,磨削更小孔时,甚至要求砂轮的转速高于100000r/min。由中频变频器直接驱动磨头电机高速旋转,中频变频器输出频率很高(最高频率可达3000Hz),其逆变器的开关频率必然就很高,选择性能可靠的变频器设计方案及实用电路,对中频变频器乃至内圆磨床整个系统的性能提高意义重大。
发明内容
本发明是为了克服现有技术中存在上述的不足,提供了一种能够实现U/f通调的用于内圆磨床高速电主轴驱动的中频变频器。
为了实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
一种用于内圆磨床高速电主轴驱动的中频变频器,包括斜坡函数发生器电路、PWM脉冲列形成电路、斩波脉冲产生电路、六分频环计及PWM信号形成电路、高频脉冲放大电路和斩波调压变频器主电路,所述的PWM脉冲列形成电路包括PI调节器、V/f变换器、f/V变换器和比例器,所述的斩波脉冲产生电路包括电压调节器、三角波发生器、比较器和斩波脉冲电路,所述的六分频环计及PWM信号形成电路包括分频器和环计电路,所述的斩波调压变频器主电路包括IGBT斩波调压电路、逆变器和不可控硅整流电路,所述的斜坡函数发生器电路分别与PI调节器和电压调节器连接,所述的PI调节器、V/f变换器、分频器、环计电路、高频脉冲放大电路和逆变器依次连接,所述的V/f变换器、f/V变换器和比例器依次连接,所述的比例器分别连接PI调节器和电压调节器,所述的电压调节器和三角波发生器均与比较器连接,所述的比较器、斩波脉冲电路、高频脉冲放大电路和IGBT斩波调压电路依次连接,所述的不可控硅整流电路、IGBT斩波调压电路和逆变器依次连接。
其中:斜坡函数发生器电路的输入端设有主令电压Ug,主令电压Ug通过斜坡函数发生器电路得到一个线性增长的输出电压Ua,满足电动机平滑起动的要求。输出电压Ua经PI调节器送入V/f变换器,V/f变换器的输出脉冲一路经分频器送入环计电路、高频脉冲放大电路作为逆变器的触发脉冲,另一路经f/V变换器和比例器得到一个直流电压信号。该直流电压信号一方面作为PI调节器的反馈,保证在主令电压Ug下输出频率的稳定,另一方面与斜坡函数发生器电路的输出电压Ua一起送入电压调节器,电压调节器的输出与三角波发生器产生的三角波经比较器比较后调制出经斩波脉冲电路输出的高频斩波脉冲,高频斩波脉冲经高频脉冲放大电路的放大后驱动IGBT斩波调压电路,控制逆变器的输出电压U,使逆变器输出电压自动跟随输出频率f变化,实现U/f统调。该中频变频器斩波频率比较高,控制电压时动态响应比较好;调压和调频两个环节同时受控于主令电压,实现U/f通调,两者在控制上配合较好;PWM信号形成电路中采用频率PI调节器,使变频器在启动和运行过程中稳定可靠;该中频变频器是一种方波逆变器,控制逻辑简单,对功率器件的开关频率要求较低。
作为优选,所述的PWM脉冲列形成电路还包括初始频率设定电路,所述的初始频率设定电路与PI调节器连接。为了克服刚启动时电主轴的静摩擦转矩,需要有一个对电主轴冲击的力,使它动起来,办法就是预置一个初始启动频率,而并非从0Hz启动。
作为优选,所述的斩波脉冲产生电路包括电压微调电路,所述的电压微调电路与电压调节器连接。为了使电主轴在低频运行时,也能得到额定磁通,变频器应在低频启动时需加适当的补偿电压,称为转矩提升。
作为优选,还包括电压电流检测电路,所述的电压电流检测电路分别与斜坡函数发生器电路、斩波脉冲电路和六分频环计及PWM信号形成电路连接。
作为优选,还包括故障输出及保护电路,所述的故障输出及保护电路分别与斜坡函数发生器电路、斩波脉冲电路和六分频环计及PWM信号形成电路连接。
本发明的有益效果是:斩波频率比较高,控制电压时动态响应比较好;调压和调频两个环节同时受控于主令电压,实现U/f通调,两者在控制上配合较好;PWM信号形成电路中采用频率PI调节器,使变频器在启动和运行过程中稳定可靠;该中频变频器是一种方波逆变器,控制逻辑简单,对功率器件的开关频率要求较低。
附图说明
图1是本发明的结构框图;
图2是斜坡函数发生器电路的电路原理图;
图3是PWM脉冲列形成电路的电路原理图;
图4是斩波脉冲产生电路的电路原理图;
