变频器工作原理的六路PWM怎么接?

&&& 第四代ipm模块的最大的特点就是实现了单电源驱动,其核心技术就是驱动电源采用自举电源技术和电平移位电路,其原理示意图如图3所示。工作原理分析如下:当输入脉冲信号为“1”时,经过脉冲鉴别器确认,且此时无欠压发生, 闩锁逻辑电路上端输出为“1”, 下端输出为“0”, 此时,t1管导通,t2管关断,igbt1的门极驱动电压为+15v,igbt1导通, igbt2关断; 反之, 当输入脉冲信号为“0”时, igbt1关断,igbt2导通。自举电源由图3中的电阻r1、自举二极管d1和自举电容c1组成, 当下桥臂igbt2导通时,自举电容c1通过r1和d1充电,这里必须保证c1首次充电时, igbt2导通一定的时间,使得c1充电充分,这样c1两端的电压保持为+15v,足够驱动上桥臂的igbt1, 通过这种自举电源技术,允许igbt1的源端在p、n之间浮动。由于采用自举电源来驱动上桥臂的igbt,所以这里要求满足一个条件,即在开始工作之前,必须使下桥臂开通足够长的时间(≥200μs),以便让自举电容充分充电。
自举电源和电平移位电路原理图
&&& 3 ipm模块参数的确定  
&&& 在系统硬件设计时,为了保证ipm长期安全可靠地工作,选择和使用ipm模块时,应当根据系统实际情况对ipm模块以下几个参数进行正确选择:  
&&& (1)ipm模块igbt的最大耐压值vces,该值一般按略大于直流电压的两倍选择,如直流侧电压为300v,则选择ipm模块的igbt耐压值在600v左右;  
&&& (2)ipm模块igbt的额定电流值ic及集电极峰值icp,icp的选择应根据电动机的峰值电流而定,而电动机的峰值电流应由电动机的额定功率、电动机效率、电动机的线电压、功率因数等因素有关;  
&&& (3) igbt的开关频率fpwm,这主要根据系统设计需求而定,尽可能选择留有一定余量的  
&&& (4)在应用时必须注意ipm的最小死区时间tdead,软件设计中死区时间不能小于最小死区时间除了上述主要参数以外,还有其他一些参数也需要考虑,如igbt的最大结温tj等,为了igbt的长时间正常工作,必须使ipm有良好的散热条件, 如通过散热器和强冷风扇散热等。ipm模块参数的选择,主要依赖于具体的应用系统, 只有正确选择ipm模块和相关的元器件,才能设计出可靠的系统。
&&& 4 单电源ipm模块的应用  
&&& 单电源ipm模块应用非常广泛,尤其在中小功率变频系统中,如工业洗衣机控制用变频器,纺织机控制用储纬器,注塑机控制系统中等,家电行业应用也非常广泛,如、洗衣机、等。下面以ipm模块在小功率变频器中的实际使用情况,具体说明单电源ipm在系统中的应用。单电源ipm模块在系统中应用示意图如图4所示。
单电源ipm模块的应用系统
&&& 由于系统中使用了单电源ipm模块,即只需要给ipm模块提供一路电源,整个系统可以共一个参考地,这样可以减少用于电气隔离用的光耦,包括6路pwm驱动信号,故障检测信号。另外,电压、电流检测也可以方便地通过检测直流侧电压和n线电流,而不需要电压互感器和电流互感器,从而大大降低系统的硬件成本。  
&&& 在使用中当出现ipm保护信号时, 应当封锁六路pwm脉冲信号, 停止系统的运行, 因为有些故障可能是重复出现的,如短路故障;为了防止不必要的干扰信号, ipm的外围电路的某些布线应尽可能短, 如直流母线间的平滑滤波电容及吸收电容之间的布线,ipm内部过流检测的外部电路元件之间的布线等;当输入pwm信号断路时应能及时关闭igbt,为此将六路pwm输入信号通过接电阻和+5v电源上拉,同时为了防止输入pwm信号的波动,应当在pwm输入信号线上接滤波电容; ipm故障输出端口fo在正常时应保持为高电平, 通过电阻接+5v电源上拉。除了上述主要方面外,为了更好地保护ipm模块及整个系统的安全, 还应当设计必要辅助保护电路, 如过压、欠压检测电路,过流/过载检测等电路等,根据检测的结果, 软件应能够及时封锁六路pwm脉冲, 以达到保护整个系统的目的。
