基于STM32的智能離散變頻大轉(zhuǎn)矩軟起動(dòng)技術(shù)

羅 昊，姜吉順，劉 冰，袁蓮玉

(山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博 255049)

?

基于STM32的智能離散變頻大轉(zhuǎn)矩軟起動(dòng)技術(shù)

羅 昊，姜吉順，劉 冰，袁蓮玉

(山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博 255049)

利用離散變頻技術(shù)，以STM32單片機(jī)作為主控制芯片，提出了異步電機(jī)大轉(zhuǎn)矩軟啟動(dòng)方案.給出了軟啟動(dòng)的類型、系統(tǒng)的控制策略和硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)帶負(fù)載、重載場合下電動(dòng)機(jī)的平穩(wěn)起動(dòng).仿真結(jié)果表明，該方案是有效可行的.

離散變頻；STM32；異步電動(dòng)機(jī)；軟起動(dòng)；晶閘管

三相交流異步電機(jī)其運(yùn)行穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、制作方便等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)中的各個(gè)領(lǐng)域，但當(dāng)電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)時(shí)，會高于額定電流4～7倍的起動(dòng)電流[1]，嚴(yán)重沖擊電網(wǎng)，降低供電質(zhì)量，并影響其他設(shè)備運(yùn)行.隨著電力電子學(xué)科的快速發(fā)展，開始采用晶閘管移相觸發(fā)降壓軟起動(dòng)，克服了電機(jī)啟動(dòng)電流大的弊端， 具有起動(dòng)電流小、無極調(diào)壓等優(yōu)點(diǎn)，但是起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，一般只適用于空載或輕載起動(dòng)的場合，不適用帶負(fù)載、重載場合[2]，本文提出離散變頻軟啟動(dòng)方法，既能降低啟動(dòng)電流、減小對電網(wǎng)的沖擊，又能較大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)電機(jī)帶載、重載的啟動(dòng)控制.

1 軟啟動(dòng)原理

1.1 離散變頻軟起動(dòng)控制策略

離散變頻是使軟起動(dòng)器輸出電壓的頻率從一個(gè)較低的頻率值開始，分級上升到 50 Hz.離散變頻不能使頻率連續(xù)地變化，只能分級變化，而且各級頻率均為50/k Hz，分頻用 6.25Hz，10Hz，12.5Hz，16.7Hz，25Hz，50Hz.由電網(wǎng)提供的工頻電源，可產(chǎn)生各級子頻率系統(tǒng)，工頻ωnet與離散子頻率ωsub的關(guān)系為ωnet=kωsub.取不同整數(shù)k，可得到對稱正、負(fù)序和不對稱正、負(fù)序離散序列，見表1.

在分級變頻軟起動(dòng)中，頻率不是由低到高連續(xù)可調(diào)的，而是按照整數(shù)倍分頻來調(diào)節(jié)的.分頻次數(shù)υ可表示為

(1)

表1 三相離散變頻序列

k2345678…f/Hz2516.712.5108.337.156.25…相序?qū)ΨQ負(fù)序不對稱對稱負(fù)序?qū)ΨQ負(fù)序不對稱對稱負(fù)序?qū)ΨQ負(fù)序…

選擇頻率等級按照如下思路：

l) 盡量選擇正序的分頻次數(shù)，如1、4、7、10等分頻次數(shù).

2) 頻率級差不要太大，特別是在高頻的時(shí)候尤其如此，如2、3分頻.

3) 應(yīng)盡量選擇相位、幅值及時(shí)間軸上的波形均平衡的分頻次數(shù).

在進(jìn)行觸發(fā)控制時(shí)發(fā)現(xiàn)： 偶數(shù)次分頻其波形在時(shí)間軸是上不平衡的，而奇數(shù)次分頻時(shí)不僅能做到相位和幅值的平衡，其波形在時(shí)間軸上也是平衡的，所以奇次分頻更值得選擇.在低頻段如正相序13分頻(3.84Hz)、10分頻(5HZ)、7分頻(7.14Hz)就合乎要求，且各頻率等級之間頻率相差不大；在高頻段，由于處于關(guān)鍵頻段，則不可避免地要采用不能完全平衡的分頻如4分(12.5Hz)，或者完全不平衡的分頻如3分頻(16.67Hz)和負(fù)相序如2分頻(25Hz)，而且這幾個(gè)頻率等級之間頻率差是比較大的[2].

