基于STM32的交流异步电机变频控制实验装置设计

宋林桂

（苏州健雄职业技术学院，江苏 苏州 215411）

基于STM32的交流异步电机变频控制实验装置设计

宋林桂

（苏州健雄职业技术学院，江苏 苏州 215411）

文章提出一种基于STM32的交流异步电机控制实验装置的设计方法，通过嵌入式微控制器STM32的PWM输出模式控制输出SVPWM波形，三相SVPWM互补信号给三相逆变IPM模块，三相逆变IPM模块输出交流电控制交流异步电机的运转。实验结果证明，本方案可以实现交流异步电机的启动、停止、调速和电机过流保护。

STM32；SVPWM；IPM模块；交流异步电机

在“工业4.0”浪潮下，中国制造业面临转型升级关键时期，变频器及自动化产业将在从“中国制造”向“中国智造”的转变过程中发挥巨大作用。电机是我国主要的工业能耗设备，随着我国工业节能的提速，变频器产业会快速地发展下去。变频器作为电机调速节能主要设备，使得电动机及其拖动负载在无需任何改动的情况下即可以按照要求调整转速输出，从而降低电气控制系统功耗，达到系统高效运行的目的[1]。

1 系统总体设计

微控制器STM32是控制装置的大脑，负责产生SVPWM波形给三相逆变电路，三相逆变电路输出三相交流电给交流异步电机。为了防止电路故障和保护电机，增加了电机电流检测电路，当电流超过正常值时微控制器停止输出SVPWM波形。按键控制电路输入给微控制器，微控制器输出不同的SVPWM波形来控制电机的启动、停止、调速、正反转。状态指示灯指示电动机的状态。

图1 系统框

2 系统硬件设计

2.1 STM32单片机最小系统

STM32单片机最小系统像其他单片机最小系统一样，包括电源电路、晶振电路、复位电路和MCU。本设计微控制器使STM32F103VCT6，STM32F103VCT6是意法半导体推出增强型STM32系列微控制器，STM32是Cortex-M3内核32位ARM，STM32具有低功耗、低成本、高速度、高性能等优点。STM32内部集成了多路ADC、多路PWM等外设资源，现在占据工业控制领域很大的市场。

2.2 三相逆变IPM模块介绍

智能功率模块（Intelligent Power Module，IPM）是一种先进的功率开关器件，IPM内部集成了逻辑、控制、检测和保护电路。IPM模块使用方便，不仅减小了系统的体积，缩短了开发周期，也增强了系统的稳定。IPM模块符合当今功率器件的发展要求，在功率电子领域得到了越来越广泛的应用。IPM模块的保护作用有控制电源欠压锁定保护、温度过热保护、负载过流和短路保护，当其中任一种保护动作时，IPM模块的FO引脚将输出故障信号。故障信号输出低电平，通过高速光耦到达微控制器电路，微控制器停止PWM输出，从而达到保护IPM模块和电机负载的目的。本设计IPM模块使用PM20CTM060模块，PM20CTM060模块内有6路IGBT，每一相输出电路有上下两个IGBT构成，PM20CTM060模块供电实验供电电压是直流72 V，STM32微控制器通过光耦隔离输出6路PWM给IPM模块，每一时刻每一相输出上下的IGBT只有一个导通，每一时刻有3个IGBT导通，6个IGBT中的3个IGBT有序地导通实现直流电转换成三相交流电。

2.3 电流检测电路

在IPM模块的U，V输出电路中直接串接MΩ级的电流采样电阻，将输出电流信号由采样电阻转化为MV级电压信号，采样电阻两端连接A7840芯片的输入端，由A7840进行光电隔离和线性传输，再经运放芯片进行差分放大后，送给微控制器的ADC模块，微控制器经过运算得到输出电流的大小。线性光耦器件A7840的输入侧和输出侧的典型供电为5 V，内部输入电路有放大作用，且输入电阻较大，能不失真传输MV级交直流信号，最大输入电压320 MV。输出的信号是差分信号，输出信号作为后级运算放大器差分输入信号。

3 系统的软件设计

3.1 STM32的PWM波形产生原理

STM32的高级定时器和通用定时器都可以用来产生PWM输出，高级定时器TIM1和TIM8可以同时产生7路的PWM信号，而通用定时器也能同时产生多达4路的PWM信号，STM32最多可以同时产生30路PWM输出。STM32的定时器比较寄存器的值除以自动重装载值即为占空比，占空比在0%～100%，所以定时器比较寄存器的值小于自动重装载值，否则会引起PWM的频率或占空比的准确性。STM32的4个捕获/比较寄存器（TIMX_CCR1～4），对应4个通道CH1～CH4设置PWM占空比。本设计使用高级定时器TIM8，使用TIM8_CH1(PC6)，TIM8_CH2(PC7)，TIM8_CH3(PC8)和PWM互补输出端TIM8_CH1N(PA7)，TIM8_CH2N(PB0），TIM8_CH3N(PB1)。STM32的PWM互补输出为了防止三相逆变电路上下桥臂的IGBT同时导通，PWM互补输出时需设置死区时间。