&&& 5 结束语  
&&& 在中小功率变频调速控制器中,ipm模块是较为理想的功率器件,尤其是单电源ipm模块。单电源ipm模块的使用,可以大大缩短产品开发周期,降低产品成本,进一步提高产品的可靠性和市场竞争力。2下一页
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变频器CPU主板电路之二79
变频器CPU主板电路之二;――CPU基本电路的检修;一、何谓CPU?;CPU,又称为中央处理器,内部一般由运算器、控制;用于变频器控制的微控制器,又称之为“高性能微控制;出入各CPU引脚的,不外乎是一些“信号流”,有的;微控制器的集成度已经够高,它不可能无限制地将所有;微控制器的外部电路、外部框架已经搭好,但仅仅一个;微控制器――单片机技术成自动化控制技术的
变频器CPU主板电路之二――CPU基本电路的检修 一、何谓CPU?CPU,又称为中央处理器,内部一般由运算器、控制器、内存储器、输入/输入设备及接口电路及总线组成,但随技术的进步和更新,其功能和结构均在不断扩充中――将原来CPU外围的电路也集成于器件内部。将其硬件设备扩充到一定的规模,而使之能独立完成一个较复杂的控制功能,此器件即被称为微处理器了。在微处理器家庭中,为适用于某一应用领域,在硬件构成上――有别于通用型微处理器(如80C51)――有一定的独特性,如本文特指的变频器经常采用的微处理器,具备六路PWM波输出功能,能实现特定的控制功能,又被称为微控制器,别名:单片机。因业内人士一般将变频器单片机的电路板之为CPU主板,从约定俗成和定义简洁的方面考虑,本书也将微控制器(单片机),称之为CPU了。用于变频器控制的微控制器,又称之为“高性能微控制器”,应该是有针对性开发的专用的控制芯片。它起码要有六路PWM波形成和输出电路及端口,以输出驱动电路所需的六路逆变脉冲;应有A/D转换电路,有的还要有D/A转换电路,以适应对模拟输入、输出量的处理;要有高速脉冲信号的输入、输出口和串口发送、接收引脚,以处理各种数字信号和通讯指令;应内含程序存储器和数据存储器,以存放程序和原始数据及可改写的数据;当然还要有端口驱动器、各类缓冲器等其它电路,在此不予以赘述了。出入各CPU引脚的,不外乎是一些“信号流”,有的只进不出,往而不返,如控制端子输入的开关量信号;有的只出不进,是去而不还,如控制端子上CPU输出的继电器信号等;有的是往返进入,有进有出的,如CPU与存储器,与操作显示面板之间传递的信号,此类信号是双向流通的。而所有信号,从信号性质上又可以分为两大类:数字的和模拟的。电压检测信号、调速指令信号往往是模拟的,变频器的起、停信号、键盘输入信号等,是数字(开关量)的。有些模拟信号,经过CPU外部电路处理,如经过A/D转换,才送入CPU的,有的是直接进入CPU引脚,由内部A/D电路进行处理的,采用的CPU硬件功能电路的不同,必然导致了外部电路的有异。微控制器的集成度已经够高,它不可能无限制地将所有工作运行所需的电路元件集成进去,它需要外电路的积极配合才能开展工作。有三个工作条件是微控制器所必需的,所谓CPU工作的三要素:+5V电源、工作时钟、复位信号。