下文討論2、3、4和7分頻時(shí)的情況.

1.1.1 2分頻狀態(tài)

以此種情況討論晶閘管的觸發(fā)情況，如圖1所示，相交的部分即陰影部分就是導(dǎo)通的區(qū)間，這樣就能夠確定A、B、C三相各自的觸發(fā)策略.

圖1 2分頻晶閘管觸發(fā)原理

分頻前三相相電壓為普通三相平衡電源，即

(2)

設(shè)分頻后A相電壓與分頻前對應(yīng)a相電壓同相位，2分頻后的波形為

(3)

對A相導(dǎo)通區(qū)間：正半周[0，0.01]，負(fù)半周[0.03，0.04]；同理可得B相導(dǎo)通區(qū)間為：正半周[0.026667，0.036667]，負(fù)半周[0，0.006667]、[0.036667，0.04]；C相導(dǎo)通區(qū)間為正半周[0，0.003333]、[0.033333，0.04]，負(fù)半周[0.023333，0.033333].

k分頻后，頻率為ω1/k，電壓基波幅值為αkum， 因此k分頻下電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為

(4)

(5)

當(dāng)λ=1時(shí)，Tst*=0.4132Tst.

當(dāng)λ=3時(shí)，Tst*=0.7946Tst.

當(dāng)λ→∞時(shí)，Tst*=1.033Tst.

可以看出，2分頻時(shí)，當(dāng)λ=1時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst*是全壓起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)矩的0.4132倍，這個(gè)值是最小的；隨著λ增大，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩迅速增大，當(dāng)λ→∞時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩達(dá)到全壓起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)矩的1.033倍，達(dá)到最大值.

1.1.2 3分頻狀態(tài)

3分頻后的波形為

(6)

晶閘管觸發(fā)策略如圖2所示.

圖2 3分頻晶閘管觸發(fā)原理

對A相導(dǎo)通區(qū)間：正半周[0，0.01] 、[0.02，0.03]，負(fù)半周[0.03，0.04] 、[0.05，0.06]；同理可得B相導(dǎo)通區(qū)間為：正半周[0.026667，0.036667]，負(fù)半周[0，0.006667]、[0.056667，0.06]；C相導(dǎo)通區(qū)間為正半周[0，0.003333]、[0.053333，0.06]，負(fù)半周[0.023333，0.033333].

當(dāng)λ=1時(shí)，Tst*=0.8196Tst.

當(dāng)λ=3時(shí)，Tst*=2.2767Tst.

當(dāng)λ→∞時(shí)，Tst*=4.098Tst.

可以看出，3分頻時(shí)，當(dāng)λ=1時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst*是全壓起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)矩的0.8196倍，這個(gè)值是最小的；隨著λ增大，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩迅速增大，當(dāng)λ→∞時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩達(dá)到全壓起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)矩的4.098倍，達(dá)到最大值.

1.1.3 4分頻狀態(tài)

4分頻后的波形為

(7)

晶閘管觸發(fā)策略如圖3所示.

圖3 4分頻晶閘管觸發(fā)原理

對A相導(dǎo)通區(qū)間：正半周[0，0.01] 、[0.02，0.03]，負(fù)半周[0.05，0.06] 、[0.07，0.08]；同理可得B相導(dǎo)通區(qū)間為：正半周[0.026667，0.036667] 、[0.046667，0.056667]，負(fù)半周[0，0.006667]、[0.016667，0.026667] 、[0.076667，0.08]；C相導(dǎo)通區(qū)間為正半周[0，0.003333]、[0.053333，0.06333] 、[0.076667，0.08]，負(fù)半周[0.023333，0.033333] 、[0.04333，0.05333].

