基于STM32的三相交流异步电动机变频调速系统的设计

2016-10-19孙冬冬范遵涛

科技传播 2016年14期

关键词：寄存器三相变频

王玲，孙冬冬，范遵涛

山东科技大学，山东青岛 266590

基于STM32的三相交流异步电动机变频调速系统的设计

王玲，孙冬冬，范遵涛

山东科技大学，山东青岛 266590

本文简单介绍了三相交流异步电动机的调速方法。其中，着重分析了变频调速这一重要方法的原理，介绍了交-直-交变频器的基本结构。实现了基于STM32微控制器控制的三相交流异步电动机变频调速系统的设计，采用IR2130作为逆变电路驱动芯片控制6个全控型电力电子器件，本文选用了性能更为优越的绝缘栅双极性晶体管IGBT作为开关管。利用STM32定时器的输入捕获输出比较通道生成频率占空比可调的PWM控制逆变电路开关管的开断，从来实现电动机的变频调速。

STM32；变频调速；IR2130；交流异步电机；PWM

三相交流异步电动机在我们日常生产生活中应用十分广泛。因此，如何简单有效的实现对电机转速的控制变得尤为重要。传统的电机调速方法采用模拟控制，电路比较复杂，不易控制，而且容易受外界干扰，稳定性较差。因此，数字控制凭借着它电路简单，较易控制，可靠性强的优越性，在生产生活中的应用越来越广泛。本文选用STM32单片机作为微控制器，选择IR2130芯片控制逆变电路。STM32有高级定时器可以产生六路互补的PWM，还可以插入硬件死区，用来控制三相电机十分方便，同时IR2130具有六路输进信号和六路输出信号，且只需一个供电电源即可驱动三相桥式逆变电路的6个功率开关器件，一片IR2130可替换3片IR2110，使整个驱动电路更加简单可靠。基于所选芯片的以上优点，设计出数字控制的三相交流异步电动机的变频调速系统具有传统模拟控制方法无法比拟的优点，总体性能也高于其他集成芯片所组成的数字控制系统，可以推广应用。

1 三相异步电动机的调速方法

由于异步电动机的转速为，公式中为电源频率；为定子绕组的极对数；为电动机的转差率。由公式可以看出，要想调节电动机的转速，可以从改变以上3个影响因素来实现。

1.1变极调速

保证电源频率不变，改变异步电动机定子绕组的极对数，从而改变旋转磁场和转子的转速，此种方法的转子一般为笼型，无法实现平滑调速。

1.2改变转差率调速

改变转差率采用转子外加电阻的方法。

1.3变频调速

电源频率变化时，异步电动机的同步转速会随之变化，进而引起转子转速的变化，可以实现连续、平滑地调速。

1.4交—直—交变频器的基本结构

变频调速的关键是改变电源频率的同时保证电机的磁通量不变，因而也要调节输出电压，使电压和频率均可变且二者比例为常数的装置为变频器。交-直-交变频器的主电路包括整流和逆变两部分。整流电路把来自交流电网的交流电变成直流，经电容或电感滤波，再由逆变电路将直流电转换为交流电，供给三相负载。变频器原理图如图1所示。

图1

2 脉冲宽度调制技术

PWM技术是通过控制半导体开关器件的导通与关断，把直流电压变为一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，按一定的规则对各脉冲的宽度和脉冲序列周期进行调制，从而控制逆变器的输出电压和频率，使满足变频调速对U/f协调控制的要求。本文实现了基于STM32控制六路PWM输出，IR2130作为逆变电路驱动芯片控制半导体开关器件的导通与关断，从来实现电动机的变频调速。

3 变频调速系统的设计

3.1STM32及IR2130芯片简介

STM32具有2个16位的6通道高级控制定时器，高级定时器TIM1是由一个16位的自动装载计数器组成，它由一个可编程预分频器驱动。IR2130是600V以下高压集成驱动器件，它具有6路输进信号和六路输出信号。

3.2系统工作原理

对TIM1定时器进行控制，使通道1、通道2和通道3输出6路插入死区的互补PWM输出配置TIM1_CCER寄存器中的CCxP和CCxNP位，可以为每一个输出独立地选择极性，同时设置CCxE和CCxNE位将插入死区。

以通道1为例讲解如何对TIM1定时器进行控制，PWM输出脉冲周期就为重载寄存器TIM1_ARR存储的数值A加一再乘以触发脉冲的时钟周期，触发脉冲的时钟周期可以通过预分频器来设置，PWM脉冲宽度则为比较寄存器TIM1_CCR的值B乘以触发脉冲的时钟周期，即输出PWM的占空比为B/（A+1）。

计数器寄存器TIM1_CNT的当前计数值数值M在触发脉冲的驱动下累加，当TIM1_CNT的数值M大于A时，TIM1_CNT的值为置为0重新计数。而在TIM1_CNT计数的同时，计数值M会与比较寄存器预先存储的数值B进行比较，当M小于B时，输出低电平（或高电平），相反地，当M大于或等于B时，输出高电平（或低电平）。以上过程便可以实现两路互补PWM输出脉冲的频率和占空比的控制。

利用转速传感器将电动机的转速转换成矩形脉冲信号反馈到STM32单片机，单片机可以根据电动机的转速来实现实时控制。通过光电隔离和电压保护电路实现系统的稳定运行。