鞏銀苗，魯西坤，徐 帥，邢春芳，姬鵬飛

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基于STM32的六脈波交交變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鞏銀苗1，魯西坤1，徐 帥2，邢春芳1，姬鵬飛1

（1.安陽(yáng)工學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院，河南 安陽(yáng) 455000；2.國(guó)網(wǎng)河南鄲城縣供電公司，河南 鄲城 477150)

本文針對(duì)傳統(tǒng)的交交變頻器輸出波形諧波含量大的問(wèn)題，結(jié)合變頻調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，設(shè)計(jì)出一款六脈波交交變頻調(diào)速系統(tǒng)，主要從系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面對(duì)交交變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行研究，并以STM32F103ZET6為主控芯片，設(shè)計(jì)出周邊控制和保護(hù)電路，搭建出交交變頻器的調(diào)速平臺(tái)，編寫(xiě)出實(shí)時(shí)在線計(jì)算的交交變頻調(diào)速程序。研究表明，此系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)變頻調(diào)速，且調(diào)速效果比傳統(tǒng)的交交變頻系統(tǒng)要好很多。

交交變頻器；六脈波；實(shí)時(shí)在線計(jì)算；調(diào)速

0 前言

變頻調(diào)速技術(shù)作為一種調(diào)速方案，廣泛應(yīng)用于電氣傳動(dòng)各個(gè)領(lǐng)域[1-3]。近幾年，工業(yè)生產(chǎn)對(duì)調(diào)速性能要求不斷提高，對(duì)交交變頻器也提出了挑戰(zhàn)[4]。然而，傳統(tǒng)的三脈波交交變頻器由于使用的是離線編程，查找控制字的方式造成系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性不夠，輸出頻率低，輸出的電壓和電流波形的正弦度不好，諧波含量大[5]。這就給交交變頻器的應(yīng)用造成了一定的困擾。

為了適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)對(duì)調(diào)速系統(tǒng)要求的不斷提高，優(yōu)化系統(tǒng)的控制方案，提高系統(tǒng)的控制精度勢(shì)在必行。本文在傳統(tǒng)的交交變頻器的基礎(chǔ)上[6]，引入六脈波的理論，搭建了基于先進(jìn)的STM32F103ZET6控制芯片的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，包括主電路以及周邊電路的設(shè)計(jì)，在STM32的編輯環(huán)境下編寫(xiě)實(shí)時(shí)在線程序進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，六脈波交交變頻器的輸出結(jié)果能夠在一定程度上減少系統(tǒng)輸出的電壓諧波，提高系統(tǒng)的輸出波形，是一種可以用于生產(chǎn)實(shí)踐的控制理論。

1 六脈波交交變頻原理

交交變頻器的輸出頻率公式為：

由公式（1）可得：當(dāng)時(shí)=6，=50Hz時(shí)所構(gòu)成的變頻器結(jié)構(gòu)即為六脈波交交變頻器。其輸入輸出關(guān)系如下式：

2 六脈波交交變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)

根據(jù)交交變頻器的基本原理，結(jié)合所要加入的六脈波的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)調(diào)速系統(tǒng)的主電路，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：該系統(tǒng)的主電路由變壓器（包括同步變壓器和3相變6相變壓器）、功率單元電路（晶閘管）、保護(hù)電路等部分構(gòu)成[7]。其中保護(hù)電路部分包括快速熔斷器和阻容保護(hù)電路兩部分?？焖偃蹟嗥髦饕窃诎l(fā)生短路或者電路電流過(guò)大時(shí)起作用的，對(duì)全部的用電設(shè)備起到保護(hù)的作用。阻容保護(hù)電路是指并聯(lián)在晶閘管兩端的電阻和電容組成的保護(hù)電路，主要是為了減小晶閘管的頻繁開(kāi)關(guān)引起的電壓過(guò)沖而設(shè)計(jì)的[8]。

圖1 六脈波交交變頻系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)圖

3 六脈波交交變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制及保護(hù)電路設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)控制及保護(hù)電路主要由CPU及擴(kuò)展電路、同步電路、信號(hào)檢測(cè)模塊、通信接口、脈沖觸發(fā)模塊、人機(jī)界面和電流保護(hù)電路等模塊構(gòu)成[9,10]?？刂坪捅Ｗo(hù)電路的總結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

（1）CPU及擴(kuò)展電路。綜合考慮系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)以及為以后的擴(kuò)展功能預(yù)留部分功能模塊。本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)的時(shí)候選用了意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F103系列中配置最高的基于Cortex-M3內(nèi)核的32位處理器STM32F103ZET6，其主頻為72M[11,12]。

