一種內(nèi)置式電動(dòng)工具變頻器設(shè)計(jì)

邱曉華+陳群挺

摘 要 描述一內(nèi)置式電動(dòng)工具變頻器的設(shè)計(jì)原理，針對(duì)內(nèi)置式電動(dòng)工具的技術(shù)要求，提出一種變頻器實(shí)現(xiàn)電路，包括主電路、驅(qū)動(dòng)電路和控制回路，經(jīng)性能測(cè)試和對(duì)比分析，縮短了工作時(shí)間并減少的耗材磨損。

【關(guān)鍵詞】內(nèi)置式 串勵(lì)電機(jī) 變頻器 驅(qū)動(dòng)

采用感應(yīng)電機(jī)的電動(dòng)工具引入變頻控制技術(shù)為其獲得更高的轉(zhuǎn)速和輸出功率，以提升工作效率、降低砂輪片等耗材的磨損速度和作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，是當(dāng)前電動(dòng)工具行業(yè)的發(fā)展方向[1]。電機(jī)行業(yè)通用變頻器雖能滿足電動(dòng)工具的調(diào)速要求，但存在體積大、成本高、不易攜帶等缺點(diǎn)，又因電動(dòng)工具工作過程不需連續(xù)無級(jí)調(diào)速且追求小型化與低成本，故電機(jī)行業(yè)通用變頻器不適用于電動(dòng)工具。本項(xiàng)目開發(fā)一款內(nèi)置于電動(dòng)工具手柄內(nèi)的變頻器，并應(yīng)用于1500KW電動(dòng)角磨的驅(qū)動(dòng)運(yùn)行，達(dá)到理想的效果。

1 技術(shù)要求

電動(dòng)角磨對(duì)內(nèi)置式變頻器的主要技術(shù)要求為：輸入電源為單相220V/50Hz，輸出為三相200V/400Hz，輸出頻率控制方式為內(nèi)部給定，不設(shè)調(diào)速旋鈕。采用軟啟動(dòng)，能過載動(dòng)態(tài)保護(hù)、斷電保護(hù)和短路保護(hù)?？衫塾?jì)機(jī)器工作時(shí)間，EMC濾波器設(shè)計(jì)在輸入電源線上。

2 主電路方案

考慮到變頻器要裝入工具手柄內(nèi)，體積大幅減小，須簡化、優(yōu)化電路。變頻器主電路采用典型的交-直-交電壓型逆變電路，如圖1所示。

整流橋選用BR3510橋路最大輸入電壓有效值為700V，最大前向整流電流為35A。濾波電容選擇三個(gè)

68uF/400V以及一個(gè)22Nf/630V電容并聯(lián)，該濾波電容使得整流后的電壓波形盡量平直。繼電器及雙二極管構(gòu)成的電路可以依據(jù)需要隨時(shí)切斷回路。電路中有500V/4A的保險(xiǎn)絲對(duì)電路進(jìn)行短路保護(hù)。10D681的壓敏電阻對(duì)電路過壓保護(hù)。交-直電路采用了三相電壓型逆變電路，考慮到電動(dòng)工具使用工況復(fù)雜，要求過載能力強(qiáng)，因此在設(shè)計(jì)時(shí)選用更大規(guī)格的IGBT，以保證過載情況下大電流不損壞控制器及電機(jī)，故選用由6只型號(hào)為IKW30N60T 的IGBT管構(gòu)成。

3 驅(qū)動(dòng)電路

IGBT屬于電壓控制型器件，開通與關(guān)斷由柵級(jí)與發(fā)射級(jí)間的電壓UGE決定，為降低其通態(tài)壓降與開關(guān)損耗，一般選取UGE=15V時(shí)，IGBT導(dǎo)通；關(guān)斷時(shí)，UGE=-5V，提高抗干擾能力。驅(qū)動(dòng)電路采用以L6387為核心的電路。L6387為高低側(cè)半橋驅(qū)動(dòng)芯片，它能夠把來自單片機(jī)的逆變PWM信號(hào)進(jìn)行功率放大，以便能夠有足夠功率驅(qū)動(dòng)逆變電路中的IGBT。設(shè)計(jì)時(shí)只需要配置簡單的Boot電容，便能實(shí)現(xiàn)自舉升壓，使用方便，例如D1、C1就構(gòu)成了自舉電路，該自舉電路為上橋臂的IGBT的開通提供了足夠的導(dǎo)通電壓。驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。