图5是六分频环计及PWM信号形成电路的电路原理图;
图6是高频脉冲放大电路的电路原理图;
图7是斩波调压变频器主电路的电路原理图;
图8是电压电流检测电路的电路原理图;
图9是故障输出及保护电路的电路原理图;
图10是图5中六分频环计的输出时序图;
图11是逆变器的输出电压波形图。
图中:1.斜坡函数发生器电路,2.PI调节器,3.V/f变换器,4.f/V变换器,5.比例器,6.初始频率设定电路,7.分频器,8.环计电路,9.高频脉冲放大电路,10.电压调节器,11.三角波发生器,12.比较器,13.斩波脉冲电路,14.电压微调电路,15.不可控硅整流电路,16.IGBT斩波调压电路,17.逆变器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。
如图1所述的实施例中,一种用于内圆磨床高速电主轴驱动的中频变频器,包括斜坡函数发生器电路1、PWM脉冲列形成电路、斩波脉冲产生电路、六分频环计及PWM信号形成电路、高频脉冲放大电路9和斩波调压变频器主电路,PWM脉冲列形成电路包括PI调节器2、V/f变换器3、f/V变换器4和比例器5,斩波脉冲产生电路包括电压调节器10、三角波发生器11、比较器12和斩波脉冲电路13,六分频环计及PWM信号形成电路包括分频器7和环计电路8,斩波调压变频器主电路包括IGBT斩波调压电路16、逆变器17和不可控硅整流电路15,斜坡函数发生器电路1分别与PI调节器2和电压调节器10连接,PI调节器2、V/f变换器3、分频器7、环计电路8、高频脉冲放大电路9和逆变器17依次连接,V/f变换器3、f/V变换器4和比例器5依次连接,比例器5分别连接PI调节器2和电压调节器10,电压调节器10和三角波发生器11均与比较器12连接,比较器12、斩波脉冲电路13、高频脉冲放大电路9和IGBT斩波调压电路16依次连接,不可控硅整流电路15、IGBT斩波调压电路16和逆变器17依次连接。其中:PWM脉冲列形成电路还包括初始频率设定电路6,初始频率设定电路6与PI调节器2连接。斩波脉冲产生电路包括电压微调电路14,所述的电压微调电路14与电压调节器10连接。此外,还包括电压电流检测电路和故障输出及保护电路,电压电流检测电路和故障输出及保护电路均分别与斜坡函数发生器电路1、斩波脉冲电路13和六分频环计及PWM信号形成电路连接。
其中:斜坡函数发生器电路1的输入端设有主令电压Ug,主令电压Ug通过斜坡函数发生器电路1得到一个线性增长的输出电压Ua,满足电动机平滑起动的要求。输出电压Ua经PI调节器2送入V/f变换器3,V/f变换器3的输出脉冲一路经分频器7送入环计电路8、高频脉冲放大电路9作为逆变器17的触发脉冲,另一路经f/V变换器4和比例器5得到一个直流电压信号。该直流电压信号一方面作为PI调节器2的反馈,保证在主令电压Ug下输出频率的稳定,另一方面与斜坡函数发生器电路1的输出电压Ua一起送入电压调节器10,电压调节器10的输出与三角波发生器11产生的三角波经比较器12比较后调制出经斩波脉冲电路13输出的高频斩波脉冲,高频斩波脉冲经高频脉冲放大电路9的放大后驱动IGBT斩波调压电路16,控制逆变器17的输出电压U,使逆变器17输出电压自动跟随输出频率f变化,实现U/f统调。
斜坡函数发生器的作用是将突加的给定阶跃信号转变成从初值缓慢上升到给定值的斜坡信号,使电动机能缓慢起动和调速,可以防止生产机械在快速起动或调速过程中受到剧烈的冲击。在变频调速中,缓慢升速可防止逆变器的过载,缓慢降速可防止逆变器过电压。在中频变频器中斜坡函数发生器由集成运放IC17A和IC17B组成,其电路如图2所示,这是一种由比较器、积分器组成的斜坡函数发生器。
