基于STM32单片机控制的异步电机变频调速设计

袁洁仪，仲毅凯，蒋小辉

（三峡大学科技学院 机电系，湖北 宜昌 443002）

0 引 言

与各种降压软启动器相比，变频调压软启动具有良好的动、静态性能，能够实现软启动器的所有功能，且具有功率因数高、启动电流小的优点[1]。本文以STM32单片机作为主控单元产生SPWM控制脉冲实现变频，完成电机调速，具有成本低、结构简单、精度及可靠性高等特点。

1 控制策略

交直交变频器简称VVVF电源，由AC/DC和DC/AC两类基本的变流电路组合形成，优点在于输出频率与输入电源独立。目前，对于VVVF系统的控制策略主要有恒压频比控制、转差频率控制、矢量控制和直接转矩控制，其中恒压频比控制方式最为简便。国内外在牵引机车控制系统普遍采用的是VVVF（恒压频比）[2]，因此本次设计中也采用该方法。

1.1 恒压频比控制原理

三相异步电机的转速受转差率、极对数以及电源频率影响，且对于VVVF系统而言，改变电源频率是方便的，为此通常控制电源频率的变化来控制电机转速的变化。若线圈电压恒定，改变频率后，回路中的磁通量会随着频率的下降而上升，易导致磁路饱而烧毁电机。所以，电压、频率同步联动改变可保障电机在正常工作的条件下转速可调。

1.2 异步电机的变频特性

由电力拖动的知识可知，恒气隙磁通的异步电机电磁转矩可表示为：

由于采用恒压频比控制，当电机转速处于正常运行时，此时转差率s较小，因而R'r远大于其他项。将分母上带s项的部分均舍去，则转矩可近似表示为：

由此可知，电机在正常运行状态下或是基频以下时，采用恒压频比控制，可使得输出转矩恒定。但是，当ω1过小时，临界转矩也会很小，此时可维持频率不变，即设定频率下限；或适当提高电压，作为低频补偿来维持带载能力。

同时，当电机的频率高于额定频率达到某一限度时，若仍采用恒压频比控制，会使电压过大而破坏电机绝缘性能引发事故，故应采用恒压变频控制。此时，电压恒为UN，且电机在正常运行时转差率s很小，可得到转矩近似表达式：

综上，当变频器输出频率在基频以上时，采用恒压变频调速，使得电机处于恒功率运行；当变频器输出频率在基频以下时，采用恒压频比调速，使得电机处于恒转矩运行状态。

1.3 恒压频比控制具体流程

本设计采用STM32F103型单片机作为主体控制单元。它采用Cortex-M3内核，CPU最高速度达72 MHz，能够出色完成设计中变频器所需的所有计算，具体控制流程如图1所示。

图1 主体控制流程

通过外部按键可输入变频器的输出频率，当变频器正常启动时，采样主电路的电流与电压，将信号直接反馈到STM32自带的A/D转换模块，后对信号进行积分与绝对值变换后得到控制数据[3]。此时，对比已经在MCU内部存储的波表输出对应的SPWM波形，完成实验系统变频调速的目的，而电机的当前转速会通过液晶显示器实时显示。当系统出现故障时，MCU会输出报警信号，停止发出SWPM信号。

2 单片机控制的变频器单元

2.1 变频器主电路设计

变频器主电路设计采用交-直-交变频的VVVF设计，具有变频范围广、功率因数高以及控制精准等优点，被广泛应用于实际生产。VVVF包括整流电路、滤波电路、逆变电路、限流电路及制动电路。

2.1.1 整流电路

为了提高功率因数，节约制造成本，整流电路采用6个二极管相互并联组成不可控三相整流电桥。

2.1.2 滤波电路

为了进一步消除整流电路中产生的谐波干扰，提高系统功率因素，设计中滤波电路采用一阶R-C滤波回路。它的构造简单、造价低廉且设计难度较低。

2.1.3 逆变电路

为了实现更高频率的控制输出电压的波形，使变频器精度更高，设计中采用6个高频场效应管（MOSFET）相互并联组成三相逆变桥电路。该回路为变频器核心部分。

2.1.4 限流电路

为了防止上电瞬间滤波电容充电形成的浪涌电流损坏整流电路，设计中采用限流电阻和可关断晶闸管组成限流电路，使浪涌电流产生的冲击消耗在电阻上，从而减小对其他系统的影响。

