小功率變頻調(diào)速控制器的開(kāi)發(fā)

王舵

（西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院，西安710065）

0 引言

目前，市場(chǎng)上的通用變頻器大多采用恒壓頻比控制方法[1]，對(duì)各種不同性質(zhì)的負(fù)載無(wú)差別對(duì)待，有的功能雖多，但是價(jià)格高，調(diào)速性能和特定需求不匹配，往往是性能價(jià)格比不高，為此，針對(duì)民用領(lǐng)域的小功率交流電機(jī)，開(kāi)發(fā)一種低成本且調(diào)速性能較好的調(diào)速控制器，能夠滿足人們對(duì)于交流調(diào)速控制多樣化的需求，也能夠在市場(chǎng)中體現(xiàn)出一定的商業(yè)價(jià)值。

1 調(diào)速器硬件組成

該調(diào)速器的輸入是單相交流電，輸出是電壓頻率和幅值可調(diào)的三相交流電。調(diào)速器硬件電路由主電路和控制電路組成，如圖1 所示，其中主電路包括電源電路和逆變電路，電源電路的作用是對(duì)輸入的單相交流電進(jìn)行整流濾波，用以保證輸入逆變電路的電壓為大小恒定的直流電壓，并且為電動(dòng)機(jī)提供無(wú)功功率；控制電路是以STM32F103ZET6 為核心的數(shù)字電路，主要功能是接受各種設(shè)定信息和指令，再根據(jù)它們的要求形成驅(qū)動(dòng)逆變電路工作的SPWM 信號(hào)。

圖1 調(diào)速器結(jié)構(gòu)框圖

1.1 主電路

主電路結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示，整流電路采用不可控單相整流橋，中間直流電路采用兩個(gè)耐壓較高的電解電容并聯(lián)。目前在逆變器中，逆變模塊（IPM）被廣泛使用，使得中小功率變頻器的主電路得以簡(jiǎn)化[2]，在設(shè)計(jì)中，逆變環(huán)節(jié)采用IPM 模塊。為了防止濾波電容在通電瞬間出現(xiàn)過(guò)大的充電電流，在整流器和濾波電容之間串入了限流電阻[3]，用繼電器實(shí)現(xiàn)對(duì)限流電阻的適時(shí)短路，防止由于限流電阻的長(zhǎng)時(shí)間接入增加電路功率損耗，影響調(diào)速性能。

圖2 主電路結(jié)構(gòu)圖

1.2 直流信號(hào)檢測(cè)電路

直流信號(hào)檢測(cè)電路如圖3 所示，包括直流電壓檢測(cè)電路和直流電流檢測(cè)電路。直流電壓信號(hào)取自濾波電容兩端，經(jīng)電阻R18 和R19 串聯(lián)分壓，取R19 兩端電壓，經(jīng)過(guò)電阻R20 限流和電容C3 濾波，將小電壓信號(hào)通過(guò)運(yùn)算放大器LM358P 輸入至主控芯片；直流電流信號(hào)用小電阻采樣法采集，采樣電阻和IPM 串聯(lián)，流過(guò)采樣電阻的電流就是流過(guò)IPM 的電流，取采樣電阻兩端電壓，經(jīng)過(guò)電阻R21 限流和電容C4 濾波，將小電壓信號(hào)通過(guò)LM358P 放大和隔離后輸入至主控芯片AD 口，其中電阻R22 的作用是使運(yùn)放同相和反相輸入端對(duì)地壓降相同，減小運(yùn)算誤差，電容C5 的作用是增強(qiáng)高頻段的負(fù)反饋[4]。前述輸入至主控芯片的直流電壓、電流信號(hào)與設(shè)定值比較，當(dāng)偏差過(guò)大時(shí)，主控芯片停止SPWM 信號(hào)的輸出，起到過(guò)壓、欠壓和過(guò)流保護(hù)作用。

圖3 直流信號(hào)檢測(cè)電路

1.3 輔助電路

輔助電源電路的功能是降低輸入220V 單相交流電的電壓，以滿足不同電路對(duì)電壓的需求，首先采用18V 外接變壓器進(jìn)行降壓，降壓后經(jīng)過(guò)二極管整流橋和電容濾波，輸入穩(wěn)壓管LM7815，LM7815 一方面向外輸出+15V 電壓，另一方面繼續(xù)經(jīng)過(guò)LM7805 向外提供+5V 電壓。