當(dāng)λ=1時(shí)，Tst*=1.2657Tst.

當(dāng)λ=3時(shí)，Tst*=4.3034Tst.

當(dāng)λ→∞時(shí)，Tst*=10.7584Tst.

可以看出，4分頻時(shí)，當(dāng)λ=1時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst*是全壓起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)矩的1.2657倍，這個(gè)值是最小的；隨著λ增大，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩迅速增大，當(dāng)λ→∞時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩達(dá)到全壓起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)矩的10.7584倍，達(dá)到最大值.

1.1.4 7分頻狀態(tài)

7分頻后的波形為

(8)

晶閘管觸發(fā)策略如圖4所示.

圖4 7分頻晶閘管觸發(fā)原理

對A相導(dǎo)通區(qū)間：正半周[0，0.01] 、[0.02，0.03] 、[0.04，0.05] 、[0.06，0.07]，負(fù)半周[0.07，0.08] 、[0.09，0.10] 、[0.11，0.12] 、[0.13，0.14]；同理可得B相導(dǎo)通區(qū)間為：正半周[0.046667，0.056667] 、[0.066667，0.076667] 、[0.086667，0.096667] 、[0.106667，0.116667]，負(fù)半周[0，0.006667]、[0.016667，0.026667] 、[0.036667，0.046667] 、[0.116667，0.126667] 、[0.136667，0.14]；C相導(dǎo)通區(qū)間為正半周[0，0.003333]、[0.013333，0.023333] 、[0.093333，0.103333] 、[0.113333，0.123333] 、[0.133333，0.14]，負(fù)半周[0.023333，0.033333] 、[0.043333，0.053333] 、[0.63333，0.073333] 、[0.83333，0.093333].

當(dāng)λ=1時(shí)，Tst*=2.27Tst.

當(dāng)λ=3時(shí)，Tst*=9.78Tst.

當(dāng)λ→∞時(shí)，Tst*=56.76Tst.

可以看出，7分頻時(shí)，當(dāng)λ=1時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst*是全壓起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)矩的2.27倍，值是最小的；隨著λ增大，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩迅速增大，當(dāng)λ→∞時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩達(dá)到全壓起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)矩的56.76倍，達(dá)最大值.

將頻率由低到高，即分頻次數(shù)由高到低順序起動(dòng)，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩列成一個(gè)表，見表2.

表2 分頻啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩

Tst*/Tst7432λ=12.271.26570.81960.4132λ=39.784.30342.27670.7946λ→∞56.7610.75844.0981.033

由表2可知，分頻次數(shù)相同時(shí)，λ值越大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩越大；頻率越高轉(zhuǎn)矩越小，分頻次數(shù)越高即頻率越低時(shí)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩越大.這個(gè)結(jié)論是電機(jī)低頻低速啟動(dòng)獲得大轉(zhuǎn)矩的理論依據(jù).從異步電動(dòng)機(jī)帶負(fù)載，采用三級離散變頻軟起動(dòng)分別從f/7→f/4→f，電動(dòng)機(jī)具有一定的轉(zhuǎn)速，也就是轉(zhuǎn)差率S<1，然后進(jìn)入基波電壓斜坡軟起動(dòng)或電流限流起動(dòng)控制方式，采用離散變頻和電壓斜坡、電流限流相結(jié)合的軟啟動(dòng)方式可以實(shí)現(xiàn)較好的大轉(zhuǎn)矩平滑的起動(dòng)控制方式.

