小功率變頻調速控制器的開發

王舵

（西安石油大學電子工程學院，西安710065）

0 引言

目前，市場上的通用變頻器大多采用恒壓頻比控制方法[1]，對各種不同性質的負載無差別對待，有的功能雖多，但是價格高，調速性能和特定需求不匹配，往往是性能價格比不高，為此，針對民用領域的小功率交流電機，開發一種低成本且調速性能較好的調速控制器，能夠滿足人們對于交流調速控制多樣化的需求，也能夠在市場中體現出一定的商業價值。

1 調速器硬件組成

該調速器的輸入是單相交流電，輸出是電壓頻率和幅值可調的三相交流電。調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輸入的單相交流電進行整流濾波，用以保證輸入逆變電路的電壓為大小恒定的直流電壓，并且為電動機提供無功功率；控制電路是以STM32F103ZET6 為核心的數字電路，主要功能是接受各種設定信息和指令，再根據它們的要求形成驅動逆變電路工作的SPWM 信號。

圖1 調速器結構框圖

1.1 主電路

主電路結構圖如圖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耐壓較高的電解電容并聯。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化[2]，在設計中，逆變環節采用IPM 模塊。為了防止濾波電容在通電瞬間出現過大的充電電流，在整流器和濾波電容之間串入了限流電阻[3]，用繼電器實現對限流電阻的適時短路，防止由于限流電阻的長時間接入增加電路功率損耗，影響調速性能。

圖2 主電路結構圖

1.2 直流信號檢測電路

直流信號檢測電路如圖3 所示，包括直流電壓檢測電路和直流電流檢測電路。直流電壓信號取自濾波電容兩端，經電阻R18 和R19 串聯分壓，取R19 兩端電壓，經過電阻R20 限流和電容C3 濾波，將小電壓信號通過運算放大器LM358P 輸入至主控芯片；直流電流信號用小電阻采樣法采集，采樣電阻和IPM 串聯，流過采樣電阻的電流就是流過IPM 的電流，取采樣電阻兩端電壓，經過電阻R21 限流和電容C4 濾波，將小電壓信號通過LM358P 放大和隔離后輸入至主控芯片AD 口，其中電阻R22 的作用是使運放同相和反相輸入端對地壓降相同，減小運算誤差，電容C5 的作用是增強高頻段的負反饋[4]。前述輸入至主控芯片的直流電壓、電流信號與設定值比較，當偏差過大時，主控芯片停止SPWM 信號的輸出，起到過壓、欠壓和過流保護作用。

圖3 直流信號檢測電路

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，以滿足不同電路對電壓的需求，首先采用18V 外接變壓器進行降壓，降壓后經過二極管整流橋和電容濾波，輸入穩壓管LM7815，LM7815 一方面向外輸出+15V 電壓，另一方面繼續經過LM7805 向外提供+5V 電壓。

除了上述電路，調速器還設計有轉速反饋電路、按鍵和顯示電路。轉速反饋電路通過采集光電編碼器輸出的脈沖信號，經過光電耦合器隔離和電容濾波后，輸入到主控芯片AD 口；主控芯片通過按鍵接收轉速指令，并通過顯示模塊顯示電機實時轉速。

2 軟件設計

調速器的軟件算法包括主程序和子程序，其中主程序主要進行子程序函數的初始化和調用，子程序包括SPWM 生成、轉速檢測、模數轉換、按鍵和顯示、反饋PI 計算等程序。電機轉速調節流程圖如圖4 所示。

圖4 電機轉速調節流程圖

主控芯片通過直流信號檢測電路和模數轉換程序獲取直流信號反饋值，當直流信號反饋值在設定值范圍內時進行程序下一步，不在設定值范圍內時觸發故障中斷程序并停止SPWM 控制信號輸出；主控芯片通過按鍵獲取轉速設定值，與轉速反饋值進行轉速PI 程序運算，PI 調節器的輸出轉差頻率值與實際轉速值相加，得到定子頻率給定值，再根據電壓-頻率函數得到定子電壓給定值，用定子電壓值和定子頻率值產生相對應的6 路SPWM 控制信號，經光電隔離驅動電路，對IPM 中的IGBT 進行實時導通和關斷控制，由此得到三相異步電機調速所需的電壓頻率和幅值，從而實現轉速閉環控制。

3 調試與測試

調速器的核心是輸出滿足要求的6 路SPWM 控制信號，因為SPWM 控制信號的死區時間、頻率等參數設置不正確時將直接影響逆變電路輸出波形，甚至損壞IPM 模塊，因此在調速測試前首先對SPWM 控制信號進行測試。由于IPM 中的IGBT 死區時間不能低于2.5 微秒，在程序中將死區時間設置為3.2 微秒。

測試用的三相鼠籠式異步電動機銘牌參數包括額定功率100W，額定電壓220V，額定電流0.5A，頻率50Hz，額定轉速1420r/min，三角形接法，絕緣等級E級。測試中，所有設備的電源使用單相220V 交流電，在確認接線正確后進行上電。

在電機空載狀態下進行轉速測試，通過按鍵改變調速器輸出電壓頻率，從顯示模塊上讀取電機轉速值，當設定轉速為720 r/min 時，顯示模塊的顯示界面如圖5 所示。經過測試，該調速器可以輸出的正弦電壓頻率范圍是2Hz～60Hz，在該范圍內電機能夠穩定運行。

4 結語

本文給出了基于主控芯片STM32 的變頻調速控制器硬件電路和軟件程序設計，并對調速器控制性能進行了測試。該調速器具有結構簡單、成本低、可擴展性強等特點，經過繼續開發，可推廣用于含有三相異步電動機的民用家電，例如洗衣機、跑步機，從而進一步提高產品性能、降低生產成本。

圖5 顯示模塊的顯示界面