IC17A是同相放大器,其放大倍数较高,给定信号和反馈信号同时送入它的同相输入端进行比较。IC17B是一个反相积分器。通过继电器触点J5的打开和闭合可使主令电压Ug产生跃变。斜坡函数发生器的主令电压Ug通过可变电阻W201送给集成比较器IC17A,开始时由于输出电压Ua仍然保持在初始状态,IC17A输出正向饱和电压(约为运放电源电压)。IC17B开始缓慢积分,IC17B的输出电压Ua为负并逐渐加大,直到Ua=Ug积分器停止积分为止,改变主令电压Ug时输入和输出的关系如图2中所示。一方面斜坡函数发生器的输出电压Ua通过W202传给电压调节器,控制斩波脉冲的频率,对主电路直流电压斩波调压,另一方面输出电压Ua通过W301传给PWM脉冲列形成电路,控制逆变器的输出频率,实现U/f通调。
CD4528是集成单稳态触发器,表1是其真值表,图2中IC28B(CD4528)工作在表中的状态4。当变频器发生过载、过流等故障时,继电器触点J1-1闭合,触点J1-2打开,集成块IC28B的Q端暂态输出一高电平,经比较器IC27A供给BG201的栅极,使BG201导通,电容C502放电,斜坡函数发生器的输出电压归零,封锁主令给定信号Ug。IC28B的Q端输出高电平时间由外接时间常数电容C205和电阻R218决定,C205充电完后恢复Q端输出低电平。IC28A(CD4528)在图4中亦起类似的作用,当变频器故障时可封锁电压调节器的输出,以致封锁斩波脉冲,切断主回路直流电压。
表1 CD4528真值表
表1中:L=低电平;H=高电平;X=不定;V=转变从高到低;
变频器PWM波的脉冲列形成电路由V/f转换、f/V转换、频率PI调节等电路构成,如图3。集成块IC19是锁相环路多谐振荡器CD4046,构成V/f转换电路。CD4046锁相环采用的是RC型压控振荡器,接电容C303和电阻R306作为充放电元件。由于CD4046内部的VCO是一个电流控制振荡器,对定时电容C303的充电电流与从9脚输入的控制电压成正比,使VCO的振荡频率亦正比于该控制电压。当VCOIN控制电压为0时,其输出频率最低;当输入控制电压等于电源电压VDD时,输出频率则线性地增大到最高输出频率。VCO振荡频率的范围由R306和C303决定。由于它的充电和放电都是由同一个电容C303完成,故它4脚VCOT的输出波形是对称方波。4脚VCOT端的频率正比于9脚VCOIN的电压。CD4046是变频器PWM波形的频率源,最高频率为1.2MHz,较高的频率源是中频变频器最高能输出3000Hz交流电的基础。
IC20A是单稳态触发器CD4528,在电路图3中,其工作在表1中的状态5,作用是把IC19(CD4046)的4脚输出的方波转换成固定宽度的脉冲,随着CD4046的4脚输出的方波频率的变化,使得CD4528的Q端在单位时间内的脉冲数发生变化,Q端输出的脉冲电压送给比较器IC18B,由IC20A和IC18B组合成f/V转换电路,把自IC19的4脚输出的频率转换成电压。转换的电压反馈输入运放IC18A的反向端,斜坡函数发生器的信号电压也输入IC18A的反向端,IC18A是积分电路,可输出一个缓慢而上升稳定的控制电压,由此构成一个频率PI调节器。频率PI调节器解决了变频器输出频率漂移的问题。为了克服刚启动时电主轴的静摩擦转矩,需要有一个对电主轴冲击的力,使它动起来,办法就是预置一个初始启动频率,而并非从0Hz启动。如图3,在电压Ua经PI调节器送入V/f变换器前,用精密电位器W301预置一个初始电压,与Ua一起接入PWM脉冲列形成电路。
如图4所示,运放IC30A构成同相输入的迟滞比较器,IC30B为理想积分器。IC30A输出为方波,该方波通过电阻R223给电容C208恒流充放电,形成三角波,反过来三角波又去控制迟滞比较器的状态转换,周而复始形成振荡。电位器W203的调压系数为α1,三角波频率为f0=1/T=1/(T1+T2)=α1R227/4R223C208R226
斩波管BG0的栅极G0控制信号为斩波脉冲,由上述三角波发生器和比较器IC29B产生。调节器电压Uk由IC29A组成的积分电路产生,三角波发生器产生固定频率的三角波,在比较器IC29B中经比较输出斩波控制脉冲,其占空比正比于电压Uk,从而使逆变器的输出电压Ud正比于控制电压Uk。Uo3就是斩波管BG0栅极控制电压波形,斩波器输出电压Ud的波形与它相同。为了使电主轴在低频运行时,也能得到额定磁通,变频器应在低频启动时需加适当的补偿电压,称为转矩提升。如图4,在电压Ua送入电压调节器前,用精密电阻W202微调一个补偿电压,与Ua一起接入斩波脉冲列形成电路。