工作时钟的产生是由微控制器内部电路和引脚外接晶振元件组成振荡电路来生成的;复位信号是由外部复位电路在上电时产生一个低电平(或高电平)的脉冲,送入微控制器的复位引脚,由内部电路控制程序复位,进入待机状态。微控制器内部的程序存储器和数据存储器(简称内存),其容量和用途是有限制的,常需要外接存储器――电可擦除存储器,来完成一些数据存储任务(尤其是用户程序存储任务),这应该构成了微控制器正常工作的四要素。微控制器要接受用户的指令或将变频器的工作状态报知用户,需要一个人机界面――操作显示面板,与用户交流,与操作显示面板的正常通讯,成为微控制器工作的五要素。此外,微控制器各个引脚外接电路的好坏均会影响到微控制器的运行,自此微控制器工作的七要素或八要素乃至几十要素,都紧随出现。其实,依笔者看来,从微控制器(或微处理器,CPU)本身来说,三要素则是工作所必需的,无它,则微控制器即不能满足最基本的工作条件。其它原因造成微控制器不工作,是外电路的事了,并不是微控制器本身没干活呀,对吧。微控制器的外部电路、外部框架已经搭好,但仅仅一个“躯体”还不能干活,还需要一个指挥躯体运作的“灵魂”――软件控制程序。变频器的程序容量较大,一般长达数千行。微控制器的控制功能,集中于两个点上,一是对输出PWM波的控制,这一点,优质和劣质变频器可看出明显的不同,有的PMW波非常优化,有的则有些糟糕――输出力矩小运行噪声大,载波干扰也大;一是对逆变模块的状态检测和保护,这一任务是配合外电路共同完成的,也是变频器电路浓墨重彩的着笔之处。微控制器――单片机技术成自动化控制技术的一个重要技术分支,希望朋友们自己要多掌握一些相关的知识,在此不予赘述。CPU主板的故障率相对较低,约占总故障率的20%左右。故障多发生在故障检测电路和控制端子电路上。对故障检测电路的检修成为CPU主板的一个重要检修内容。故障检测电路(电压、电流检测的后续电路、温度检测电路)本身损坏时,就有点“谎报军情”故意捣乱的意思了,明明主电路是好的,却报出“输出短路”故障或输出缺相故障,明明风扇是好的,却报出过热故障等,使变频器不能投入正常运行。控制端子的故障多为用户误接入高电压,而将端子供电24V烧坏,端子输入电路开路损坏和光电耦合器的输入侧电路损坏等。CPU芯片本身的损坏率在2%以下,由于牵扯到技术封锁,内部程序不易破解。一般维修人员不具备修复芯片的相关条件,只有采购原厂家配件,或更换CPU主板,所谓“板级修理”。但对于CPU芯片的局部损坏,却可以用变通手段尝试修复。 二、CPU的基本电路的原理解析和检修: 图1 英威腾变频器G9/P9机型CPU主板电路之一:CPU的基本电路 由电源供电、晶振电路、复位电路、外存储器电路及操作面板显示电路,构成了变频器CPU主板电路――CPU工作的基本电路。复位电路由专用三端复位元件IMP809M、R188构成,上电瞬间为CPU的48脚提供一个低电平脉冲,犹如喊了一声“各就各位”的口号,实现系统清零,使程序开始运行。3、4、6、8脚外接U2(93C66)存储器,出厂时内部已经存放了用户控制程序,在调试和使用过程中,用户对某些参数要进行随时修改,以满足控制要求,修改后的参数值由U2完成存储任务。CPU与存储器相连的四个引脚均由上拉电阻接+5V。