圖2 控制電路框圖

（2）同步電路。同步電路部分的主要功能就是保持觸發(fā)脈沖與主電路的時(shí)序同步。同步信號(hào)是將三相工頻電源變成方波同步信號(hào)，然后作為鎖相環(huán)的輸入，通過(guò)鎖相環(huán)和CPU相連，然后經(jīng)過(guò)CPU的計(jì)數(shù)處理，實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)和電源信號(hào)的時(shí)序同步，以保證觸發(fā)脈沖有序地發(fā)送，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的變頻輸出。

（3）信號(hào)檢測(cè)模塊。該模塊包括電壓、電流和速度檢測(cè)。電壓和電流檢測(cè)部分經(jīng)過(guò)處理之后，連接到示波器上，用于觀察電壓和電流的波形。速度檢測(cè)部分則采用光電編碼器，其型號(hào)為OVW2-1024-2MHT，每轉(zhuǎn)發(fā)出200個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，經(jīng)過(guò)整形和隔離電路后，傳入到CPU中，再設(shè)定一定的采樣周期，通過(guò)CPU的計(jì)數(shù)器記錄到的脈沖數(shù)的多少來(lái)計(jì)算電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

（4）串行通信接口。該模塊的主要作用就是建立控制板和上位機(jī)之間的相互通信。CPU將檢測(cè)到的電壓電流和轉(zhuǎn)速信號(hào)，通過(guò)串行口傳給上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制。

（5）觸發(fā)脈沖放大輸出。由于EP610發(fā)出的觸發(fā)信號(hào)是5V的低壓信號(hào)，加上EP610的驅(qū)動(dòng)能力有限，所以該部分的主要作用就是將EP610發(fā)出的觸發(fā)信號(hào)放大到24V，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)晶閘管的控制。

（6）電流保護(hù)模塊。由于在系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程中，負(fù)載發(fā)生突變時(shí)，系統(tǒng)升速、降速時(shí)間設(shè)置得過(guò)短時(shí)，電機(jī)發(fā)生故障等情況下系統(tǒng)都會(huì)出現(xiàn)過(guò)電流。為了避免系統(tǒng)出現(xiàn)大電流而損壞變頻器，需要在控制電路中加入過(guò)電流保護(hù)[13-15]。其保護(hù)原理圖如圖3所示。

圖3 電流保護(hù)電路

4 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序流程如圖4所示。首先要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化操作，包括系統(tǒng)時(shí)鐘的設(shè)定、GPIO的定義（主要包括管腳的工作模式、頻率等）、中斷的配置（主要是中斷分組和優(yōu)先級(jí)設(shè)置）、定時(shí)器的初始化、串口的初始化以及實(shí)時(shí)在線計(jì)算函數(shù)的各個(gè)參數(shù)的初始值的設(shè)定等。在系統(tǒng)時(shí)鐘配置的時(shí)候，將倍頻配置為9倍頻，配合外部8MHz晶振，使系統(tǒng)主頻達(dá)到72MHz最大主頻[16]。為了適應(yīng)脈沖觸發(fā)信號(hào)的實(shí)時(shí)性的需求，在對(duì)中斷進(jìn)行配置時(shí)，把定時(shí)器3中斷的響應(yīng)優(yōu)先級(jí)和搶占優(yōu)先級(jí)都設(shè)置為最高；將定時(shí)器4中斷的搶占優(yōu)先級(jí)和響應(yīng)優(yōu)先級(jí)設(shè)置為第二，作為系統(tǒng)的采樣中斷。

圖4 系統(tǒng)主程序流程圖

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

按照設(shè)計(jì)好的主電路和控制電路搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并根據(jù)交交變頻器基本原理和余弦交接法的計(jì)算辦法，在STM32F103ZET6編輯環(huán)境下編寫(xiě)實(shí)驗(yàn)程序，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

從圖5中可以清楚地看出：系統(tǒng)能夠很穩(wěn)定地輸出10Hz的交流電，并且輸出的電壓波形的正弦度，對(duì)稱性都較好，并且在實(shí)現(xiàn)電流換向之后，系統(tǒng)的輸出也沒(méi)有明顯的畸變，整體上電壓波形沒(méi)有大的諧波出現(xiàn)。這點(diǎn)還可以從電壓的頻譜圖上看出，電壓的各次諧波含量都較少，也沒(méi)有明顯的高次諧波出現(xiàn)，經(jīng)過(guò)傅里葉分析可知，此種情況下的輸出電壓總諧波含量為24.01%。

圖5 輸出電壓波形及諧波（10Hz）

從圖6中可以看出：輸出的電流波形整體上正弦度比較好，波形的對(duì)稱性也較好，并且波形具有很好的平滑性，尤其是在電流換向的附近，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的死區(qū)或者環(huán)流現(xiàn)象，能夠很順利的實(shí)現(xiàn)電流的換向。由電流頻譜圖可以直觀地看出該控制模式下輸出的電流諧波含量是極少的，沒(méi)有明顯的諧波分量出現(xiàn)，電流的總諧波含量為16.54%。

圖6 輸出電流波形及諧波（10Hz）

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的六脈波交交變頻調(diào)速系統(tǒng)以及其主電路和控制電路，搭建基于STM32F103ZET6主控芯片的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，經(jīng)過(guò)軟件編程，進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，此系統(tǒng)不僅提高了六脈波交交變頻器調(diào)速方式的可行性和可靠性，而且系統(tǒng)輸出電壓和電流波形的正弦度較好，諧波含量也較低。該調(diào)速系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)研究和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒕哂泻芨叩膽?yīng)用價(jià)值，可以大面積推廣應(yīng)用。

[1] 丁紅旗, 徐千鳴, 等. 模塊化多電平交交變頻電源負(fù)序補(bǔ)償控制方法[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2017, 41(9):166-173.

