基于STM32的交流異步電機變頻控制實驗裝置設計

宋林桂

（蘇州健雄職業技術學院，江蘇 蘇州 215411）

基于STM32的交流異步電機變頻控制實驗裝置設計

宋林桂

（蘇州健雄職業技術學院，江蘇 蘇州 215411）

文章提出一種基于STM32的交流異步電機控制實驗裝置的設計方法，通過嵌入式微控制器STM32的PWM輸出模式控制輸出SVPWM波形，三相SVPWM互補信號給三相逆變IPM模塊，三相逆變IPM模塊輸出交流電控制交流異步電機的運轉。實驗結果證明，本方案可以實現交流異步電機的啟動、停止、調速和電機過流保護。

STM32；SVPWM；IPM模塊；交流異步電機

在“工業4.0”浪潮下，中國制造業面臨轉型升級關鍵時期，變頻器及自動化產業將在從“中國制造”向“中國智造”的轉變過程中發揮巨大作用。電機是我國主要的工業能耗設備，隨著我國工業節能的提速，變頻器產業會快速地發展下去。變頻器作為電機調速節能主要設備，使得電動機及其拖動負載在無需任何改動的情況下即可以按照要求調整轉速輸出，從而降低電氣控制系統功耗，達到系統高效運行的目的[1]。

1 系統總體設計

微控制器STM32是控制裝置的大腦，負責產生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。為了防止電路故障和保護電機，增加了電機電流檢測電路，當電流超過正常值時微控制器停止輸出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波形來控制電機的啟動、停止、調速、正反轉。狀態指示燈指示電動機的狀態。

圖1 系統框

2 系統硬件設計

2.1 STM32單片機最小系統

STM32單片機最小系統像其他單片機最小系統一樣，包括電源電路、晶振電路、復位電路和MCU。本設計微控制器使STM32F103VCT6，STM32F103VCT6是意法半導體推出增強型STM32系列微控制器，STM32是Cortex-M3內核32位ARM，STM32具有低功耗、低成本、高速度、高性能等優點。STM32內部集成了多路ADC、多路PWM等外設資源，現在占據工業控制領域很大的市場。

2.2 三相逆變IPM模塊介紹

智能功率模塊（Intelligent Power Module，IPM）是一種先進的功率開關器件，IPM內部集成了邏輯、控制、檢測和保護電路。IPM模塊使用方便，不僅減小了系統的體積，縮短了開發周期，也增強了系統的穩定。IPM模塊符合當今功率器件的發展要求，在功率電子領域得到了越來越廣泛的應用。IPM模塊的保護作用有控制電源欠壓鎖定保護、溫度過熱保護、負載過流和短路保護，當其中任一種保護動作時，IPM模塊的FO引腳將輸出故障信號。故障信號輸出低電平，通過高速光耦到達微控制器電路，微控制器停止PWM輸出，從而達到保護IPM模塊和電機負載的目的。本設計IPM模塊使用PM20CTM060模塊，PM20CTM060模塊內有6路IGBT，每一相輸出電路有上下兩個IGBT構成，PM20CTM060模塊供電實驗供電電壓是直流72 V，STM32微控制器通過光耦隔離輸出6路PWM給IPM模塊，每一時刻每一相輸出上下的IGBT只有一個導通，每一時刻有3個IGBT導通，6個IGBT中的3個IGBT有序地導通實現直流電轉換成三相交流電。

2.3 電流檢測電路

在IPM模塊的U，V輸出電路中直接串接MΩ級的電流采樣電阻，將輸出電流信號由采樣電阻轉化為MV級電壓信號，采樣電阻兩端連接A7840芯片的輸入端，由A7840進行光電隔離和線性傳輸，再經運放芯片進行差分放大后，送給微控制器的ADC模塊，微控制器經過運算得到輸出電流的大小。線性光耦器件A7840的輸入側和輸出側的典型供電為5 V，內部輸入電路有放大作用，且輸入電阻較大，能不失真傳輸MV級交直流信號，最大輸入電壓320 MV。輸出的信號是差分信號，輸出信號作為后級運算放大器差分輸入信號。

3 系統的軟件設計

3.1 STM32的PWM波形產生原理

STM32的高級定時器和通用定時器都可以用來產生PWM輸出，高級定時器TIM1和TIM8可以同時產生7路的PWM信號，而通用定時器也能同時產生多達4路的PWM信號，STM32最多可以同時產生30路PWM輸出。STM32的定時器比較寄存器的值除以自動重裝載值即為占空比，占空比在0%～100%，所以定時器比較寄存器的值小于自動重裝載值，否則會引起PWM的頻率或占空比的準確性。STM32的4個捕獲/比較寄存器（TIMX_CCR1～4），對應4個通道CH1～CH4設置PWM占空比。本設計使用高級定時器TIM8，使用TIM8_CH1(PC6)，TIM8_CH2(PC7)，TIM8_CH3(PC8)和PWM互補輸出端TIM8_CH1N(PA7)，TIM8_CH2N(PB0），TIM8_CH3N(PB1)。STM32的PWM互補輸出為了防止三相逆變電路上下橋臂的IGBT同時導通，PWM互補輸出時需設置死區時間。