变频器的通用机型,操作显示面板,已经作为一个独立器件,与CPU进行通讯联系。接受用户指令和传送相关监控数据。操作显示面板内含CPU、解码驱动、LDE显示器等电路,能与CPU进行双向数据传输。操作显示面板与CPU之间,RS442/RS485收发器实现通讯中转,用户操作信号由A、B差动输入端输入,由R接收器输出端送入CPU;CPU输出的数据信号由D发送器输入端进入,由Y、Z驱动器输出端进入操作显示面板。为适应新的控制要求,变频器的控制端子还设有RS485通讯口,图中U6(15176B)为RS485收发器, D,驱动器输入端,接CPU的TXD1串口发送脚;R,接收器输出端,接CPU的RXD1串口接收脚;A、B,为接收器输入、驱动器输出端;DE、DR,驱动器、接收器允许信号端,驱动器和接收器的工作状态受此二脚电平信号控制。 CPU基本电路的检修:CPU(单片机芯片)本身的故障率是极低的,除遭遇异常情况如变频器引入雷击造成的损坏外,本身的电气故障较难碰到。CPU的损坏,因内含运行程序,厂家又出于技术保密的原因,尽最大能地采取了一些保密措施,要将程序解密重新对芯片进行重新拷贝是困难的,一般维修人员不具备此种技术手段,这其中是否也牵扯到知识产权的问题。因而损坏后,需购用厂家提供的已拷贝好程序的芯片,或从同型号线路板上拆换,或干脆换用CPU主板。对CPU基本电路的检查,其主要内容是对其工作三要素等工作条件的检查,和故障修复。CPU基本电路(三要素电路)的故障,其典型特征是:上电后在供电电源正常的情况下,操作面板无显示,或显示某一固定字符,变频器无初始化动作过程,操作显示面板所有操作失灵,类似电脑出现了不能开机和“死机”的现象。
故障实质:A、CPU工作三要素中,至少有一种要素不具备,CPU不能完成初始化操作,程序被“卡”住;B、CPU在自检过程中检测到危险故障信号存在,处于故障锁定状态中,所有操作被拒绝,这是一种“CPU主板伪故障”现象,检查和排除故障原因,则CPU“罢工”的现象也随即消失;C、由雷击或供电异常造成CPU芯片损坏。注意:遇有程序“卡死”现象,务必先行排除“CPU主板伪故障”,再对CPU的三要素等电路进行检修。重点检测OC故障报警电路,详见第四、五章的相关内容。对CPU是否已经工作或三要素电路是否正常,可先作一大致判断:1、变频器上电期间,细听充电继电器或接触器有无“啪嗒”的吸合声,若有,说明三要素电路都正常,CPU已经正常工作。变频器处于故障锁定状态;2、观察操作显示面板,一般有一个“开机字符”,呈闪烁状态,最后稳定为某一字符,有此过程,说明CPU也已进入工作状态;3、若清楚该台变频器的上电自检流程,和各脚电位状态,可配合检测相关引脚的电压变化和电平状态,来判断CPU是否处于工作中。利用操作显示面板的按键信号输入,和检测电路关键点的电压变化,判断CPU是否处于工作状态。如按动面板复位键,变频器状态信号输出继电器,可能会发出“啪嗒”的开、断声,同时驱动电路的复位信号输入脚,有相应的电平变化。说明CPU能接受复位信号输入,能将故障复位信号输出到驱动电路。说明CPU工作正常。4、判断CPU没有投入正常工作,即可对CPU的基本工作电路进行检查。对三要素电路的故障检查:1、+5V供电电源电路的检查。检查CPU的VDD、VSS、Vcc、GND等电源引脚,确认电源供电正常,+5V供电回路往往接有千微法级较大容量的滤波电容器,当其容量严重下降时,会使CPU程序运行紊乱,易进入程序“死循环”;2、对复位电路的检查。复位电路为CPU的复位脚提供一个上电期间的脉冲电压,脉冲电压的持续时间为μs级。故需低脉冲进行的复位的,其CPU复位脚静态电压应为+5V,需高电平脉冲进行复位的,其CPU复位引脚静态电压应为0V低电平。对复位电路的检测手段:a、根据CPU复位引脚需要高或低脉冲电压的要求,测量其静态电位是否正常。若静态电压异常,查CPU外接复位电路。可断开CPU的引脚,判断复位脚电压异常是复位电路故障,还是CPU复位脚内部电路损坏。b、若静态电压正常,可用人工强制复位方法判断CPU是否能正常工作。