2.1.5 制动电路

制动电路由制动电阻R与开关管（IGBT）构成。当开关管导通时，后方逆变电路被短路，系统能量被电阻R消耗。该部分主要用于能耗制动电机，既可避免过高的泵升电压损坏变频器，也可用于特殊情况下紧急制动使用。

2.2 变频器控制电路设计

设计中使用STM32F103单片机作为主控单元，具有体积小、重量轻、运算快且价格便宜等特点[4]。在实际生产中，它最高72 MHz的工作频率可以出色地使用规则采样法生成所需的SPWM波。同时，为保护单片机本身不受到外界电路的干扰，在单片机与IGBT驱动器之间加入光电耦合器6N137，使得控制回路与主电路间隔离，如图2所示。

图2 变频器采样电路图

2.3 变频器采样电路设计

由于交直交变频器实质是对原有电能的控制与改变，为此采用高精度、快响应的采样电路来实时监控，反映出主电路的电压数值和电压波形的变化是提升变频器整体性能的关键。

在信号采集的前端信号变换模块，首先考虑信号质量与隔离措施。本文采用4个二极管串并联（电桥电路）的形式，使得采样点测得的数据十分稳定，并在单片机接入端光电耦合器6N137。其次，对于接收仪器的适配范围需要精细设定，如采样信号的电压允许变化范围不能超过接收仪器允许范围的3倍，同样远小于接收仪器允许范围的3倍的设计也是不合理的。最后，采样阻抗的取值配比需要合理防止因阻抗不匹配造成的接收仪器损坏、采样电路崩溃等现象。

2.4 变频器保护电路设计

图3为保护装置的工作原理。故障时，该电路使得即使系统中有较高过电压亦不会损害系统主体和相关人员的人身安全。此外，它的结构简单、运行高效且价格低廉，具有实际的工程价值。

图3 变频器保护电路图

3 SPWM控制技术

SPWM全称为Sinusoidal Pulse Width Modulation，即正弦脉冲宽度调制技术。由采样控制理论可知，冲量相等的窄波脉冲在惯性环节上的累积效果是一致的。因此，可通过构造按正弦波面积变化的等幅不等宽的矩形脉冲，使得逆变器输出正弦波电压。由文献[4]可知，使用SPWM控制可改善谐波分量，明显提高电源利用率，所以它广泛应用在各类逆变场合。

以三列等幅同频相位各差120°的正弦波作为信号波，以高频的三角波作为载波，经比较器后输出。由于所加载波为双极性，所得一组信号通过取反后，可控制两组IGBT。而阻感性负载作为输出的惯性环节，抑制电流的突变，一定程度上使得输出波形与正弦波更加近似。图4为通过自然采样法在Simulink仿真下得出的结果。由于开关器件的通断由调制波与载波的交点决定，通过Simulink仿真得出SPWM的调制波形，可记录下各个取样点维持高电平的时间矩阵[5]。即提前计算开关角的数值波表，将波表存储在MCU中；待使用时，对照波表发出指定长度的脉冲宽度，即可输出与自然调制法一致的SPWM波形。同时，若需对输出波形的电压做出改变，可同时乘除所有数值，等效于在自然采样法中改变信号波的幅值；若需对输出波形的频率进行改变，可同比例增减每个数值的大小，等效于在自然采样法中改变信号波的频率[6-7]。

图4 利用Simulink仿真的SPWM调制波形

同时，为了提高功率因数，利用MATLAB提前采用消除指定次数谐波的PWM（SHEPWM）控制技术计算出对应的波表（同样按照上述的变换），可更好地提高工作效率。目前，该方法已被文献[6]证实确实具有可操作性。

4 结 论

本文采用STM32F103单片机利用SPWM技术实现对三相恒压频比的变频器设计，具有集成度高、使用方便、成本低廉以及运行可靠等特点，并在以下3方面有了较大改进。

（1）相较于传统使用PWM控制芯片（EG3525）作为主控单元，可使系统更新调节更方便，保密性更高，同时人机交互更加完善，满足工程应用中对可靠性、安全性以及低成本的需求。

（2）对变频器的采样、保护单元给出实际的电路原理图以及具体的元件参数设计，与文献[7]相比，本文增加的制动、过流的保护电路，使得系统在硬件成本较低的条件下仍能稳定安全运行。

（3）利用MATLAB仿真将提前运算的波表存储至MCU，可大幅降低单片机所需处理的数据，提高运算速度和系统灵敏性。同时，通过对MATLAB仿真的波表，可提高电能质量，使得功率因素高、启动电流小，降低了变频器控制电机时产生的扰动与谐波污染。