CMOS环形脉冲分配器是由CH4022、CH4019等CMOS集成电路组成的,一共用了六块集成电路。图5是它的电路图,图10是各集成块输出端的时序图,图11是逆变器输出电压波形。
集成块IC21是12位二进制串行计数器CD4040,所有计数器位为主从触发器,计数器在时钟下降沿进行计数,10脚为时钟输入端,其脉冲来自图3中IC19的4脚,11脚为清除端,Q1~Q12为计数器脉冲输出端。11脚接地,可连续计数,在Q1~Q12端分频输出,Q5为1/32分频输出端。
利用CH4022可以构成一个六分频环形脉冲分配器。CH4022有两个CP脉冲输入端CLK和ENA,一个置零端RST。根据CH4022的真值表,若用CLK作为CP脉冲输入端,则ENA必须接零电位,而且是利用CP脉冲的前沿来触发的。ENA端接地,每来一个CP脉冲,下一个Q输出端便输出一个脉冲,依次为Q0~Q5,Q6端与RST连接,当Q6脉冲来临时,使清零端RST为高电平,CH4022又立即回到“0”状态,由此可知CH4022的输出脉宽为60°。在变频调速系统中,对逆变器的IGBT管导通角度有一定的要求,在中频变频器中选择IGBT栅极导通角为150°。因此还需通过双对偶与/或选择门CH4019的组合,形成宽度为150°的逆变管导通脉冲,CH4019的输出公式为D=AG1+BG2。电路采用4块CH4019集成块,集成块IC23和IC25的D输出端为90°的脉冲,其D端脉冲为前一脉冲的全部(A输入)加后一脉冲的高电平(B输入)。集成块IC24和IC26的D端输出为150°的脉冲,其D端输出为集成块IC22的Q端输出与集成块IC23、IC25的D端输出的合成,如图5和图10。
所谓150°导通型逆变器,其控制方法为每个开关器件在每个周期导通150°,如图5所示,由于150°导通型逆变器在部分时间为三相绕组通电,部分时间为两相绕组通电,所以被称为二三相通电型逆变器。对于Y型连接的三相绕组电动机,采用150°导通型逆变器控制,得到的相电压和线电压的波形如图11所示,150°导通型逆变器相对于120°和180°导通型逆变器来说,电压波形比较复杂,控制方法也比较复杂,其优点表现在谐波上,当逆变器是150°导通型时,可使5次、7次谐波分量降到最小,虽然增加了电路的复杂性,但对正弦磁场的交流电机的工作是有利的。
在磨床中使用的中频变频电源其输出频率需400Hz~3000Hz,因此对脉冲放大电路提出了快速传输的要求。图6所示的高频脉冲放大电路是一种在栅极路径中的射极跟随器,最右边虚线框内是IGBT内部结构,左半虚线框的分立元件可做成模块化结构。当环形脉冲分配器的脉冲不断送入光电耦合器输入端A1点时,就使逆变器大功率绝缘栅晶体管BG1不断导通或截止。A1点为高电平时,BG1导通,其电流方向为V→R812→Q806→R813→C807正向→0V,BG1栅极正偏电压+8V;当A1点低电平时,BG1截止,Q805导通,电流方向为Dw阴极→0V→C807反向→R813→R811→Q805→Dw阳极,在大功率IGBT的栅极发射极间加上反向偏压-5V,加速了BG1的截止。
绝缘栅晶体管IGBT斩波调压具有工作频率高、滤波容易、体积小、动态响应快和减少对电网的畸变影响等优点。图7是具有斩波调压的绝缘栅晶体管逆变器主电路。因为逆变器的输出电压是由斩波器来调节的,因此直流侧采用不可控整流器,从而简化了电路,提高了功率因数。
不可控整流输出的固定电压Ui加在斩波IGBT的集电极,当绝缘栅晶体管BG0导通时,续流二极管D上的电压UD等于Ui,电源向负载供电。当绝缘栅晶体管截止时,由于电感中储能的释放,电流维持原来方向,续流二极管D导通,从而继续向负载供电。
上式中:T-开关周期;ton-导通周期;α-占空比。只要改变IGBT栅极信号的占空比α,即可改变输出电压Ud,这可由斩波管BG0栅极控制电路实现。
变频调速系统中对逆变器必须采取过流、过压、过载和短路保护等措施,过流和短路可引起IGBT管的的严重损坏,必须采取切断主回路直流电压或IGBT栅极触发脉冲停止逆变器工作,这些往往是用快熔、限流电阻或电感和过流继电器等方法互相协调进行,其中最重要的是快速封锁逆变器驱动信号。