方法是:对CPU复位脚静态电压为+5V的,则用金属导线快速将复位脚与供电地短接一下,人为形成一个低电平信号输入;若复位脚静态电压为0V的,则用导线快速将复位脚与供电+5V短接一下,人为形成一个高电平信号输入。c、人为强制复位后,若CPU能正常工作――表现为操作显示面板的内容变化,可以修改参数等,说明外接复位电路故障,须更换损坏元件。对于采用专用三线端复位元件的,如无原型号元件代换,可搭接阻容元件电路应急修复;d、强制复位无效,应进一步检查晶振电路。3、对晶振电路的检查。晶振电路的外接元件较少,一般仅为两只电容和一包含各类专业文献、文学作品欣赏、外语学习资料、高等教育、行业资料、应用写作文书、生活休闲娱乐、变频器CPU主板电路之二79等内容。 
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印花单元专用变频器总体设计方案设计
印花单元专用总体设计方案设计的印花单元专用变频器采用DIP-IPM,再配以DSP控制板和相应的软件,构成了一套较完备的印花单元专用变频器。平网印花机刮印单元专用变频器方案简图。之所以称其为专用变频器有两个含义:其一,与通用变频器相比功能较少;其二,具有通用变频器没有的一些特殊要求。其中主控制器采用TI公司生产的DSP运动控制芯片TMS320LF2407A,系统主要由控制面板、CAN总线、逆变部分、主控制单元、反馈接口电路等组成。  控制面板接口电路的设计通过对平网印花机印花工艺要求的分析,确定用14个按键完成印花单元参数的确定,4位LED显示印花工艺参数。控制面板以单片机89C52为核心进行控制。按键输入和LED显示控制是由Intel公司的专用可编程接口器件实现。系统所用通讯作者:李鹏飞(1962-),男,江苏省靖江市人,西安工程科技学院副教授。E-mail:按键通过89C52处理,不但可以设定初始刮印速度、刮印行程、刮印次数等参数,而且可以在线改变这些参数,如速度、次数以及刮印行程等。通过面板可以设定印花单元是单机运行还是联机运行,还可以单独起停变频器。所有这些功能极大的方便了现场工人的操作使用。  控制面板和主控制板通过RS232C标准串行口进行通信。TMS320LF2407A内部具有串行通信的模块,此模块可以工作在半双工和全双工模式,可以通过一个16位的可编程的寄存器设置65000种速度。  系统采用的是全双工通讯,串行通讯的速率9600B/s.采用此种方式的通信使控制面板和主控制板的接线更加简单、方便。  CAN总线的设计平网印花机系统最多有18台印花单元,每个印花单元负责一种颜色的刮印。由中央控制单元PLC统一指挥。因此,每个印花单元都必须将其工作状态及刮印参数如刮刀刮印的次数、速度、行程等信号传递到上位机;同时每个印花单元能接受来自上位机的控制信号,执行刮印命令;还可以通过上位机修改印花单元上的参数。这些信息的传递通过现场总线完成。TMS320LF2407A中集成的CAN控制器使印花单元具有了现场总线通信功能,不用增加任何硬件就可以使多套印花单元和中央控制PLC一起构成现场总线控制网络。这样的设计可以非常方便完成印花机内部的数字化通信网络,并且使印花单元与主机PLC的通信速率由以前的4.8kB/s提高到1MB/s,以完成现场状态检测和控制。现场总线技术的使用不仅提高了通信能力和印花机的运行可靠性,而且能节省系统安装时的布线费用和硬件费用,更加容易对印花机进行管理和维护。  逆变器的控制设计方案,软件设计TMS320LF2407A中的事件管理器(EV)是专为电动机控制而设计的专用模块。