除了上述電路，調(diào)速器還設(shè)計(jì)有轉(zhuǎn)速反饋電路、按鍵和顯示電路。轉(zhuǎn)速反饋電路通過(guò)采集光電編碼器輸出的脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)光電耦合器隔離和電容濾波后，輸入到主控芯片AD 口；主控芯片通過(guò)按鍵接收轉(zhuǎn)速指令，并通過(guò)顯示模塊顯示電機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速。

2 軟件設(shè)計(jì)

調(diào)速器的軟件算法包括主程序和子程序，其中主程序主要進(jìn)行子程序函數(shù)的初始化和調(diào)用，子程序包括SPWM 生成、轉(zhuǎn)速檢測(cè)、模數(shù)轉(zhuǎn)換、按鍵和顯示、反饋PI 計(jì)算等程序。電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)流程圖如圖4 所示。

圖4 電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)流程圖

主控芯片通過(guò)直流信號(hào)檢測(cè)電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換程序獲取直流信號(hào)反饋值，當(dāng)直流信號(hào)反饋值在設(shè)定值范圍內(nèi)時(shí)進(jìn)行程序下一步，不在設(shè)定值范圍內(nèi)時(shí)觸發(fā)故障中斷程序并停止SPWM 控制信號(hào)輸出；主控芯片通過(guò)按鍵獲取轉(zhuǎn)速設(shè)定值，與轉(zhuǎn)速反饋值進(jìn)行轉(zhuǎn)速PI 程序運(yùn)算，PI 調(diào)節(jié)器的輸出轉(zhuǎn)差頻率值與實(shí)際轉(zhuǎn)速值相加，得到定子頻率給定值，再根據(jù)電壓-頻率函數(shù)得到定子電壓給定值，用定子電壓值和定子頻率值產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的6 路SPWM 控制信號(hào)，經(jīng)光電隔離驅(qū)動(dòng)電路，對(duì)IPM 中的IGBT 進(jìn)行實(shí)時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷控制，由此得到三相異步電機(jī)調(diào)速所需的電壓頻率和幅值，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。

3 調(diào)試與測(cè)試

調(diào)速器的核心是輸出滿足要求的6 路SPWM 控制信號(hào)，因?yàn)镾PWM 控制信號(hào)的死區(qū)時(shí)間、頻率等參數(shù)設(shè)置不正確時(shí)將直接影響逆變電路輸出波形，甚至損壞IPM 模塊，因此在調(diào)速測(cè)試前首先對(duì)SPWM 控制信號(hào)進(jìn)行測(cè)試。由于IPM 中的IGBT 死區(qū)時(shí)間不能低于2.5 微秒，在程序中將死區(qū)時(shí)間設(shè)置為3.2 微秒。

測(cè)試用的三相鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)銘牌參數(shù)包括額定功率100W，額定電壓220V，額定電流0.5A，頻率50Hz，額定轉(zhuǎn)速1420r/min，三角形接法，絕緣等級(jí)E級(jí)。測(cè)試中，所有設(shè)備的電源使用單相220V 交流電，在確認(rèn)接線正確后進(jìn)行上電。

在電機(jī)空載狀態(tài)下進(jìn)行轉(zhuǎn)速測(cè)試，通過(guò)按鍵改變調(diào)速器輸出電壓頻率，從顯示模塊上讀取電機(jī)轉(zhuǎn)速值，當(dāng)設(shè)定轉(zhuǎn)速為720 r/min 時(shí)，顯示模塊的顯示界面如圖5 所示。經(jīng)過(guò)測(cè)試，該調(diào)速器可以輸出的正弦電壓頻率范圍是2Hz～60Hz，在該范圍內(nèi)電機(jī)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

本文給出了基于主控芯片STM32 的變頻調(diào)速控制器硬件電路和軟件程序設(shè)計(jì)，并對(duì)調(diào)速器控制性能進(jìn)行了測(cè)試。該調(diào)速器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)繼續(xù)開(kāi)發(fā)，可推廣用于含有三相異步電動(dòng)機(jī)的民用家電，例如洗衣機(jī)、跑步機(jī)，從而進(jìn)一步提高產(chǎn)品性能、降低生產(chǎn)成本。

圖5 顯示模塊的顯示界面