基于STM32的六脉波交交变频调速系统设计

巩银苗，鲁西坤，徐 帅，邢春芳，姬鹏飞



基于STM32的六脉波交交变频调速系统设计

巩银苗1，鲁西坤1，徐 帅2，邢春芳1，姬鹏飞1

（1.安阳工学院电子信息与电气工程学院，河南 安阳 455000；2.国网河南郸城县供电公司，河南 郸城 477150)

本文针对传统的交交变频器输出波形谐波含量大的问题，结合变频调速系统的发展趋势，设计出一款六脉波交交变频调速系统，主要从系统硬件电路设计和软件设计两个方面对交交变频调速系统进行研究，并以STM32F103ZET6为主控芯片，设计出周边控制和保护电路，搭建出交交变频器的调速平台，编写出实时在线计算的交交变频调速程序。研究表明，此系统不仅能够实现变频调速，且调速效果比传统的交交变频系统要好很多。

交交变频器；六脉波；实时在线计算；调速

0 前言

变频调速技术作为一种调速方案，广泛应用于电气传动各个领域[1-3]。近几年，工业生产对调速性能要求不断提高，对交交变频器也提出了挑战[4]。然而，传统的三脉波交交变频器由于使用的是离线编程，查找控制字的方式造成系统的实时性不够，输出频率低，输出的电压和电流波形的正弦度不好，谐波含量大[5]。这就给交交变频器的应用造成了一定的困扰。

为了适应工业生产对调速系统要求的不断提高，优化系统的控制方案，提高系统的控制精度势在必行。本文在传统的交交变频器的基础上[6]，引入六脉波的理论，搭建了基于先进的STM32F103ZET6控制芯片的实验平台，包括主电路以及周边电路的设计，在STM32的编辑环境下编写实时在线程序进行实验研究。实验结果表明，六脉波交交变频器的输出结果能够在一定程度上减少系统输出的电压谐波，提高系统的输出波形，是一种可以用于生产实践的控制理论。

1 六脉波交交变频原理

交交变频器的输出频率公式为：

由公式（1）可得：当时=6，=50Hz时所构成的变频器结构即为六脉波交交变频器。其输入输出关系如下式：

2 六脉波交交变频调速系统主电路设计

根据交交变频器的基本原理，结合所要加入的六脉波的特点，设计调速系统的主电路，其结构图如图1所示：该系统的主电路由变压器（包括同步变压器和3相变6相变压器）、功率单元电路（晶闸管）、保护电路等部分构成[7]。其中保护电路部分包括快速熔断器和阻容保护电路两部分。快速熔断器主要是在发生短路或者电路电流过大时起作用的，对全部的用电设备起到保护的作用。阻容保护电路是指并联在晶闸管两端的电阻和电容组成的保护电路，主要是为了减小晶闸管的频繁开关引起的电压过冲而设计的[8]。

图1 六脉波交交变频系统主电路结构图

3 六脉波交交变频调速系统的控制及保护电路设计

所设计的系统控制及保护电路主要由CPU及扩展电路、同步电路、信号检测模块、通信接口、脉冲触发模块、人机界面和电流保护电路等模块构成[9,10]。控制和保护电路的总结构框图如图2所示。

（1）CPU及扩展电路。综合考虑系统的运行特点以及为以后的扩展功能预留部分功能模块。本系统在设计的时候选用了意法半导体公司生产的STM32F103系列中配置最高的基于Cortex-M3内核的32位处理器STM32F103ZET6，其主频为72M[11,12]。

图2 控制电路框图

（2）同步电路。同步电路部分的主要功能就是保持触发脉冲与主电路的时序同步。同步信号是将三相工频电源变成方波同步信号，然后作为锁相环的输入，通过锁相环和CPU相连，然后经过CPU的计数处理，实现控制信号和电源信号的时序同步，以保证触发脉冲有序地发送，实现系统的变频输出。

（3）信号检测模块。该模块包括电压、电流和速度检测。电压和电流检测部分经过处理之后，连接到示波器上，用于观察电压和电流的波形。速度检测部分则采用光电编码器，其型号为OVW2-1024-2MHT，每转发出200个计数脉冲，经过整形和隔离电路后，传入到CPU中，再设定一定的采样周期，通过CPU的计数器记录到的脉冲数的多少来计算电机的转速。

（4）串行通信接口。该模块的主要作用就是建立控制板和上位机之间的相互通信。CPU将检测到的电压电流和转速信号，通过串行口传给上位机，实现上位机对调速系统参数的实时监测和控制。

