宋林桂

（蘇州健雄職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215411）

基于STM32的交流異步電機(jī)變頻控制實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

宋林桂

（蘇州健雄職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215411）

文章提出一種基于STM32的交流異步電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)嵌入式微控制器STM32的PWM輸出模式控制輸出SVPWM波形，三相SVPWM互補(bǔ)信號(hào)給三相逆變IPM模塊，三相逆變IPM模塊輸出交流電控制交流異步電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，本方案可以實(shí)現(xiàn)交流異步電機(jī)的啟動(dòng)、停止、調(diào)速和電機(jī)過(guò)流保護(hù)。

STM32；SVPWM；IPM模塊；交流異步電機(jī)

在“工業(yè)4.0”浪潮下，中國(guó)制造業(yè)面臨轉(zhuǎn)型升級(jí)關(guān)鍵時(shí)期，變頻器及自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)將在從“中國(guó)制造”向“中國(guó)智造”的轉(zhuǎn)變過(guò)程中發(fā)揮巨大作用。電機(jī)是我國(guó)主要的工業(yè)能耗設(shè)備，隨著我國(guó)工業(yè)節(jié)能的提速，變頻器產(chǎn)業(yè)會(huì)快速地發(fā)展下去。變頻器作為電機(jī)調(diào)速節(jié)能主要設(shè)備，使得電動(dòng)機(jī)及其拖動(dòng)負(fù)載在無(wú)需任何改動(dòng)的情況下即可以按照要求調(diào)整轉(zhuǎn)速輸出，從而降低電氣控制系統(tǒng)功耗，達(dá)到系統(tǒng)高效運(yùn)行的目的[1]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

微控制器STM32是控制裝置的大腦，負(fù)責(zé)產(chǎn)生SVPWM波形給三相逆變電路，三相逆變電路輸出三相交流電給交流異步電機(jī)。為了防止電路故障和保護(hù)電機(jī)，增加了電機(jī)電流檢測(cè)電路，當(dāng)電流超過(guò)正常值時(shí)微控制器停止輸出SVPWM波形。按鍵控制電路輸入給微控制器，微控制器輸出不同的SVPWM波形來(lái)控制電機(jī)的啟動(dòng)、停止、調(diào)速、正反轉(zhuǎn)。狀態(tài)指示燈指示電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)。

圖1 系統(tǒng)框

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)

STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)像其他單片機(jī)最小系統(tǒng)一樣，包括電源電路、晶振電路、復(fù)位電路和MCU。本設(shè)計(jì)微控制器使STM32F103VCT6，STM32F103VCT6是意法半導(dǎo)體推出增強(qiáng)型STM32系列微控制器，STM32是Cortex-M3內(nèi)核32位ARM，STM32具有低功耗、低成本、高速度、高性能等優(yōu)點(diǎn)。STM32內(nèi)部集成了多路ADC、多路PWM等外設(shè)資源，現(xiàn)在占據(jù)工業(yè)控制領(lǐng)域很大的市場(chǎng)。

2.2 三相逆變IPM模塊介紹

智能功率模塊（Intelligent Power Module，IPM）是一種先進(jìn)的功率開(kāi)關(guān)器件，IPM內(nèi)部集成了邏輯、控制、檢測(cè)和保護(hù)電路。IPM模塊使用方便，不僅減小了系統(tǒng)的體積，縮短了開(kāi)發(fā)周期，也增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定。IPM模塊符合當(dāng)今功率器件的發(fā)展要求，在功率電子領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。IPM模塊的保護(hù)作用有控制電源欠壓鎖定保護(hù)、溫度過(guò)熱保護(hù)、負(fù)載過(guò)流和短路保護(hù)，當(dāng)其中任一種保護(hù)動(dòng)作時(shí)，IPM模塊的FO引腳將輸出故障信號(hào)。故障信號(hào)輸出低電平，通過(guò)高速光耦到達(dá)微控制器電路，微控制器停止PWM輸出，從而達(dá)到保護(hù)IPM模塊和電機(jī)負(fù)載的目的。本設(shè)計(jì)IPM模塊使用PM20CTM060模塊，PM20CTM060模塊內(nèi)有6路IGBT，每一相輸出電路有上下兩個(gè)IGBT構(gòu)成，PM20CTM060模塊供電實(shí)驗(yàn)供電電壓是直流72 V，STM32微控制器通過(guò)光耦隔離輸出6路PWM給IPM模塊，每一時(shí)刻每一相輸出上下的IGBT只有一個(gè)導(dǎo)通，每一時(shí)刻有3個(gè)IGBT導(dǎo)通，6個(gè)IGBT中的3個(gè)IGBT有序地導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)直流電轉(zhuǎn)換成三相交流電。

