袁潔儀，仲毅凱，蔣小輝

（三峽大學(xué)科技學(xué)院 機(jī)電系，湖北 宜昌 443002）

0 引 言

與各種降壓軟啟動(dòng)器相比，變頻調(diào)壓軟啟動(dòng)具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能，能夠?qū)崿F(xiàn)軟啟動(dòng)器的所有功能，且具有功率因數(shù)高、啟動(dòng)電流小的優(yōu)點(diǎn)[1]。本文以STM32單片機(jī)作為主控單元產(chǎn)生SPWM控制脈沖實(shí)現(xiàn)變頻，完成電機(jī)調(diào)速，具有成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度及可靠性高等特點(diǎn)。

1 控制策略

交直交變頻器簡(jiǎn)稱(chēng)VVVF電源，由AC/DC和DC/AC兩類(lèi)基本的變流電路組合形成，優(yōu)點(diǎn)在于輸出頻率與輸入電源獨(dú)立。目前，對(duì)于VVVF系統(tǒng)的控制策略主要有恒壓頻比控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制，其中恒壓頻比控制方式最為簡(jiǎn)便。國(guó)內(nèi)外在牽引機(jī)車(chē)控制系統(tǒng)普遍采用的是VVVF（恒壓頻比）[2]，因此本次設(shè)計(jì)中也采用該方法。

1.1 恒壓頻比控制原理

三相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速受轉(zhuǎn)差率、極對(duì)數(shù)以及電源頻率影響，且對(duì)于VVVF系統(tǒng)而言，改變電源頻率是方便的，為此通?？刂齐娫搭l率的變化來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化。若線圈電壓恒定，改變頻率后，回路中的磁通量會(huì)隨著頻率的下降而上升，易導(dǎo)致磁路飽而燒毀電機(jī)。所以，電壓、頻率同步聯(lián)動(dòng)改變可保障電機(jī)在正常工作的條件下轉(zhuǎn)速可調(diào)。

1.2 異步電機(jī)的變頻特性

由電力拖動(dòng)的知識(shí)可知，恒氣隙磁通的異步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩可表示為：

由于采用恒壓頻比控制，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速處于正常運(yùn)行時(shí)，此時(shí)轉(zhuǎn)差率s較小，因而R'r遠(yuǎn)大于其他項(xiàng)。將分母上帶s項(xiàng)的部分均舍去，則轉(zhuǎn)矩可近似表示為：

由此可知，電機(jī)在正常運(yùn)行狀態(tài)下或是基頻以下時(shí)，采用恒壓頻比控制，可使得輸出轉(zhuǎn)矩恒定。但是，當(dāng)ω1過(guò)小時(shí)，臨界轉(zhuǎn)矩也會(huì)很小，此時(shí)可維持頻率不變，即設(shè)定頻率下限；或適當(dāng)提高電壓，作為低頻補(bǔ)償來(lái)維持帶載能力。

同時(shí)，當(dāng)電機(jī)的頻率高于額定頻率達(dá)到某一限度時(shí)，若仍采用恒壓頻比控制，會(huì)使電壓過(guò)大而破壞電機(jī)絕緣性能引發(fā)事故，故應(yīng)采用恒壓變頻控制。此時(shí)，電壓恒為UN，且電機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)差率s很小，可得到轉(zhuǎn)矩近似表達(dá)式：

綜上，當(dāng)變頻器輸出頻率在基頻以上時(shí)，采用恒壓變頻調(diào)速，使得電機(jī)處于恒功率運(yùn)行；當(dāng)變頻器輸出頻率在基頻以下時(shí)，采用恒壓頻比調(diào)速，使得電機(jī)處于恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行狀態(tài)。

1.3 恒壓頻比控制具體流程

本設(shè)計(jì)采用STM32F103型單片機(jī)作為主體控制單元。它采用Cortex-M3內(nèi)核，CPU最高速度達(dá)72 MHz，能夠出色完成設(shè)計(jì)中變頻器所需的所有計(jì)算，具體控制流程如圖1所示。

