基于STM32的三相交流異步電動機變頻調速系統的設計

王 玲，孫冬冬，范遵濤

山東科技大學，山東青島 266590

基于STM32的三相交流異步電動機變頻調速系統的設計

王 玲，孫冬冬，范遵濤

山東科技大學，山東青島 266590

本文簡單介紹了三相交流異步電動機的調速方法。其中，著重分析了變頻調速這一重要方法的原理，介紹了交-直-交變頻器的基本結構。實現了基于STM32微控制器控制的三相交流異步電動機變頻調速系統的設計，采用IR2130作為逆變電路驅動芯片控制6個全控型電力電子器件，本文選用了性能更為優越的絕緣柵雙極性晶體管IGBT作為開關管。利用STM32定時器的輸入捕獲輸出比較通道生成頻率占空比可調的PWM控制逆變電路開關管的開斷，從來實現電動機的變頻調速。

STM32；變頻調速；IR2130；交流異步電機；PWM

三相交流異步電動機在我們日常生產生活中應用十分廣泛。因此，如何簡單有效的實現對電機轉速的控制變得尤為重要。傳統的電機調速方法采用模擬控制，電路比較復雜，不易控制，而且容易受外界干擾，穩定性較差。因此，數字控制憑借著它電路簡單，較易控制，可靠性強的優越性，在生產生活中的應用越來越廣泛。本文選用STM32單片機作為微控制器，選擇IR2130芯片控制逆變電路。STM32有高級定時器可以產生六路互補的PWM，還可以插入硬件死區，用來控制三相電機十分方便，同時IR2130具有六路輸進信號和六路輸出信號，且只需一個供電電源即可驅動三相橋式逆變電路的6個功率開關器件，一片IR2130可替換3片IR2110，使整個驅動電路更加簡單可靠。基于所選芯片的以上優點，設計出數字控制的三相交流異步電動機的變頻調速系統具有傳統模擬控制方法無法比擬的優點，總體性能也高于其他集成芯片所組成的數字控制系統，可以推廣應用。

1 三相異步電動機的調速方法

由于異步電動機的轉速為，公式中為電源頻率；為定子繞組的極對數；為電動機的轉差率。由公式可以看出，要想調節電動機的轉速，可以從改變以上3個影響因素來實現。

1.1變極調速

保證電源頻率不變，改變異步電動機定子繞組的極對數，從而改變旋轉磁場和轉子的轉速，此種方法的轉子一般為籠型，無法實現平滑調速。

1.2改變轉差率調速

改變轉差率采用轉子外加電阻的方法。

1.3變頻調速

電源頻率變化時，異步電動機的同步轉速會隨之變化，進而引起轉子轉速的變化，可以實現連續、平滑地調速。

1.4交—直—交變頻器的基本結構

變頻調速的關鍵是改變電源頻率的同時保證電機的磁通量不變，因而也要調節輸出電壓，使電壓和頻率均可變且二者比例為常數的裝置為變頻器。交-直-交變頻器的主電路包括整流和逆變兩部分。整流電路把來自交流電網的交流電變成直流，經電容或電感濾波，再由逆變電路將直流電轉換為交流電，供給三相負載。變頻器原理圖如圖1所示。

圖1

2 脈沖寬度調制技術

PWM技術是通過控制半導體開關器件的導通與關斷，把直流電壓變為一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，按一定的規則對各脈沖的寬度和脈沖序列周期進行調制，從而控制逆變器的輸出電壓和頻率，使滿足變頻調速對U/f協調控制的要求。本文實現了基于STM32控制六路PWM輸出，IR2130作為逆變電路驅動芯片控制半導體開關器件的導通與關斷，從來實現電動機的變頻調速。

3 變頻調速系統的設計

3.1STM32及IR2130芯片簡介

STM32具有2個16位的6通道高級控制定時器，高級定時器TIM1是由一個16位的自動裝載計數器組成，它由一個可編程預分頻器驅動。IR2130是600V以下高壓集成驅動器件，它具有6路輸進信號和六路輸出信號。

3.2系統工作原理

對TIM1定時器進行控制，使通道1、通道2和通道3輸出6路插入死區的互補PWM輸出配置TIM1_CCER寄存器中的CCxP和CCxNP位，可以為每一個輸出獨立地選擇極性，同時設置CCxE和CCxNE位將插入死區。

以通道1為例講解如何對TIM1定時器進行控制，PWM輸出脈沖周期就為重載寄存器TIM1_ARR存儲的數值A加一再乘以觸發脈沖的時鐘周期，觸發脈沖的時鐘周期可以通過預分頻器來設置，PWM脈沖寬度則為比較寄存器TIM1_CCR的值B乘以觸發脈沖的時鐘周期，即輸出PWM的占空比為B/（A+1）。

計數器寄存器TIM1_CNT的當前計數值數值M在觸發脈沖的驅動下累加，當TIM1_CNT的數值M大于A時，TIM1_CNT的值為置為0重新計數。而在TIM1_CNT計數的同時，計數值M會與比較寄存器預先存儲的數值B進行比較，當M小于B時，輸出低電平（或高電平），相反地，當M大于或等于B時，輸出高電平（或低電平）。以上過程便可以實現兩路互補PWM輸出脈沖的頻率和占空比的控制。

利用轉速傳感器將電動機的轉速轉換成矩形脈沖信號反饋到STM32單片機，單片機可以根據電動機的轉速來實現實時控制。通過光電隔離和電壓保護電路實現系統的穩定運行。

4 結論

基于STM32微控制器控制的三相交流異步電動機變頻調速系統，可以通過控制PWM輸出脈沖的頻率和占空比，實現對電動機轉速的調節。

［1］湯蘊璆.電機學［M］.北京：機械工業出版社，2014.

［2］王旭光，房緒鵬.電力電子技術［M］.東營：中國石油大學出版社，2009.

TM3

A

1674-6708（2016）167-0105-01

王玲，山東科技大學。孫冬冬，山東科技大學。范遵濤，山東科技大學。