2.3 電流檢測(cè)電路

在IPM模塊的U，V輸出電路中直接串接MΩ級(jí)的電流采樣電阻，將輸出電流信號(hào)由采樣電阻轉(zhuǎn)化為MV級(jí)電壓信號(hào)，采樣電阻兩端連接A7840芯片的輸入端，由A7840進(jìn)行光電隔離和線性傳輸，再經(jīng)運(yùn)放芯片進(jìn)行差分放大后，送給微控制器的ADC模塊，微控制器經(jīng)過(guò)運(yùn)算得到輸出電流的大小。線性光耦器件A7840的輸入側(cè)和輸出側(cè)的典型供電為5 V，內(nèi)部輸入電路有放大作用，且輸入電阻較大，能不失真?zhèn)鬏擬V級(jí)交直流信號(hào)，最大輸入電壓320 MV。輸出的信號(hào)是差分信號(hào)，輸出信號(hào)作為后級(jí)運(yùn)算放大器差分輸入信號(hào)。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 STM32的PWM波形產(chǎn)生原理

STM32的高級(jí)定時(shí)器和通用定時(shí)器都可以用來(lái)產(chǎn)生PWM輸出，高級(jí)定時(shí)器TIM1和TIM8可以同時(shí)產(chǎn)生7路的PWM信號(hào)，而通用定時(shí)器也能同時(shí)產(chǎn)生多達(dá)4路的PWM信號(hào)，STM32最多可以同時(shí)產(chǎn)生30路PWM輸出。STM32的定時(shí)器比較寄存器的值除以自動(dòng)重裝載值即為占空比，占空比在0%～100%，所以定時(shí)器比較寄存器的值小于自動(dòng)重裝載值，否則會(huì)引起PWM的頻率或占空比的準(zhǔn)確性。STM32的4個(gè)捕獲/比較寄存器（TIMX_CCR1～4），對(duì)應(yīng)4個(gè)通道CH1～CH4設(shè)置PWM占空比。本設(shè)計(jì)使用高級(jí)定時(shí)器TIM8，使用TIM8_CH1(PC6)，TIM8_CH2(PC7)，TIM8_CH3(PC8)和PWM互補(bǔ)輸出端TIM8_CH1N(PA7)，TIM8_CH2N(PB0），TIM8_CH3N(PB1)。STM32的PWM互補(bǔ)輸出為了防止三相逆變電路上下橋臂的IGBT同時(shí)導(dǎo)通，PWM互補(bǔ)輸出時(shí)需設(shè)置死區(qū)時(shí)間。

3.2 SVPWM波形產(chǎn)生原理

由于逆變器三相橋臂共有6個(gè)開(kāi)關(guān)管，為了研究各相上下橋臂不同開(kāi)關(guān)組合時(shí)逆變器輸出的空間電壓矢量 (Sa，Sb，Sc)的全部可能組合共有8個(gè)，包括6個(gè)非零矢量 U1(001)，U2(010)，U3(011)，U4(100)，U5(101)，U6(110)和兩個(gè)零矢量U0(000)，U7(111)，給出了8個(gè)基本電壓空間矢量的大小和位置。其中非零矢量的幅值，相鄰的矢量間隔60°，而兩個(gè)零矢量幅值為零，位于中心。在每一個(gè)扇區(qū)，選擇相鄰的兩個(gè)電壓矢量以及零矢量，來(lái)合成每個(gè)扇區(qū)內(nèi)的任意電壓矢量。

其中，Uref為期望電壓矢量；Ts為開(kāi)關(guān)周期；Tx，Ty，T0分別為對(duì)應(yīng)兩個(gè)非零電壓矢量Ux，Uy和零電壓矢量U0在一個(gè)采樣周期的作用時(shí)間。矢量Uref在Ts時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的積分效果值和Ux，Uy，U0分別在時(shí)間Tx，Ty，T0內(nèi)產(chǎn)生的積分效果相加總和值相同[2]。

IPM模塊三相橋臂共有6個(gè)IGBT管，每相上下橋臂不能同時(shí)導(dǎo)通。三相上下橋臂不同開(kāi)關(guān)組合時(shí)，IPM模塊輸出的空間電壓矢量(Sa，Sb，Sc)的組合共有8種可能，包括6個(gè)非零矢量U1(100)，U2(110)，U3(010)，U4(011)，U5(001)，U6(101)和兩個(gè)零矢量U0(000)，U7(111)，8個(gè)基本電壓空間矢量的大小和位置如圖2所示。其中非零矢量的幅值一樣大，相鄰的矢量間隔60°，而兩個(gè)零矢量幅值為零，位于中心。在每一個(gè)扇區(qū)的任意電壓矢量可以由該扇區(qū)邊上的兩個(gè)電壓矢量以及零矢量來(lái)合成，合成推倒公式如下：