圖1 主體控制流程

通過(guò)外部按鍵可輸入變頻器的輸出頻率，當(dāng)變頻器正常啟動(dòng)時(shí)，采樣主電路的電流與電壓，將信號(hào)直接反饋到STM32自帶的A/D轉(zhuǎn)換模塊，后對(duì)信號(hào)進(jìn)行積分與絕對(duì)值變換后得到控制數(shù)據(jù)[3]。此時(shí)，對(duì)比已經(jīng)在MCU內(nèi)部存儲(chǔ)的波表輸出對(duì)應(yīng)的SPWM波形，完成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)變頻調(diào)速的目的，而電機(jī)的當(dāng)前轉(zhuǎn)速會(huì)通過(guò)液晶顯示器實(shí)時(shí)顯示。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，MCU會(huì)輸出報(bào)警信號(hào)，停止發(fā)出SWPM信號(hào)。

2 單片機(jī)控制的變頻器單元

2.1 變頻器主電路設(shè)計(jì)

變頻器主電路設(shè)計(jì)采用交-直-交變頻的VVVF設(shè)計(jì)，具有變頻范圍廣、功率因數(shù)高以及控制精準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。VVVF包括整流電路、濾波電路、逆變電路、限流電路及制動(dòng)電路。

2.1.1 整流電路

為了提高功率因數(shù)，節(jié)約制造成本，整流電路采用6個(gè)二極管相互并聯(lián)組成不可控三相整流電橋。

2.1.2 濾波電路

為了進(jìn)一步消除整流電路中產(chǎn)生的諧波干擾，提高系統(tǒng)功率因素，設(shè)計(jì)中濾波電路采用一階R-C濾波回路。它的構(gòu)造簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉且設(shè)計(jì)難度較低。

2.1.3 逆變電路

為了實(shí)現(xiàn)更高頻率的控制輸出電壓的波形，使變頻器精度更高，設(shè)計(jì)中采用6個(gè)高頻場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）相互并聯(lián)組成三相逆變橋電路。該回路為變頻器核心部分。

2.1.4 限流電路

為了防止上電瞬間濾波電容充電形成的浪涌電流損壞整流電路，設(shè)計(jì)中采用限流電阻和可關(guān)斷晶閘管組成限流電路，使浪涌電流產(chǎn)生的沖擊消耗在電阻上，從而減小對(duì)其他系統(tǒng)的影響。

2.1.5 制動(dòng)電路

制動(dòng)電路由制動(dòng)電阻R與開(kāi)關(guān)管（IGBT）構(gòu)成。當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，后方逆變電路被短路，系統(tǒng)能量被電阻R消耗。該部分主要用于能耗制動(dòng)電機(jī)，既可避免過(guò)高的泵升電壓損壞變頻器，也可用于特殊情況下緊急制動(dòng)使用。

2.2 變頻器控制電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中使用STM32F103單片機(jī)作為主控單元，具有體積小、重量輕、運(yùn)算快且價(jià)格便宜等特點(diǎn)[4]。在實(shí)際生產(chǎn)中，它最高72 MHz的工作頻率可以出色地使用規(guī)則采樣法生成所需的SPWM波。同時(shí)，為保護(hù)單片機(jī)本身不受到外界電路的干擾，在單片機(jī)與IGBT驅(qū)動(dòng)器之間加入光電耦合器6N137，使得控制回路與主電路間隔離，如圖2所示。

圖2 變頻器采樣電路圖

2.3 變頻器采樣電路設(shè)計(jì)

由于交直交變頻器實(shí)質(zhì)是對(duì)原有電能的控制與改變，為此采用高精度、快響應(yīng)的采樣電路來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)控，反映出主電路的電壓數(shù)值和電壓波形的變化是提升變頻器整體性能的關(guān)鍵。

在信號(hào)采集的前端信號(hào)變換模塊，首先考慮信號(hào)質(zhì)量與隔離措施。本文采用4個(gè)二極管串并聯(lián)（電橋電路）的形式，使得采樣點(diǎn)測(cè)得的數(shù)據(jù)十分穩(wěn)定，并在單片機(jī)接入端光電耦合器6N137。其次，對(duì)于接收儀器的適配范圍需要精細(xì)設(shè)定，如采樣信號(hào)的電壓允許變化范圍不能超過(guò)接收儀器允許范圍的3倍，同樣遠(yuǎn)小于接收儀器允許范圍的3倍的設(shè)計(jì)也是不合理的。最后，采樣阻抗的取值配比需要合理防止因阻抗不匹配造成的接收儀器損壞、采樣電路崩潰等現(xiàn)象。

2.4 變頻器保護(hù)電路設(shè)計(jì)