[2] 汪滿, 許正望, 等. 一種三重化三相橋式全控整流電路的研究[J]. 電氣應(yīng)用, 2015, 41(9): 166-173.

[3] 楊樹(shù)德. 變結(jié)構(gòu)六脈波雙變量交-交變頻閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)專家PID控制策略研究[D]. 焦作: 河南理工大學(xué), 2012.

[4] 趙爭(zhēng)鳴. 電力電子技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展綜述[J]. 中國(guó)集成電路, 2003(7): 13-15.

[5] 陳伯時(shí). 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2000.

[6] 馮明遠(yuǎn), 杜慶楠. 六脈波交交變頻雙饋系統(tǒng)調(diào)速策略[J]. 電機(jī)與控制應(yīng)用,2009, 36(12): 30-33.

[7] 田力. 六脈波雙變量交-交連續(xù)變頻調(diào)速系統(tǒng)閉環(huán)控制策略研究[D]. 焦作: 河南理工大學(xué), 2014.

[8] 倪璐, 田力. 六脈波雙變量交交變頻調(diào)速系統(tǒng)的Matlab仿真[J]. 上海有色金屬, 2014(4): 165-169

[9] 李飛. 基于矢量控制的交流電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)[D]. 合肥工業(yè)大學(xué), 2010.

[10] 馮高明, 李玉東, 杜慶楠. 電動(dòng)葫蘆型橋式起重機(jī)交-交變頻驅(qū)動(dòng)裝置的研制[J]. 電氣傳動(dòng), 2010, 40(4): 28-31.

[11] 席鑫寧, 潘宏俠. 基于DSP的電機(jī)控制與狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].大電機(jī)技術(shù), 2009(3):31-33+37.

[12] 李寧. 基于MDK的STM32處理器開(kāi)發(fā)應(yīng)用[M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2008.

[13] 雷向福, 張顆, 周德富, 王艷, 王振, 李素平. 基于軋鋼用LCI變頻調(diào)速三相同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)與分析[J]. 大電機(jī)技術(shù), 2013(2):31-33+38.

[14] 許建國(guó). 電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)[M]. 北京：高等教育出版社, 2004.

[15] 方慧榮, 鄧先明, 上官璇峰. 電機(jī)原理及拖動(dòng)基礎(chǔ)[M]. 徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社, 2004.

[16] 徐波, 張雅琦. 三峽地下電站某機(jī)組分段關(guān)閉裝置設(shè)計(jì)改進(jìn)[J]. 大電機(jī)技術(shù), 2015(1):62-64.

[17] 杜慶楠, 魯西坤, 等. 雙變量變頻器雙側(cè)供電閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的研究[J]. 河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2015, 34(3):384-389.

Design of Six Pulse Cycloconverter Control System Based on STM32

GONG Yinmiao1, LU Xikun1, XU Shuai2, XING Chunfang1, JI Pengfei1

(1. Electronic Information and Electrical Engineering Department, Anyang Institute of Technology, Anyang 455000, China; 2. Dancheng Power Supply Company, State Grid of Henan, Dancheng 477150, China)

In view of the shortcomings of traditional cycloconverter output waveform and large harmonic content, combined with the development trend of variable frequency speed regulation system, this paper mainly studies two aspects of system design, including hardware circuit design and software design. A six pulse cycloconverter control system is proposed, and with STM32F103ZET6 as the main control chip, peripheral control and protection circuit are designed, a platform for cycloconverter speed adjusting is built. A program for real-time calculation of cycloconverter speed control is developed. Experimental verification is carried out under the built speed control system. The research shows that the six pulse cycloconverter can achieve variable frequency speed regulation, and the speed regulation effect is better than the traditional cycloconverter.

cycloconverter; six pulse; real-time online calculation; speed regulation

TM301.2, TM921.51

A

1000-3983(2018)05-0054-04

2018-02-05

鞏銀苗(1987- )，碩士，研究方向：電力電子裝置與電氣傳動(dòng)、高電壓技術(shù)，現(xiàn)主要從事交交變頻的理論與實(shí)踐研究工作，講師。

安陽(yáng)工學(xué)院2018年度校青年基金（QJJ2018010）