其中，Uref為期望電壓矢量，Ts為開(kāi)關(guān)周期，Tx，Ty，T0分別為對(duì)應(yīng)兩個(gè)非零電壓矢量Ux，Uy和零電壓矢量U0在一個(gè)采樣周期的作用時(shí)間。矢量Uref在Ts時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的積分值和Ux，Uy，U0分別在時(shí)間Tx，Ty，T0內(nèi)產(chǎn)生的積分值的和相同[2]。

圖2 電壓空間矢量圖

3.3 本設(shè)計(jì)方案SVPWM實(shí)現(xiàn)方法

3.3.1 扇區(qū)確定

本設(shè)計(jì)方案為了方便計(jì)算，將ABC三相電三項(xiàng)坐標(biāo)通過(guò)clark變換轉(zhuǎn)變成αβ坐標(biāo)系，Va和Vb分別為向量Uref在αβ坐標(biāo)上的系數(shù)，變量Uref1，Uref2和Uref3表示ABC三項(xiàng)電的方向，比如當(dāng)變量Uref1為正時(shí)，期望向量Uref就位于β坐標(biāo)的右邊。當(dāng)N=1時(shí)，Uref位于第Ⅱ扇區(qū)。當(dāng)N=2時(shí)，Uref位于第Ⅵ扇區(qū)。當(dāng)N=3時(shí)，Uref位于第Ⅰ扇區(qū)。當(dāng)N=4時(shí)，Uref位于第Ⅳ扇區(qū)。當(dāng)N=5時(shí)，Uref位于第Ⅲ扇區(qū)。當(dāng)N=6時(shí)，Uref位于第Ⅴ扇區(qū)。

3.3.2 電壓矢量作用時(shí)間確定

根據(jù)每個(gè)扇區(qū)計(jì)算出電壓矢量通用作用時(shí)間X，Y和Z，并且得到每個(gè)扇區(qū)和X，Y，Z的如下對(duì)應(yīng)關(guān)系，TS為向量Uref作用時(shí)間，Udc為母線電壓大小。

3.3.3 形成開(kāi)關(guān)信號(hào)，控制變換器

根據(jù)7段式SVPWM算法得到控制IPM的三路上橋臂開(kāi)關(guān)的PWM的脈沖寬度。

3.3.4 開(kāi)關(guān)矢量時(shí)間確定

根據(jù)7段式SVPWM算法得到每個(gè)扇區(qū)和三路PWM的比較寄存器的值對(duì)應(yīng)如下關(guān)系，然后把3個(gè)比較寄存器的值賦給STM32的TIM8的3個(gè)比較寄存器。

4 系統(tǒng)測(cè)試

本設(shè)計(jì)沒(méi)有測(cè)量IPM模塊輸出波形，為了得到三相正弦波，SVPWM波經(jīng)兩階RC低通濾波器輸出如圖3所示波形，由于實(shí)驗(yàn)條件有限，示波器只有兩通道，只測(cè)到兩相相位相差120°的波形。

5 結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，本方案可以實(shí)現(xiàn)交流異步電機(jī)的啟動(dòng)、停止、調(diào)速和電機(jī)過(guò)流保護(hù)。三相交流異步電機(jī)低成本控制方案。

圖3 馬鞍波形圖

[1] 佚名.工業(yè)節(jié)能加速工控變頻器等產(chǎn)業(yè)前景利好[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2015（3）：110.

[2] 武麗曉.基于FPGA的SVPWM系統(tǒng)設(shè)計(jì)及Simulink仿真[D].保定：河北大學(xué)，2014.

[3] 董昊，石九龍，劉錦高.基于STM32F103的貼片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2014（4）：159-161.

Design of frequency conversion control experiment device of AC asynchronous motor based on STM32

Song Lingui
（Chien-shiung Institute of Technology, Suzhou 215411, China）

This paper proposes a design method of AC asynchronous motor control experimental device based on STM32, the embedded micro PWM output mode control SVPWM output waveform of the STM32 controller, three-phase SVPWM complementary signal to the three-phase inverter IPM output module, three-phase IPM inverter module AC control of AC asynchronous motor operation.The experimental results show that this scheme can realize the start, stop, speed regulation and motor over-current protection of AC asynchronous motor.

STM32; SVPWM; IPM module; AC asynchronous motor

2017年度蘇州健雄職業(yè)技術(shù)學(xué)院“三級(jí)聯(lián)動(dòng)”科研基金項(xiàng)目；項(xiàng)目名稱(chēng)：工業(yè)變頻器電路故障排除方法研究與實(shí)施；項(xiàng)目編號(hào)：2017SJLD18。項(xiàng)目名稱(chēng)：基于多平臺(tái)云端通信的空調(diào)智能語(yǔ)音控制系統(tǒng)研發(fā)；項(xiàng)目編號(hào)：2017SJLD15。

宋林桂（1990— ），男，安徽亳州人，助理實(shí)驗(yàn)師，碩士；研究方向：嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)。