圖3為保護(hù)裝置的工作原理。故障時(shí)，該電路使得即使系統(tǒng)中有較高過(guò)電壓亦不會(huì)損害系統(tǒng)主體和相關(guān)人員的人身安全。此外，它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行高效且價(jià)格低廉，具有實(shí)際的工程價(jià)值。

圖3 變頻器保護(hù)電路圖

3 SPWM控制技術(shù)

SPWM全稱(chēng)為Sinusoidal Pulse Width Modulation，即正弦脈沖寬度調(diào)制技術(shù)。由采樣控制理論可知，沖量相等的窄波脈沖在慣性環(huán)節(jié)上的累積效果是一致的。因此，可通過(guò)構(gòu)造按正弦波面積變化的等幅不等寬的矩形脈沖，使得逆變器輸出正弦波電壓。由文獻(xiàn)[4]可知，使用SPWM控制可改善諧波分量，明顯提高電源利用率，所以它廣泛應(yīng)用在各類(lèi)逆變場(chǎng)合。

以三列等幅同頻相位各差120°的正弦波作為信號(hào)波，以高頻的三角波作為載波，經(jīng)比較器后輸出。由于所加載波為雙極性，所得一組信號(hào)通過(guò)取反后，可控制兩組IGBT。而阻感性負(fù)載作為輸出的慣性環(huán)節(jié)，抑制電流的突變，一定程度上使得輸出波形與正弦波更加近似。圖4為通過(guò)自然采樣法在Simulink仿真下得出的結(jié)果。由于開(kāi)關(guān)器件的通斷由調(diào)制波與載波的交點(diǎn)決定，通過(guò)Simulink仿真得出SPWM的調(diào)制波形，可記錄下各個(gè)取樣點(diǎn)維持高電平的時(shí)間矩陣[5]。即提前計(jì)算開(kāi)關(guān)角的數(shù)值波表，將波表存儲(chǔ)在MCU中；待使用時(shí)，對(duì)照波表發(fā)出指定長(zhǎng)度的脈沖寬度，即可輸出與自然調(diào)制法一致的SPWM波形。同時(shí)，若需對(duì)輸出波形的電壓做出改變，可同時(shí)乘除所有數(shù)值，等效于在自然采樣法中改變信號(hào)波的幅值；若需對(duì)輸出波形的頻率進(jìn)行改變，可同比例增減每個(gè)數(shù)值的大小，等效于在自然采樣法中改變信號(hào)波的頻率[6-7]。

圖4 利用Simulink仿真的SPWM調(diào)制波形

同時(shí)，為了提高功率因數(shù)，利用MATLAB提前采用消除指定次數(shù)諧波的PWM（SHEPWM）控制技術(shù)計(jì)算出對(duì)應(yīng)的波表（同樣按照上述的變換），可更好地提高工作效率。目前，該方法已被文獻(xiàn)[6]證實(shí)確實(shí)具有可操作性。

4 結(jié) 論

本文采用STM32F103單片機(jī)利用SPWM技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)三相恒壓頻比的變頻器設(shè)計(jì)，具有集成度高、使用方便、成本低廉以及運(yùn)行可靠等特點(diǎn)，并在以下3方面有了較大改進(jìn)。

（1）相較于傳統(tǒng)使用PWM控制芯片（EG3525）作為主控單元，可使系統(tǒng)更新調(diào)節(jié)更方便，保密性更高，同時(shí)人機(jī)交互更加完善，滿(mǎn)足工程應(yīng)用中對(duì)可靠性、安全性以及低成本的需求。

（2）對(duì)變頻器的采樣、保護(hù)單元給出實(shí)際的電路原理圖以及具體的元件參數(shù)設(shè)計(jì)，與文獻(xiàn)[7]相比，本文增加的制動(dòng)、過(guò)流的保護(hù)電路，使得系統(tǒng)在硬件成本較低的條件下仍能穩(wěn)定安全運(yùn)行。

（3）利用MATLAB仿真將提前運(yùn)算的波表存儲(chǔ)至MCU，可大幅降低單片機(jī)所需處理的數(shù)據(jù)，提高運(yùn)算速度和系統(tǒng)靈敏性。同時(shí)，通過(guò)對(duì)MATLAB仿真的波表，可提高電能質(zhì)量，使得功率因素高、啟動(dòng)電流小，降低了變頻器控制電機(jī)時(shí)產(chǎn)生的擾動(dòng)與諧波污染。