基于STM32的六脈波交交變頻調速系統設計

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速系統設計

鞏銀苗1，魯西坤1，徐 帥2，邢春芳1，姬鵬飛1

（1.安陽工學院電子信息與電氣工程學院，河南 安陽 455000；2.國網河南鄲城縣供電公司，河南 鄲城 477150)

本文針對傳統的交交變頻器輸出波形諧波含量大的問題，結合變頻調速系統的發展趨勢，設計出一款六脈波交交變頻調速系統，主要從系統硬件電路設計和軟件設計兩個方面對交交變頻調速系統進行研究，并以STM32F103ZET6為主控芯片，設計出周邊控制和保護電路，搭建出交交變頻器的調速平臺，編寫出實時在線計算的交交變頻調速程序。研究表明，此系統不僅能夠實現變頻調速，且調速效果比傳統的交交變頻系統要好很多。

交交變頻器；六脈波；實時在線計算；調速

0 前言

變頻調速技術作為一種調速方案，廣泛應用于電氣傳動各個領域[1-3]。近幾年，工業生產對調速性能要求不斷提高，對交交變頻器也提出了挑戰[4]。然而，傳統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的實時性不夠，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用造成了一定的困擾。

為了適應工業生產對調速系統要求的不斷提高，優化系統的控制方案，提高系統的控制精度勢在必行。本文在傳統的交交變頻器的基礎上[6]，引入六脈波的理論，搭建了基于先進的STM32F103ZET6控制芯片的實驗平臺，包括主電路以及周邊電路的設計，在STM32的編輯環境下編寫實時在線程序進行實驗研究。實驗結果表明，六脈波交交變頻器的輸出結果能夠在一定程度上減少系統輸出的電壓諧波，提高系統的輸出波形，是一種可以用于生產實踐的控制理論。

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：當時=6，=50Hz時所構成的變頻器結構即為六脈波交交變頻器。其輸入輸出關系如下式：

2 六脈波交交變頻調速系統主電路設計

根據交交變頻器的基本原理，結合所要加入的六脈波的特點，設計調速系統的主電路，其結構圖如圖1所示：該系統的主電路由變壓器（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）、保護電路等部分構成[7]。其中保護電路部分包括快速熔斷器和阻容保護電路兩部分。快速熔斷器主要是在發生短路或者電路電流過大時起作用的，對全部的用電設備起到保護的作用。阻容保護電路是指并聯在晶閘管兩端的電阻和電容組成的保護電路，主要是為了減小晶閘管的頻繁開關引起的電壓過沖而設計的[8]。

圖1 六脈波交交變頻系統主電路結構圖

3 六脈波交交變頻調速系統的控制及保護電路設計

所設計的系統控制及保護電路主要由CPU及擴展電路、同步電路、信號檢測模塊、通信接口、脈沖觸發模塊、人機界面和電流保護電路等模塊構成[9,10]。控制和保護電路的總結構框圖如圖2所示。

（1）CPU及擴展電路。綜合考慮系統的運行特點以及為以后的擴展功能預留部分功能模塊。本系統在設計的時候選用了意法半導體公司生產的STM32F103系列中配置最高的基于Cortex-M3內核的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脈沖與主電路的時序同步。同步信號是將三相工頻電源變成方波同步信號，然后作為鎖相環的輸入，通過鎖相環和CPU相連，然后經過CPU的計數處理，實現控制信號和電源信號的時序同步，以保證觸發脈沖有序地發送，實現系統的變頻輸出。

（3）信號檢測模塊。該模塊包括電壓、電流和速度檢測。電壓和電流檢測部分經過處理之后，連接到示波器上，用于觀察電壓和電流的波形。速度檢測部分則采用光電編碼器，其型號為OVW2-1024-2MHT，每轉發出200個計數脈沖，經過整形和隔離電路后，傳入到CPU中，再設定一定的采樣周期，通過CPU的計數器記錄到的脈沖數的多少來計算電機的轉速。

（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之間的相互通信。CPU將檢測到的電壓電流和轉速信號，通過串行口傳給上位機，實現上位機對調速系統參數的實時監測和控制。

（5）觸發脈沖放大輸出。由于EP610發出的觸發信號是5V的低壓信號，加上EP610的驅動能力有限，所以該部分的主要作用就是將EP610發出的觸發信號放大到24V，從而實現對晶閘管的控制。

（6）電流保護模塊。由于在系統啟動過程中，負載發生突變時，系統升速、降速時間設置得過短時，電機發生故障等情況下系統都會出現過電流。為了避免系統出現大電流而損壞變頻器，需要在控制電路中加入過電流保護[13-15]。其保護原理圖如圖3所示。

圖3 電流保護電路

4 系統主程序設計

系統主程序流程如圖4所示。首先要對系統進行初始化操作，包括系統時鐘的設定、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先級設置）、定時器的初始化、串口的初始化以及實時在線計算函數的各個參數的初始值的設定等。在系統時鐘配置的時候，將倍頻配置為9倍頻，配合外部8MHz晶振，使系統主頻達到72MHz最大主頻[16]。為了適應脈沖觸發信號的實時性的需求，在對中斷進行配置時，把定時器3中斷的響應優先級和搶占優先級都設置為最高；將定時器4中斷的搶占優先級和響應優先級設置為第二，作為系統的采樣中斷。

圖4 系統主程序流程圖

5 實驗結果及分析

按照設計好的主電路和控制電路搭建實驗平臺，并根據交交變頻器基本原理和余弦交接法的計算辦法，在STM32F103ZET6編輯環境下編寫實驗程序，進行實驗并觀察實驗結果。

從圖5中可以清楚地看出：系統能夠很穩定地輸出10Hz的交流電，并且輸出的電壓波形的正弦度，對稱性都較好，并且在實現電流換向之后，系統的輸出也沒有明顯的畸變，整體上電壓波形沒有大的諧波出現。這點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，也沒有明顯的高次諧波出現，經過傅里葉分析可知，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，沒有出現明顯的死區或者環流現象，能夠很順利的實現電流的換向。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，沒有明顯的諧波分量出現，電流的總諧波含量為16.54%。

圖6 輸出電流波形及諧波（10Hz）

6 結論

本文設計的六脈波交交變頻調速系統以及其主電路和控制電路，搭建基于STM32F103ZET6主控芯片的實驗平臺，經過軟件編程，進行大量實驗研究。結果表明，此系統不僅提高了六脈波交交變頻器調速方式的可行性和可靠性，而且系統輸出電壓和電流波形的正弦度較好，諧波含量也較低。該調速系統在實驗研究和工業應用領域將具有很高的應用價值，可以大面積推廣應用。

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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、高電壓技術，現主要從事交交變頻的理論與實踐研究工作，講師。

安陽工學院2018年度校青年基金（QJJ2018010）