它能够产生可调死区的各种PWM波,可通过增量式光电编码器接口测量电动机转速、转向和角位移,通过捕捉功能测量脉宽。TMS320LF2407ADSP有两个事件管理器EVA和EVB,每个事件管理器都有2个定时器,3个比较单元,3个捕捉单元,1个增量式光电编码器接口。两个事件管理器的功能和使用方法完全相同。使用其两组PWM输出中的一组(EVA),事件管理器模块的硬件电路最大限度的简化了对称空间矢量(SVPWM)波形的产生。为了获得SVPWM波形输出,在软件上只需做以下工作(1)配置全比较动作控制寄存器(ACTR)定义会比较输出引脚的极性。  (2)配置比较控制寄存器(COMCON)比较操作和空间矢量模式,使空间矢量PWM模式自动设置所有的全比较输出引脚为PWM输出,并设置会比较动作控制寄存器(ACTR)的重载条件为下溢。  (3)通用定时器(GPT1)设置为连续加/减计数模式并可进行启动操作。  驱动电路设计TMS320LF2407A的事件管理模块(EVA)不经过光电隔离可以直接驱动逆变器模块,从而可以省略6套光电隔离电路。由于现场使用的电机是1.5kW的交流异步电机,所以采用三菱公司的第五代智能功率模块(PS21865)作为印花单元的逆变部分。此模块具有短路保护和控制电源欠电压保护功能,它的故障输出FO直接送到DSP的功率驱动保护中断端PDPINT,使其六路PWM输出变成高阻态。逆变模块的六路驱动输入口内部接有2.5kΨ的下拉电阻。采用高有效驱动逻辑,DSP的六路输出高电平时逆变模块相应的开关导通;输出低电平或者高阻态时,逆变模块相应的开关关断。此种设计使印花单元比传统逆变部分的硬件更加简化,而且响应的速度快,模块内部的保护硬件使逆变部分的可靠性大大提高。  速度控制刮印单元专用变频器可以驱动1.5kW的异步电机,采用普通的V/F控制模式,载波频率达5kHz.系统工作频率从15Hz到80Hz.来自光电编码器的输入直接送到TMS320LF2407的QEP1/2引脚,提供所需要的速度反馈和位置反馈信号。刮印刮刀行程采用光电编码器计量。由于印花单元刮刀有着特殊工艺要求,刮刀在刮印的时,每次从操作侧到非操作侧或从非操作侧到操作侧都要经过一次刮刀换向。为了保证顺利的完成刮刀换向,在设计时必须保证刮刀在每次换向前保持恒定的低速。换向完毕后,刮刀应迅速以面板设定的速度匀速刮印,故要求刮刀的速度有很好的可控性。由于设计的系统是用TMS320LF2407A直接控制逆变模块,其响应时间比传统的印花单元大大提高,从而可以提高调速的快速性,保证刮刀以恒定的速度换向、印花。  定位控制与实验衡量印花单元的优劣,定位的准确性是其最主要的指标之一。为提高定位控制精度,在位置控制采用闭环控制,采用光电编码器进行位置检测,每转发出200个脉冲。通过控制面板确定好刮刀在操作侧和非操作侧的停止位置后,并将它们保存。当刮刀开始刮印后,将刮刀当前的位置值和刮刀的定位值在线比较,当差值小于某个数时,电机开始减速,直到刮刀停止在设定值。针对不同的刮印速度,电机开始减速的位置不同,所以电机开始减速的位置值应该通过试验来确定。经过在实验室多次的试验,刮刀的定位完全达到了印花的要求。实验室使用证明,刮印单元专用变频器运行可靠,控制自如。  设计的逆变器系统充分利用了日本三菱电机公司的第五代智能化IGBT模块IPM的高度集成以及内部具有的驱动和保护功能;将DSP控制电路与IPM的控制电路集中在同一块板上实现,简化了电路设计。使得整个装置体积大大减小,提高了系统的性能及可靠性,降低了系统成本,从而使平网印花机印花单元装置更易实现。  
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