基于STM32的三相交流異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)的設計

王 玲，孫冬冬，范遵濤

山東科技大學，山東青島 266590

基于STM32的三相交流異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)的設計

王 玲，孫冬冬，范遵濤

山東科技大學，山東青島 266590

本文簡單介紹了三相交流異步電動機的調(diào)速方法。其中，著重分析了變頻調(diào)速這一重要方法的原理，介紹了交-直-交變頻器的基本結(jié)構(gòu)。實現(xiàn)了基于STM32微控制器控制的三相交流異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)的設計，采用IR2130作為逆變電路驅(qū)動芯片控制6個全控型電力電子器件，本文選用了性能更為優(yōu)越的絕緣柵雙極性晶體管IGBT作為開關(guān)管。利用STM32定時器的輸入捕獲輸出比較通道生成頻率占空比可調(diào)的PWM控制逆變電路開關(guān)管的開斷，從來實現(xiàn)電動機的變頻調(diào)速。

STM32；變頻調(diào)速；IR2130；交流異步電機；PWM

三相交流異步電動機在我們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活中應用十分廣泛。因此，如何簡單有效的實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的控制變得尤為重要。傳統(tǒng)的電機調(diào)速方法采用模擬控制，電路比較復雜，不易控制，而且容易受外界干擾，穩(wěn)定性較差。因此，數(shù)字控制憑借著它電路簡單，較易控制，可靠性強的優(yōu)越性，在生產(chǎn)生活中的應用越來越廣泛。本文選用STM32單片機作為微控制器，選擇IR2130芯片控制逆變電路。STM32有高級定時器可以產(chǎn)生六路互補的PWM，還可以插入硬件死區(qū)，用來控制三相電機十分方便，同時IR2130具有六路輸進信號和六路輸出信號，且只需一個供電電源即可驅(qū)動三相橋式逆變電路的6個功率開關(guān)器件，一片IR2130可替換3片IR2110，使整個驅(qū)動電路更加簡單可靠?；谒x芯片的以上優(yōu)點，設計出數(shù)字控制的三相交流異步電動機的變頻調(diào)速系統(tǒng)具有傳統(tǒng)模擬控制方法無法比擬的優(yōu)點，總體性能也高于其他集成芯片所組成的數(shù)字控制系統(tǒng)，可以推廣應用。

1 三相異步電動機的調(diào)速方法

由于異步電動機的轉(zhuǎn)速為，公式中為電源頻率；為定子繞組的極對數(shù)；為電動機的轉(zhuǎn)差率。由公式可以看出，要想調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速，可以從改變以上3個影響因素來實現(xiàn)。

1.1變極調(diào)速

保證電源頻率不變，改變異步電動機定子繞組的極對數(shù)，從而改變旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，此種方法的轉(zhuǎn)子一般為籠型，無法實現(xiàn)平滑調(diào)速。

1.2改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速

改變轉(zhuǎn)差率采用轉(zhuǎn)子外加電阻的方法。

1.3變頻調(diào)速

電源頻率變化時，異步電動機的同步轉(zhuǎn)速會隨之變化，進而引起轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化，可以實現(xiàn)連續(xù)、平滑地調(diào)速。

1.4交—直—交變頻器的基本結(jié)構(gòu)

變頻調(diào)速的關(guān)鍵是改變電源頻率的同時保證電機的磁通量不變，因而也要調(diào)節(jié)輸出電壓，使電壓和頻率均可變且二者比例為常數(shù)的裝置為變頻器。交-直-交變頻器的主電路包括整流和逆變兩部分。整流電路把來自交流電網(wǎng)的交流電變成直流，經(jīng)電容或電感濾波，再由逆變電路將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，供給三相負載。變頻器原理圖如圖1所示。

圖1

2 脈沖寬度調(diào)制技術(shù)

PWM技術(shù)是通過控制半導體開關(guān)器件的導通與關(guān)斷，把直流電壓變?yōu)橐幌盗蟹迪嗟榷鴮挾炔幌嗟鹊拿}沖，按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度和脈沖序列周期進行調(diào)制，從而控制逆變器的輸出電壓和頻率，使?jié)M足變頻調(diào)速對U/f協(xié)調(diào)控制的要求。本文實現(xiàn)了基于STM32控制六路PWM輸出，IR2130作為逆變電路驅(qū)動芯片控制半導體開關(guān)器件的導通與關(guān)斷，從來實現(xiàn)電動機的變頻調(diào)速。

3 變頻調(diào)速系統(tǒng)的設計

3.1STM32及IR2130芯片簡介

STM32具有2個16位的6通道高級控制定時器，高級定時器TIM1是由一個16位的自動裝載計數(shù)器組成，它由一個可編程預分頻器驅(qū)動。IR2130是600V以下高壓集成驅(qū)動器件，它具有6路輸進信號和六路輸出信號。

3.2系統(tǒng)工作原理

對TIM1定時器進行控制，使通道1、通道2和通道3輸出6路插入死區(qū)的互補PWM輸出配置TIM1_CCER寄存器中的CCxP和CCxNP位，可以為每一個輸出獨立地選擇極性，同時設置CCxE和CCxNE位將插入死區(qū)。

以通道1為例講解如何對TIM1定時器進行控制，PWM輸出脈沖周期就為重載寄存器TIM1_ARR存儲的數(shù)值A加一再乘以觸發(fā)脈沖的時鐘周期，觸發(fā)脈沖的時鐘周期可以通過預分頻器來設置，PWM脈沖寬度則為比較寄存器TIM1_CCR的值B乘以觸發(fā)脈沖的時鐘周期，即輸出PWM的占空比為B/（A+1）。

計數(shù)器寄存器TIM1_CNT的當前計數(shù)值數(shù)值M在觸發(fā)脈沖的驅(qū)動下累加，當TIM1_CNT的數(shù)值M大于A時，TIM1_CNT的值為置為0重新計數(shù)。而在TIM1_CNT計數(shù)的同時，計數(shù)值M會與比較寄存器預先存儲的數(shù)值B進行比較，當M小于B時，輸出低電平（或高電平），相反地，當M大于或等于B時，輸出高電平（或低電平）。以上過程便可以實現(xiàn)兩路互補PWM輸出脈沖的頻率和占空比的控制。

利用轉(zhuǎn)速傳感器將電動機的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成矩形脈沖信號反饋到STM32單片機，單片機可以根據(jù)電動機的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)實時控制。通過光電隔離和電壓保護電路實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

4 結(jié)論

基于STM32微控制器控制的三相交流異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)，可以通過控制PWM輸出脈沖的頻率和占空比，實現(xiàn)對電動機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

［1］湯蘊璆.電機學［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2014.

［2］王旭光，房緒鵬.電力電子技術(shù)［M］.東營：中國石油大學出版社，2009.

TM3

A

1674-6708（2016）167-0105-01

王玲，山東科技大學。孫冬冬，山東科技大學。范遵濤，山東科技大學。