电压、电流检测是变频器不可或缺的一个重要环节。图8是电压电流检测电路。变频器采用三相反馈变压器检测电压、电流的大小。反馈变压器的初次级间屏蔽层可靠接地,反馈变压器采用Y/Y接法,这样反馈电压可靠稳定。反馈变压器的各相电压经整流、滤波、比较后产生各相电压检测信号,各相电流取样后经比较电路产生短路信号和过流信号。
图9是故障输出及保护电路,由与非门、或门和锁存器等电路组成。当变频器发生缺相、短路或过流故障时,其相应的故障信号使三极管导通,故障指示灯亮,同时继电器J1线圈通电。JI线圈通电,使得J1-1触点闭合,JI1-2触点打开,在图2中,使IC28B(CD4528)输出暂稳态高电平信号,封锁斜坡函数发生器输出的信号电压,封锁逆变电路中PWM波形产生;故障信号输出给图4的IC28A(CD4528)的4脚,封锁住PAM电路中斩波脉冲的产生;故障信号经CD4011与非门电路反向后产生低电平信号送给图5中的电阻R313,使三极管BG309截止,封锁住所有IGBT的栅极驱动信号。由此当变频器发生故障时,在变频器电路中的三个关键位置产生保护,以防止IGBT的损坏和故障的进一步扩大。
该中频变频器是一种实现三级变换(AC/DC-DC/DC-DC/AC)的直流电压斩波控制型变频装置,斩波频率比较高,控制电压时动态响应比较好;调压和调频两个环节同时受控于主令电压,实现U/f通调,两者在控制上配合较好;PWM电路中采用频率PI调节器,使变频器在启动和运行过程中稳定可靠;所设计的中频变频器是一种方波逆变器,控制逻辑简单,对功率器件的开关频率要求较低。

Claims (3)

1.一种用于内圆磨床高速电主轴驱动的中频变频器,其特征是,包括斜坡函数发生器电路(1)、PWM脉冲列形成电路、斩波脉冲产生电路、六分频环计及PWM信号形成电路、高频脉冲放大电路(9)和斩波调压变频器主电路,所述的PWM脉冲列形成电路包括PI调节器(2)、V/f变换器(3)、f/V变换器(4)和比例器(5),所述的斩波脉冲产生电路包括电压调节器(10)、三角波发生器(11)、比较器(12)和斩波脉冲电路(13),所述的六分频环计及PWM信号形成电路包括分频器(7)和环计电路(8),所述的斩波调压变频器主电路包括IGBT斩波调压电路(16)、逆变器(17)和不可控硅整流电路(15),所述的斜坡函数发生器电路(1)分别与PI调节器(2)和电压调节器(10)连接,所述的PI调节器(2)、V/f变换器(3)、分频器(7)、环计电路(8)、高频脉冲放大电路(9)和逆变器(17)依次连接,所述的V/f变换器(3)、f/V变换器(4)和比例器(5)依次连接,所述的比例器(5)分别连接PI调节器(2)和电压调节器(10),所述的电压调节器(10)和三角波发生器(11)均与比较器(12)连接,所述的比较器(12)、斩波脉冲电路(13)、高频脉冲放大电路(9)和IGBT斩波调压电路(16)依次连接,所述的不可控硅整流电路(15)、IGBT斩波调压电路(16)和逆变器(17)依次连接,所述的PWM脉冲列形成电路还包括初始频率设定电路(6),所述的初始频率设定电路(6)与PI调节器(2)连接,所述的斩波脉冲产生电路包括电压微调电路(14),所述的电压微调电路(14)与电压调节器(10)连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于内圆磨床高速电主轴驱动的中频变频器,其特征是,还包括电压电流检测电路,所述的电压电流检测电路分别与斜坡函数发生器电路(1)、斩波脉冲电路(13)和六分频环计及PWM信号形成电路连接。
3.根据权利要求1所述的一种用于内圆磨床高速电主轴驱动的中频变频器,其特征是,还包括故障输出及保护电路,所述的故障输出及保护电路分别与斜坡函数发生器电路(1)、斩波脉冲电路(13)和六分频环计及PWM信号形成电路连接。
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