簡易變頻調速器研究與設計

張軍

摘要：本文旨在以某型倒角機圓周軸為控制研究對象，根據機床工作原理、工藝要求、工作環境等特點設計變頻調速的簡易專用變頻調速器，該變頻調速器是把微控制器芯片和電機調速系統結合成一個整體設備，能夠對驅動電機實施實時變頻調速控制，不僅具有通用型變頻調速器的部分變頻功能，還針對特定的控制對象具有自身特有的控制功能。

Abstract： This paper takes the circular shaft of a chamfering machine as the control and research object. The working principle， technical requirements， work environment and other characteristics of the machine are used to design the simple dedicated frequency conversion governor of variable voltage and variable frequency. The variable voltage and variable frequency governor combines the micro controller chip and motor speed control system into a whole equipment to implement real-time frequency control for the motor speed control of drive motor. It has some frequency conversion function of the universal variable voltage and variable frequency and it also has its own unique control function for the specific control object.

關鍵詞：變頻調速器；SPWM；研究

Key words： variable voltage and variable frequency；SPWM；study

中圖分類號：TK243.6 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）07-0162-03

0 引言

現今社會廣泛應用變頻調速的技術在各行各業，這種技術應用改變了傳動的方式性，改變了傳動的適用性。變頻空調的應用既是對資源的節約，又在改善人們的生活。變頻調速滿足著各種需求，變頻調速器從最初的電力電子器件的模塊化，不斷改革創新，先實現了交流電路開關的高頻化，后實現了控制手段的全數字化。當前企業生產中采用的機加工設備使用到的變頻調速器大部分為通用型變頻調速器，通用變頻調速器用于一般工業驅動，但是其通用的功能設置較為復雜造成了某些設備的功能冗雜，控制程序多，資源浪費，在這種情況下，人們對專用變頻調速器的需求越來越強烈，同時針對通用變頻調速器存在的成本高、系統復雜等問題，人們還設計了簡易變頻調速器，不僅有效解決了傳統變頻調速中存在的問題，還可將其用于某些特殊應用領域的特定的控制對象，滿足某些特定的控制要求[1]。

1 硬件電路設計

考慮到本設計中倒角機的特點及工藝要求，設計簡易變頻調速器時應綜合考慮其可靠性、經濟性和專用性等特點，功率器件選取智能功率模塊（IPM模塊作），核心控制芯片采用LM3S6911，主回路采用的是典型的交-直-交電壓源型功率變換器結構。

變頻器的主回路主要三大部分：

①整流電路：三相橋式不可控整流器。該電路的功能是將三相交流電（AC）整流：變成直流電（DC），整流后的電為脈沖電壓，必需要經濾波后供給負載。

②中間直流環節：該部分包含制動電路、限流電路、濾波電路等[3]。整流電路輸出的電壓經過中間環節輸出穩定的直流電供給后續電路。

③逆變電路。逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，該電路將中間環節輸出的直流電轉變成交流電，其輸出為PWM波形。原理圖如圖1所示。

如圖1所示：外部工頻電源R、S、T分別由接線端子J1的1、2、3端經熔斷器輸入到整流器模塊的1、2、3電源引腳，在整流電路中輸入380V三相交流電，使其變化為537V的直流電；經整流后的直流電通過濾波電路進行濾波，減小了整流后直流電中的脈動成分變成平滑的直流電；將該直流電輸入到逆變電路模塊，該直流電將被逆變成為電壓、頻率均可調的220V三相交流電，逆變電路的引腳4、5、6分別輸出U、V、W三相電壓，經接線端子J2的1、2、3端輸出給與其相連的三相交流異步電機。此外在直流回路中串入的限流電阻RL，它的功能是為了避免大電解電容在通電瞬間產生過大的沖擊電流，造成電路損壞。

控制電路的控制芯片采用LM3S6911微控制器，它擁有ARM微控制器所具有的大部分優點，其具有工作頻率為50MHz、32位RISC性能、提供系統時鐘、4個通用定時器模塊，每個模塊提供2個16位定時器。由于LM3S6911芯片的供電電壓只能是3.3V，而給整個控制系統供電的是一個外部+5V直流電源，如此在設計系統電路時必須設置一個電壓電路，以便實現兩個不同電壓的轉化，確保穩壓電源來給微控制器供電。

系統的控制單元使用DV12864C點陣LCD液晶顯示模塊，該模塊是128x64點陣LCD，將該模塊的外部引腳與LM3S6911微處理器的GPIO寄存器的外部接口相連接，構成顯示電路圖，如圖2所示，該部分電路采用8位并行傳輸方式與微控制器進行數據傳輸[3]，可將各設定參數及傳感器數值顯示出來，同時具有光標閃爍、字符移動等功能。

2 軟件設計

簡易變頻調速器既保證能夠達到性能指標要求，又簡化了通用型變頻調速器的硬件電路，因此要最大限度的保證系統的安全性、可靠性以及更好實現系統的性能指標，這無疑對軟件設計提出了更高的要求。

軟件的關鍵組成部分是SPWM的實現，隨著現代科學技術的不斷發展，SPWM波形依靠軟件就可以生成，本設計就是采用了軟件生成SPWM的方法。軟件設計的主程序主要包括初始化模塊、循環調用模塊、中斷模塊、故障檢測模塊等，通過變化各模塊的組合使用情況，改變功能模塊之間的關系，可以實現不同的功能要求。其中初始化模塊包括：ARM初始化、系統初始化、定時器（GPTM）初始化、ADC初始化、PWM寄存器初始化、PWM比較器初始化、GPIO端口初始化等。

3 實驗結果

經過多次試驗，使六路輸出的信號PWM 0-PWM 5分別經過了驅動電路控制IPM中相應IGBT管的導通與關斷，以輸出三相正弦脈寬調制波，控制電動機的變頻調速[4]。IPM的逆變橋的同一個橋臂上有上下兩個IGBT，但在實際工作過程中兩個IGBT無法同時導通，這時需要對兩者的驅動信號進行觀測，波形圖如圖3中（a）所示；并在電路正常運行的前提下對控制工作組的U相上IGBT管和V相下IGBT管的驅動信號進行了觀測，波形圖如圖3中（b）所示。

調試好的SPWM生成程序經過調試試驗發現，電機的換向控制要求基本上都可以得到滿足，因此軟件部分完成，進入硬件調試階段。在硬件調試階段，應采用示波器進行觀測同時記錄實驗結果。

4 結束語

LM3S6911芯片不僅簡化了系統的硬件電路，還有效解決了傳統系統中存在的弊端，具有很高的可靠性、實時性和準確度，系統穩定性好。

參考文獻：

[1]劉學俊，饒萬里.集中安裝效果良好——交流變頻調速器在銅精礦的應用狀況[J].電工技術雜志，2004（06）.

[2]陳立功，周志超，彭昱.基于FX2N的電機無級調速系統設計[J].西華大學學報（自然科學版），2010（01）.

[3]Rogelio Luck，Asok Ray. Experimental verification of a delay compensation algorithm for integrated communication and control systems.

[4]吳浪武，邱國旺，周林玉.PLC中移位、比較、傳送指令在順序控制程序編程方法的應用[J].化工自動化及儀表，2011（09）.