4 控制回路設(shè)計(jì)

單片機(jī)選用高性價(jià)比的瑞薩M30260F6AGP，其采用高性能硅柵CMOS工藝，內(nèi)置了M16C/60系列CPU，具有1M字節(jié)的地址空間、一個(gè)乘法器和DMAC，片內(nèi)有48K的ROM和2K的RAM，完全能滿足設(shè)計(jì)要求。

程序設(shè)計(jì)采用不對(duì)稱規(guī)則采樣法實(shí)現(xiàn)SPWM脈沖波形，計(jì)算出脈沖控制字，存儲(chǔ)在單片機(jī)的內(nèi)部程序存儲(chǔ)器里面。利用單片機(jī)的查表指令，依次從I/O端口輸出存儲(chǔ)器的控制字，就可以在逆變電路中獲得正弦波形的交流電。分別用M30260F6AGP的P80、P81口控制V1、V4達(dá)到控制U相電壓的目的；P72、P73口控制V3、V6 達(dá)到控制V相電壓的目的；P74、P75口控制V5、V2達(dá)到控制W相電壓的目的。這里有一點(diǎn)必須特別注意，在由U相的V1導(dǎo)通、V4截止轉(zhuǎn)換為V1截止V4導(dǎo)通的瞬間，由于轉(zhuǎn)換的延遲，可能有一瞬間V1和V4同時(shí)導(dǎo)通，從而引起短路造成元件損壞。解決的辦法是單片機(jī)的輸出讓V1和V4有數(shù)μs同時(shí)截止時(shí)間，系統(tǒng)采用在每個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn)插入一個(gè)同時(shí)截止時(shí)間脈沖來實(shí)現(xiàn)。

5 性能測(cè)試

變頻角磨與普通角磨工作對(duì)比如表1所示。

變頻角磨與普通角磨使用成本對(duì)比如表2所示。

由圖表可以看出，與普通串勵(lì)電機(jī)角磨相比，在同一工作時(shí)間內(nèi)，變頻角磨可提升的工作效率，在同等工作量的情況下，縮短的工作時(shí)間取并減少的耗材磨損。

6 結(jié)束語

變頻電動(dòng)工具與氣動(dòng)和普通電動(dòng)工具比，輸出功率恒定、均衡，其打磨效率高、單位磨料的消耗低，維護(hù)成本極低，更適合在對(duì)工具依賴性很強(qiáng)的重型打磨行業(yè)。改變傳統(tǒng)串激電機(jī)電動(dòng)工具有火花、噪音、燒機(jī)三大缺陷，且大幅提高工具使用壽命，從而拓寬了電動(dòng)工具的使用場(chǎng)合。鑒于高頻電動(dòng)工具相對(duì)傳統(tǒng)電動(dòng)工具具有的各種優(yōu)勢(shì)，再加上國家節(jié)能減排的大政策和大環(huán)境，高頻電動(dòng)工具有望從高端用戶開始逐步替換傳統(tǒng)電動(dòng)工具，市場(chǎng)前景廣闊。

參考文獻(xiàn)

[1]廖海平.變頻調(diào)速技術(shù)與發(fā)展[J].變頻器世界，2005（10）：13-16.

[2]張燕賓.小孫學(xué)變頻[M].北京：中國電力出版社，2011.

作者簡介

邱曉華（1974-），男，漢族，浙江省金華市人。碩士學(xué)位。教授。主要研究方向?yàn)殡娮蛹夹g(shù)、系統(tǒng)辨識(shí)和智能設(shè)備。

作者單位

金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院 浙江省金華市 321017