1.2 轉(zhuǎn)差率S<1電壓斜坡軟起動(dòng)控制策略

離散變頻軟起動(dòng)后具有一定的轉(zhuǎn)速，然后進(jìn)入基頻電壓斜坡起動(dòng)方式，輸出電壓由小到大逐漸增大，通過控制晶閘管導(dǎo)通角，將有級調(diào)壓起動(dòng)變?yōu)闊o級調(diào)壓起動(dòng)，用于帶有大負(fù)載起動(dòng).為避免電流沖擊和轉(zhuǎn)矩沖擊，經(jīng)過離散變頻后基頻啟動(dòng)初始電壓Ust應(yīng)取為 50%～75%UN[3].電壓斜坡軟起動(dòng)控制，首先實(shí)驗(yàn)測出額定電壓UN和初始電壓Ust時(shí)晶閘管的觸發(fā)角αN和αst，按照步長來改變觸發(fā)角α，則每步距對應(yīng)的α的變化量為

(9)

則控制移相觸發(fā)角的表達(dá)式為

(10)

式中： t1為起動(dòng)時(shí)間，h為步距，αi-1、αi為第i-1次和第i次的晶閘管觸發(fā)角.

1.3 轉(zhuǎn)差率S<1恒流軟起動(dòng)控制策略

離散變頻軟起動(dòng)后具有一定的轉(zhuǎn)速，然后進(jìn)入基頻電流恒流軟起動(dòng)方式，恒流限流值一般選為(2～4)IN.電動(dòng)機(jī)進(jìn)入基頻電流限流起動(dòng)時(shí)，通過測量電流有效值的大小并與設(shè)定的恒流值比較，偏差送入增量式PI調(diào)解器，通過PI調(diào)解器改變晶閘管觸發(fā)角的大小，保證在電動(dòng)機(jī)端電壓不斷升高的同時(shí)限制起動(dòng)電流在限定范圍內(nèi)直到起動(dòng)結(jié)束.晶閘管觸發(fā)角與起動(dòng)電流間的函數(shù)表達(dá)式為

αi=αi-1-Δα=

αi-1-KP(ei-ei-1)-KIei

(11)

式中：ei-1、ei為第i-1次和第i次的起動(dòng)電流偏差；αi-1、αi為第i-1次和第i次的晶閘管觸發(fā)角；Δα為晶閘管觸發(fā)角的增量.

1.4 電壓電流的測量原理

在一個(gè)周期T內(nèi)等間隔對u(t)、i(t)作N=200次同步采樣，對其有效值采用矩形積分算法，計(jì)算公式的離散表達(dá)式如下所示[4].

電壓有效值：

(12)

電流有效值：

(13)

把取樣后的交流電壓和交流電流信號，連接到STM32F103RCT6單片機(jī)的AD1和AD2輸入端，實(shí)現(xiàn)對電壓、電流的測量.

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

電動(dòng)機(jī)智能軟啟動(dòng)系統(tǒng)的系統(tǒng)硬件原理框圖如圖5所示.軟起動(dòng)控制系統(tǒng)的原理把電流、電壓信號經(jīng)過霍爾傳感器的采集轉(zhuǎn)化成STM32單片機(jī)可以接收的信號，接入單片機(jī)自帶的AD接口，然后單片機(jī)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，再與需求設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行比較，得到偏差值，經(jīng)過編寫的數(shù)字PID程序進(jìn)行處理，得到用于輸出的控制量，也就是可調(diào)占空比的脈沖信號，再經(jīng)過光電隔離、施密特觸發(fā)器、電壓跟隨器得到一個(gè)和控制量相對應(yīng)的PWM控制信號，來控制晶閘管的觸發(fā)角，進(jìn)而控制電機(jī)電路中的反并聯(lián)的晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間，實(shí)現(xiàn)離散變頻大轉(zhuǎn)矩不同方式的軟起動(dòng)控制[5].