（5）触发脉冲放大输出。由于EP610发出的触发信号是5V的低压信号，加上EP610的驱动能力有限，所以该部分的主要作用就是将EP610发出的触发信号放大到24V，从而实现对晶闸管的控制。

（6）电流保护模块。由于在系统启动过程中，负载发生突变时，系统升速、降速时间设置得过短时，电机发生故障等情况下系统都会出现过电流。为了避免系统出现大电流而损坏变频器，需要在控制电路中加入过电流保护[13-15]。其保护原理图如图3所示。

图3 电流保护电路

4 系统主程序设计

系统主程序流程如图4所示。首先要对系统进行初始化操作，包括系统时钟的设定、GPIO的定义（主要包括管脚的工作模式、频率等）、中断的配置（主要是中断分组和优先级设置）、定时器的初始化、串口的初始化以及实时在线计算函数的各个参数的初始值的设定等。在系统时钟配置的时候，将倍频配置为9倍频，配合外部8MHz晶振，使系统主频达到72MHz最大主频[16]。为了适应脉冲触发信号的实时性的需求，在对中断进行配置时，把定时器3中断的响应优先级和抢占优先级都设置为最高；将定时器4中断的抢占优先级和响应优先级设置为第二，作为系统的采样中断。

图4 系统主程序流程图

5 实验结果及分析

按照设计好的主电路和控制电路搭建实验平台，并根据交交变频器基本原理和余弦交接法的计算办法，在STM32F103ZET6编辑环境下编写实验程序，进行实验并观察实验结果。

从图5中可以清楚地看出：系统能够很稳定地输出10Hz的交流电，并且输出的电压波形的正弦度，对称性都较好，并且在实现电流换向之后，系统的输出也没有明显的畸变，整体上电压波形没有大的谐波出现。这点还可以从电压的频谱图上看出，电压的各次谐波含量都较少，也没有明显的高次谐波出现，经过傅里叶分析可知，此种情况下的输出电压总谐波含量为24.01%。

图5 输出电压波形及谐波（10Hz）

从图6中可以看出：输出的电流波形整体上正弦度比较好，波形的对称性也较好，并且波形具有很好的平滑性，尤其是在电流换向的附近，没有出现明显的死区或者环流现象，能够很顺利的实现电流的换向。由电流频谱图可以直观地看出该控制模式下输出的电流谐波含量是极少的，没有明显的谐波分量出现，电流的总谐波含量为16.54%。

图6 输出电流波形及谐波（10Hz）

6 结论

本文设计的六脉波交交变频调速系统以及其主电路和控制电路，搭建基于STM32F103ZET6主控芯片的实验平台，经过软件编程，进行大量实验研究。结果表明，此系统不仅提高了六脉波交交变频器调速方式的可行性和可靠性，而且系统输出电压和电流波形的正弦度较好，谐波含量也较低。该调速系统在实验研究和工业应用领域将具有很高的应用价值，可以大面积推广应用。

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Design of Six Pulse Cycloconverter Control System Based on STM32

GONG Yinmiao1, LU Xikun1, XU Shuai2, XING Chunfang1, JI Pengfei1

(1. Electronic Information and Electrical Engineering Department, Anyang Institute of Technology, Anyang 455000, China; 2. Dancheng Power Supply Company, State Grid of Henan, Dancheng 477150, China)

In view of the shortcomings of traditional cycloconverter output waveform and large harmonic content, combined with the development trend of variable frequency speed regulation system, this paper mainly studies two aspects of system design, including hardware circuit design and software design. A six pulse cycloconverter control system is proposed, and with STM32F103ZET6 as the main control chip, peripheral control and protection circuit are designed, a platform for cycloconverter speed adjusting is built. A program for real-time calculation of cycloconverter speed control is developed. Experimental verification is carried out under the built speed control system. The research shows that the six pulse cycloconverter can achieve variable frequency speed regulation, and the speed regulation effect is better than the traditional cycloconverter.

cycloconverter; six pulse; real-time online calculation; speed regulation

TM301.2, TM921.51

A

1000-3983(2018)05-0054-04

2018-02-05

巩银苗(1987- )，硕士，研究方向：电力电子装置与电气传动、高电压技术，现主要从事交交变频的理论与实践研究工作，讲师。

安阳工学院2018年度校青年基金（QJJ2018010）