小功率变频调速控制器的开发

王舵

（西安石油大学电子工程学院，西安710065）

0 引言

目前，市场上的通用变频器大多采用恒压频比控制方法[1]，对各种不同性质的负载无差别对待，有的功能虽多，但是价格高，调速性能和特定需求不匹配，往往是性能价格比不高，为此，针对民用领域的小功率交流电机，开发一种低成本且调速性能较好的调速控制器，能够满足人们对于交流调速控制多样化的需求，也能够在市场中体现出一定的商业价值。

1 调速器硬件组成

该调速器的输入是单相交流电，输出是电压频率和幅值可调的三相交流电。调速器硬件电路由主电路和控制电路组成，如图1 所示，其中主电路包括电源电路和逆变电路，电源电路的作用是对输入的单相交流电进行整流滤波，用以保证输入逆变电路的电压为大小恒定的直流电压，并且为电动机提供无功功率；控制电路是以STM32F103ZET6 为核心的数字电路，主要功能是接受各种设定信息和指令，再根据它们的要求形成驱动逆变电路工作的SPWM 信号。

图1 调速器结构框图

1.1 主电路

主电路结构图如图2 所示，整流电路采用不可控单相整流桥，中间直流电路采用两个耐压较高的电解电容并联。目前在逆变器中，逆变模块（IPM）被广泛使用，使得中小功率变频器的主电路得以简化[2]，在设计中，逆变环节采用IPM 模块。为了防止滤波电容在通电瞬间出现过大的充电电流，在整流器和滤波电容之间串入了限流电阻[3]，用继电器实现对限流电阻的适时短路，防止由于限流电阻的长时间接入增加电路功率损耗，影响调速性能。

图2 主电路结构图

1.2 直流信号检测电路

直流信号检测电路如图3 所示，包括直流电压检测电路和直流电流检测电路。直流电压信号取自滤波电容两端，经电阻R18 和R19 串联分压，取R19 两端电压，经过电阻R20 限流和电容C3 滤波，将小电压信号通过运算放大器LM358P 输入至主控芯片；直流电流信号用小电阻采样法采集，采样电阻和IPM 串联，流过采样电阻的电流就是流过IPM 的电流，取采样电阻两端电压，经过电阻R21 限流和电容C4 滤波，将小电压信号通过LM358P 放大和隔离后输入至主控芯片AD 口，其中电阻R22 的作用是使运放同相和反相输入端对地压降相同，减小运算误差，电容C5 的作用是增强高频段的负反馈[4]。前述输入至主控芯片的直流电压、电流信号与设定值比较，当偏差过大时，主控芯片停止SPWM 信号的输出，起到过压、欠压和过流保护作用。

图3 直流信号检测电路

1.3 辅助电路

辅助电源电路的功能是降低输入220V 单相交流电的电压，以满足不同电路对电压的需求，首先采用18V 外接变压器进行降压，降压后经过二极管整流桥和电容滤波，输入稳压管LM7815，LM7815 一方面向外输出+15V 电压，另一方面继续经过LM7805 向外提供+5V 电压。

除了上述电路，调速器还设计有转速反馈电路、按键和显示电路。转速反馈电路通过采集光电编码器输出的脉冲信号，经过光电耦合器隔离和电容滤波后，输入到主控芯片AD 口；主控芯片通过按键接收转速指令，并通过显示模块显示电机实时转速。

2 软件设计

调速器的软件算法包括主程序和子程序，其中主程序主要进行子程序函数的初始化和调用，子程序包括SPWM 生成、转速检测、模数转换、按键和显示、反馈PI 计算等程序。电机转速调节流程图如图4 所示。

图4 电机转速调节流程图

主控芯片通过直流信号检测电路和模数转换程序获取直流信号反馈值，当直流信号反馈值在设定值范围内时进行程序下一步，不在设定值范围内时触发故障中断程序并停止SPWM 控制信号输出；主控芯片通过按键获取转速设定值，与转速反馈值进行转速PI 程序运算，PI 调节器的输出转差频率值与实际转速值相加，得到定子频率给定值，再根据电压-频率函数得到定子电压给定值，用定子电压值和定子频率值产生相对应的6 路SPWM 控制信号，经光电隔离驱动电路，对IPM 中的IGBT 进行实时导通和关断控制，由此得到三相异步电机调速所需的电压频率和幅值，从而实现转速闭环控制。

3 调试与测试

调速器的核心是输出满足要求的6 路SPWM 控制信号，因为SPWM 控制信号的死区时间、频率等参数设置不正确时将直接影响逆变电路输出波形，甚至损坏IPM 模块，因此在调速测试前首先对SPWM 控制信号进行测试。由于IPM 中的IGBT 死区时间不能低于2.5 微秒，在程序中将死区时间设置为3.2 微秒。

测试用的三相鼠笼式异步电动机铭牌参数包括额定功率100W，额定电压220V，额定电流0.5A，频率50Hz，额定转速1420r/min，三角形接法，绝缘等级E级。测试中，所有设备的电源使用单相220V 交流电，在确认接线正确后进行上电。

在电机空载状态下进行转速测试，通过按键改变调速器输出电压频率，从显示模块上读取电机转速值，当设定转速为720 r/min 时，显示模块的显示界面如图5 所示。经过测试，该调速器可以输出的正弦电压频率范围是2Hz～60Hz，在该范围内电机能够稳定运行。

4 结语

本文给出了基于主控芯片STM32 的变频调速控制器硬件电路和软件程序设计，并对调速器控制性能进行了测试。该调速器具有结构简单、成本低、可扩展性强等特点，经过继续开发，可推广用于含有三相异步电动机的民用家电，例如洗衣机、跑步机，从而进一步提高产品性能、降低生产成本。

图5 显示模块的显示界面