圖5 控制系統(tǒng)主框圖

系統(tǒng)使用的是STM32增強(qiáng)型系列單片機(jī)，其具有32位的RISC內(nèi)核，在內(nèi)部集成了高速存儲器，72MHz的工作頻率可通過預(yù)分頻器進(jìn)行分配得到想要的頻率，具有豐富I/O 控制端口用于連接外設(shè)，并且還有兩條APB總線，所有型號的STM32都包含2個(gè)依次逼近型的12位的ADC、兩個(gè)PWM定時(shí)器和四個(gè)通用16位定時(shí)器，具有先進(jìn)的通信接口：兩個(gè)I2C 接口、兩個(gè)I2S 接口、三個(gè)SPI接口、五個(gè)USART接口、一個(gè)SDIO接口、一個(gè)CAN接口和一個(gè)USB接口.2.0V至3.6V就是它的供電電壓，具有省電模式，可以達(dá)到低功耗應(yīng)用要求.電壓檢測電路采用電壓霍爾傳感器輸出電壓信號接到單片機(jī)中的AD1轉(zhuǎn)換輸入接口；電流檢測電路采用電流霍爾傳感器經(jīng)過電壓變換后接入單片機(jī)的AD2通道實(shí)現(xiàn)電壓電流取樣.PWM經(jīng)過光電隔離器輸出觸發(fā)脈沖觸發(fā)晶閘管，為提高可靠性，采用雙脈沖觸發(fā)形式，由六個(gè)晶體管進(jìn)行脈沖放大，即構(gòu)成觸發(fā)脈沖調(diào)制電路，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單可靠.

3 結(jié)論

異步電動(dòng)機(jī)帶恒定負(fù)載，采用三級離散變頻f/7→f/4→f進(jìn)行仿真，50Hz運(yùn)行分別采用電壓斜坡軟啟動(dòng)和恒流軟啟動(dòng)，帶離散變頻軟起動(dòng)性能曲線如圖6、圖7所示.由圖6、7看出，在電機(jī)起動(dòng)過程中，采用適當(dāng)分級變頻控制，能夠做到起動(dòng)電流小、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大.

圖6 7分頻、4分頻、電壓斜坡控制組合軟啟動(dòng)電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩仿真曲線

圖7 7分頻、4分頻、恒流控制組合軟啟動(dòng)電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩仿真曲線

仿真結(jié)果表明，以STM32單片機(jī)核心的智能離散變頻具有大轉(zhuǎn)矩軟起動(dòng)的特點(diǎn)，克服了異步電機(jī)軟起動(dòng)器起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小的缺點(diǎn)，采用離散變頻和電壓斜坡、電流限流相結(jié)合的軟啟動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)較好的大轉(zhuǎn)矩平滑的起動(dòng)控制，解決了電動(dòng)機(jī)在帶負(fù)載、重載場合下的起動(dòng)問題，并能有效減小電流沖擊.

[1]朱千鋒.單片機(jī)的電機(jī)保護(hù)與軟起動(dòng)控制[J].電子測試，2014(4)：39-40.

[2]胡紅明. 低速大轉(zhuǎn)矩異步電機(jī)軟起動(dòng)研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2010.

[3]貝學(xué)威. 異步電機(jī)軟起動(dòng)器設(shè)計(jì)與仿真[D]. 武漢：中國艦船研究院，2013.

[4]姜吉順，鄭連鋒，羅昊，等．單相電能消耗計(jì)量裝置設(shè)計(jì)[J].山東理工大學(xué)學(xué)報(bào)2015，29(5)：49-52.

[5]張康. 異步電機(jī)矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)研究[D].蘭州：蘭州交通大學(xué)，2013.

(編輯：劉寶江)

Technology of intelligent discrete variable frequency method for high torques soft-starter based on STM32

LUO Hao, JIANG Ji-shun, LIU Bing, YUAN Lian-yu

(School of Electrical and Electronic Engineering,Shandong University of Technology, Zibo 255049, China)

By adopting STM32 as the main-control chip, we propose high torques soft-start scheme. By using the discrete variable frequency method, we realize the asynchronous motor starts smoothly with load or heavy load. The types of soft-start, the control strategy, and the system hardware design are given in this paper. The simulation results show that this scheme is effective and feasible.

discrete variable frequency; STM32; asynchronous motor; soft start; thyristor

2016-03-16

羅昊, 男, 2289309851@qq.com； 通信作者：姜吉順，男, jandj8@sina.com

1672-6197(2017)01-0071-05

TM343

A