3.2 SVPWM波形產生原理

由于逆變器三相橋臂共有6個開關管，為了研究各相上下橋臂不同開關組合時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，包括6個非零矢量 U1(001)，U2(010)，U3(011)，U4(100)，U5(101)，U6(110)和兩個零矢量U0(000)，U7(111)，給出了8個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°，而兩個零矢量幅值為零，位于中心。在每一個扇區，選擇相鄰的兩個電壓矢量以及零矢量，來合成每個扇區內的任意電壓矢量。

其中，Uref為期望電壓矢量；Ts為開關周期；Tx，Ty，T0分別為對應兩個非零電壓矢量Ux，Uy和零電壓矢量U0在一個采樣周期的作用時間。矢量Uref在Ts時間內所產生的積分效果值和Ux，Uy，U0分別在時間Tx，Ty，T0內產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IGBT管，每相上下橋臂不能同時導通。三相上下橋臂不同開關組合時，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個非零矢量U1(100)，U2(110)，U3(010)，U4(011)，U5(001)，U6(101)和兩個零矢量U0(000)，U7(111)，8個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°，而兩個零矢量幅值為零，位于中心。在每一個扇區的任意電壓矢量可以由該扇區邊上的兩個電壓矢量以及零矢量來合成，合成推倒公式如下：

其中，Uref為期望電壓矢量，Ts為開關周期，Tx，Ty，T0分別為對應兩個非零電壓矢量Ux，Uy和零電壓矢量U0在一個采樣周期的作用時間。矢量Uref在Ts時間內所產生的積分值和Ux，Uy，U0分別在時間Tx，Ty，T0內產生的積分值的和相同[2]。

圖2 電壓空間矢量圖

3.3 本設計方案SVPWM實現方法

3.3.1 扇區確定

本設計方案為了方便計算，將ABC三相電三項坐標通過clark變換轉變成αβ坐標系，Va和Vb分別為向量Uref在αβ坐標上的系數，變量Uref1，Uref2和Uref3表示ABC三項電的方向，比如當變量Uref1為正時，期望向量Uref就位于β坐標的右邊。當N=1時，Uref位于第Ⅱ扇區。當N=2時，Uref位于第Ⅵ扇區。當N=3時，Uref位于第Ⅰ扇區。當N=4時，Uref位于第Ⅳ扇區。當N=5時，Uref位于第Ⅲ扇區。當N=6時，Uref位于第Ⅴ扇區。

3.3.2 電壓矢量作用時間確定

根據每個扇區計算出電壓矢量通用作用時間X，Y和Z，并且得到每個扇區和X，Y，Z的如下對應關系，TS為向量Uref作用時間，Udc為母線電壓大小。

3.3.3 形成開關信號，控制變換器

根據7段式SVPWM算法得到控制IPM的三路上橋臂開關的PWM的脈沖寬度。

3.3.4 開關矢量時間確定

根據7段式SVPWM算法得到每個扇區和三路PWM的比較寄存器的值對應如下關系，然后把3個比較寄存器的值賦給STM32的TIM8的3個比較寄存器。

4 系統測試

本設計沒有測量IPM模塊輸出波形，為了得到三相正弦波，SVPWM波經兩階RC低通濾波器輸出如圖3所示波形，由于實驗條件有限，示波器只有兩通道，只測到兩相相位相差120°的波形。

5 結語

實驗結果證明，本方案可以實現交流異步電機的啟動、停止、調速和電機過流保護。三相交流異步電機低成本控制方案。

圖3 馬鞍波形圖

[1] 佚名.工業節能加速工控變頻器等產業前景利好[J].起重運輸機械，2015（3）：110.

[2] 武麗曉.基于FPGA的SVPWM系統設計及Simulink仿真[D].保定：河北大學，2014.

[3] 董昊，石九龍，劉錦高.基于STM32F103的貼片機控制系統的設計與實現[J].電子設計工程，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年度蘇州健雄職業技術學院“三級聯動”科研基金項目；項目名稱：工業變頻器電路故障排除方法研究與實施；項目編號：2017SJLD18。項目名稱：基于多平臺云端通信的空調智能語音控制系統研發；項目編號：2017SJLD15。

宋林桂（1990— ），男，安徽亳州人，助理實驗師，碩士；研究方向：嵌入式應用設計。