3.2 SVPWM波形产生原理

由于逆变器三相桥臂共有6个开关管，为了研究各相上下桥臂不同开关组合时逆变器输出的空间电压矢量 (Sa，Sb，Sc)的全部可能组合共有8个，包括6个非零矢量 U1(001)，U2(010)，U3(011)，U4(100)，U5(101)，U6(110)和两个零矢量U0(000)，U7(111)，给出了8个基本电压空间矢量的大小和位置。其中非零矢量的幅值，相邻的矢量间隔60°，而两个零矢量幅值为零，位于中心。在每一个扇区，选择相邻的两个电压矢量以及零矢量，来合成每个扇区内的任意电压矢量。

其中，Uref为期望电压矢量；Ts为开关周期；Tx，Ty，T0分别为对应两个非零电压矢量Ux，Uy和零电压矢量U0在一个采样周期的作用时间。矢量Uref在Ts时间内所产生的积分效果值和Ux，Uy，U0分别在时间Tx，Ty，T0内产生的积分效果相加总和值相同[2]。

IPM模块三相桥臂共有6个IGBT管，每相上下桥臂不能同时导通。三相上下桥臂不同开关组合时，IPM模块输出的空间电压矢量(Sa，Sb，Sc)的组合共有8种可能，包括6个非零矢量U1(100)，U2(110)，U3(010)，U4(011)，U5(001)，U6(101)和两个零矢量U0(000)，U7(111)，8个基本电压空间矢量的大小和位置如图2所示。其中非零矢量的幅值一样大，相邻的矢量间隔60°，而两个零矢量幅值为零，位于中心。在每一个扇区的任意电压矢量可以由该扇区边上的两个电压矢量以及零矢量来合成，合成推倒公式如下：

其中，Uref为期望电压矢量，Ts为开关周期，Tx，Ty，T0分别为对应两个非零电压矢量Ux，Uy和零电压矢量U0在一个采样周期的作用时间。矢量Uref在Ts时间内所产生的积分值和Ux，Uy，U0分别在时间Tx，Ty，T0内产生的积分值的和相同[2]。

图2 电压空间矢量图

3.3 本设计方案SVPWM实现方法

3.3.1 扇区确定

本设计方案为了方便计算，将ABC三相电三项坐标通过clark变换转变成αβ坐标系，Va和Vb分别为向量Uref在αβ坐标上的系数，变量Uref1，Uref2和Uref3表示ABC三项电的方向，比如当变量Uref1为正时，期望向量Uref就位于β坐标的右边。当N=1时，Uref位于第Ⅱ扇区。当N=2时，Uref位于第Ⅵ扇区。当N=3时，Uref位于第Ⅰ扇区。当N=4时，Uref位于第Ⅳ扇区。当N=5时，Uref位于第Ⅲ扇区。当N=6时，Uref位于第Ⅴ扇区。

3.3.2 电压矢量作用时间确定

根据每个扇区计算出电压矢量通用作用时间X，Y和Z，并且得到每个扇区和X，Y，Z的如下对应关系，TS为向量Uref作用时间，Udc为母线电压大小。

3.3.3 形成开关信号，控制变换器

根据7段式SVPWM算法得到控制IPM的三路上桥臂开关的PWM的脉冲宽度。

3.3.4 开关矢量时间确定

根据7段式SVPWM算法得到每个扇区和三路PWM的比较寄存器的值对应如下关系，然后把3个比较寄存器的值赋给STM32的TIM8的3个比较寄存器。

4 系统测试

本设计没有测量IPM模块输出波形，为了得到三相正弦波，SVPWM波经两阶RC低通滤波器输出如图3所示波形，由于实验条件有限，示波器只有两通道，只测到两相相位相差120°的波形。

5 结语

实验结果证明，本方案可以实现交流异步电机的启动、停止、调速和电机过流保护。三相交流异步电机低成本控制方案。

图3 马鞍波形图

[1] 佚名.工业节能加速工控变频器等产业前景利好[J].起重运输机械，2015（3）：110.

[2] 武丽晓.基于FPGA的SVPWM系统设计及Simulink仿真[D].保定：河北大学，2014.

[3] 董昊，石九龙，刘锦高.基于STM32F103的贴片机控制系统的设计与实现[J].电子设计工程，2014（4）：159-161.

Design of frequency conversion control experiment device of AC asynchronous motor based on STM32

Song Lingui
（Chien-shiung Institute of Technology, Suzhou 215411, China）

This paper proposes a design method of AC asynchronous motor control experimental device based on STM32, the embedded micro PWM output mode control SVPWM output waveform of the STM32 controller, three-phase SVPWM complementary signal to the three-phase inverter IPM output module, three-phase IPM inverter module AC control of AC asynchronous motor operation.The experimental results show that this scheme can realize the start, stop, speed regulation and motor over-current protection of AC asynchronous motor.

STM32; SVPWM; IPM module; AC asynchronous motor

2017年度苏州健雄职业技术学院“三级联动”科研基金项目；项目名称：工业变频器电路故障排除方法研究与实施；项目编号：2017SJLD18。项目名称：基于多平台云端通信的空调智能语音控制系统研发；项目编号：2017SJLD15。

宋林桂（1990— ），男，安徽亳州人，助理实验师，硕士；研究方向：嵌入式应用设计。