基于STM32的单相电机调速控制器的设计*

王卓然，曾 敏，袁 松，胡子鑫

（华南理工大学 机械与汽车工程学院，广东 广州 510641）

0 引言

单相异步电动机具有结构简单、价格低、性能良好、操作方便等特点，被广泛地应用于工业、农业和日常生活中[1-2]。目前异步电机的调速方法主要采用变频调速和调压调速两种[3]，其中调压调速线路简单、成本低廉、没有谐波干扰现象，在异步电动机调速控制方面已逐步体现出优势。另外，为了实现电动机的调速控制，与常规模拟调速方法相比较，数字控制具有控制精度高、柔性化和模块化程度高等特点，对外部环境复杂、对产品性能要求高的场景（如风机的通风、排尘和冷却）适用性更好[4-5]。

本文提出了一种基于STM32F103 控制的单相异步电动机的调压调速方法，通过控制双向晶闸管（TRIAC）导通时间实现调压调速。设计了相应的主电路和控制电路，通过仿真和实验分析优化电路参数，从而实现风机系统调压调速目的。

1 单相调压调速原理

单相交流调压电路波形如图1 所示。图中α 为触发角，φ为阻抗角，θ 为导通角，则有[6-7]：

图1 单相交流调压电路波形[8]

当φ 一定时，输出电压uo分为两种情况[8]：

（1）φ<α<π 时，随着α的增大，交流调压调速电路的输出电压有效值逐步减小，可表示为：

式中Ui和Uo分别为电源电压ui和输出电压uo的有效值（2）0<α≤φ 时，触发脉冲信号不能使用窄脉冲，使用宽脉冲或脉冲列触发方式可以输出全压。

综上所述，当触发角的取值范围为φ<α<π 时，控制器能够实现单相交流电路的调压调速。

2 电路设计与仿真

2.1 主电路及触发电路设计

控制器主电路采用TRIAC 和电感L 串联。触发电路通过光耦与控制电路隔离，如图2 所示。STM32F103 发出的触发信号将OUT1 点的电平拉低，ui通过R1、R2、光耦U 和R3接到触发端b 点，TRIAC 导通；当OUT1 为高电平时，U 不通，TRIAC 没有触发信号[9-10]。

图2 主电路及TRIAC 触发电路

主电路串联电感L 用于抑制TRIAC 开通时的过电流以及di/dt。为了尽量减小di/dt，理论上L 应越大越好。设电动机等效电感为Lm，内阻为Rm，则有：

对式（3）、式（4）进行拉普拉斯变换，得到传递函数：

令s=jω，求得幅频特性函数：

当Lm/L>100 时，此时A（w）<0.01，能够保证电路的正常运作。对于Lm=50 mH，可以得出L<500 μH，在本方案中取L=200 μH。

为提高系统的可靠性，本文设计了必要的晶闸管保护电路。如图2 所示在TRIAC 两端并联RC 电路，其中电阻R1和电容C1、C2用于吸收晶闸管关断产生的电压尖峰[11]，同时限制对TRIAC 两端施加的电压上升率dv/dt。压敏电阻RV1、RV2分别与TRIAC、U 并联起到过压保护的 作用。当TRIAC 截断时，C1、C2的容抗 应远大 于异步电动机的电抗，假设C1=C2=C，则有：2×1/2πfC>>，根据所选风机型号，这里取C=224 nF。

2.2 过零检测电路设计

过零检测电路的精准度将直接影响电路调速效果。本文设计的过零检测电路如图3 所示，当电源电压ui<0时，电压比较器LM339的5 脚电压小于0 V，此时c 点电压为低电平，三极管Q1截止，STM32F103的外部中断INT0 处于高电平。当ui经过零点后，5 脚电压 大于0 V，c 点电压跳变到高电平，经过C3、R7组成的微分电路，在d 点产生正尖脉冲使Q1导通，INT0 下拉至低电平形成下降沿。STM32 对瞬间产生的下降沿进行捕捉，完成对电源电压正半波过零点的快速、精准检测。

图3 过零检测电路

如图所示，C3、R7构成一个一阶RC 电路，假设在t>0 时c 点电压从低电位跳转到高电位为阶跃信号，即uc=Vc×1（t），则有：

当τ 取值远小于c 点高电平脉宽时，在d 点形成正尖脉冲[12]，又三极管Q1偏置电压Von≈0.7 V，可以估算Q1的导通时间为：τ×ln（Vc/Von）。为避免τ 太小导 致过 零脉冲的脉宽过窄而不利于STM32 捕捉，实际取C3=100 nF，R7=12 kΩ。

2.3 仿真与优化

通过PSpice 对上述主电路及触发电路进行仿真[13]，结果如图4（a）所示，调压调速电路工作正常，但是输出电压uo在TRIAC 开通时仍存在尖峰。选择函数Max（uo）作为电路性能量度，将元件及负载的容差设置为5%，通过灵敏度分析[14]发现C1、C2对主电路性能影响最大，将两者参数进行优化分析得到修正后的元件值C1*=270 nF、C2*=39 nF。优化后的输出电压波形尖峰消除、过渡平滑，如图4（b）所示。

图4 uo的仿真波形（α=90°）

为了在INT0 处得到脉宽合适的过零脉冲，选择过零脉冲的3 dB 带宽作为量度对电路性能进行优化。将优化结果R7*=4 kΩ 代入原电路中，电源电压ui、d 点电压ud以及过零脉冲的仿真波形如图5 所示，过零脉冲的脉宽在2 ms 左右，频率为50 Hz，过零点检测准确，下降沿近乎90°，有利于STM32 进行捕捉。

图5 过零检测电路仿真波形

3 控制系统设计与实验验证

基于上述分析和仿真，设计了以STM32 为核心的单相异步电动机的调压调速控制系统，结构图如图6 所示，控制器分为主电路和控制电路两部分，通过对接不同的外部信号，适用于各领域的通风、排尘和冷却等风机调速应用场景。

图6 控制器结构示意图

主电路为单相交流220 V 供电，TRIAC 与异步电动机定子绕组串联，控制电路选用STM32F103 实现对人机接口、通信接口、数据存储、外部看门狗等模块的控制，以及对风机温度、TRIAC 温度、环境温度的实时监测，通过软件实现异常检测，检测结果通过数码管实时显示。STM32 通过采集外部检测信号、ui过零点信号，经软件计算后输出范围在φ<α<π的触发脉冲信号，在每半个周期内通过改变TRIAC的触发角对电压作相位控制，改变输出电压的有效值，实现调压调速[15-16]。

为了验证控制器的实际控制效果，搭建了电动机调压调速实验平台。电机参数为：额定功率为940 W，额定电压220 V，额定转速900 r/min。

图7 为过零检测电路的实测波形，过零脉冲脉宽约2.4 ms，下降沿陡直近乎90°，下降时间约8 μs。

图7 过零检测电路实验波形

输出电压为80%时，电机运行时电机侧的电压波形如图8（a）所示。当电机全压运行时，触发信号采用脉宽60°、间隔相差180°的宽脉冲，输出波形如图8（b）所示。从图中可见，过零检测准确，输出电压波形达到设计要求。

图8 电机两侧的电压波形

4 结论

本文设计的单相电机调压调速控制器，通过数字化控制方法，与模拟控制相比灵活可控、易于调试并且精确度更高。仿真研究和样机调试实验表明，实验波形与理论分析一致，验证了控制系统的可行性。本数字化控制器通过对接不同的外部输入信号，可以满足各领域对风机通风、排尘或冷却等不同场景的调速需要，具有广泛的应用前景。