基于单片机的电机交流调速系统设计

基于单片机的电机交流调速系统设计

辛绪乐 赵淑萍

山东协和学院 工学院，山东 济南 250109

1总体设计方案

1.1 研究思路与研究内容

以STM32F103C8T6为处理器完成逆变过程的计算与控制及其对脉冲芯片的输出，驱动芯片采用IR2104驱动，逆变部分采用6路MOS管组成的三相全桥逆变电路。通过STM32中PWM模式调用定时器使其按照正弦规律变化改变占空比输出SPWM波形，通过驱动三路IR2104驱动芯片去驱动6路MOS管组成的三相全桥逆变电路，再通过三路LC低通滤波器将开关高频信号滤除，输出低频信号，可以通过改变输出的正弦波频率完成对电机的预期速度的控制，使得电机转速以期望值输出。

1.2. 变频调速方法

与改变极对数进行调速的方法相比较，另一种方法为去改变电机输入的电源频率对电机进行调速。此种方法的原理为：改变输入频率f，当频率f越高时候电机转速越快，通常有两种变频的方式分别为：交直交变频和交交变频两种方式。这种调速方法与之前的改变极对数进行调速的方法相比较具有可行性高的优点，因为输入电源的频率可以通过逆变器进行调节，调节之后达到人们所预设的效果之后，再作为输入将其输入进电机，可以控制电机输入的电源频率，从而完成输入电源频率的可控。通过控制其频率的输入电机的转速同时可以被控制，而与其相比改变电机的极对数就显得相当的困难，由于电机在出厂时候极对数已经确认难以去人工改变，所以这种方法显示较为刻板，不如去改变电源频率更为方便快捷，因此在未来的电机调速发展趋势上是还以效率更高、更易操作的变频调速为主流。

本设计采用变频调速，所有的机械调速都是都是基于电机操作实现的。从总体上看，电机分为交流、直流两种电机。因为直流电机调速容易实现，可靠性高，故之前电机调速主流为直流电机进行调速。但直流电机与其对应的也有其特有的缺点：因为使用的直流电源供电，其滑环和碳刷易损坏需要定期更换新器件，故在实际应用中带来不少麻烦，而且定期更换元器件所带来的成本比较高，因此进一步改进电机调速是人们所追求的。现在逐步发展鼠笼电机的调速，因具有简单，可靠，性价比高等优点。当载波对调制波和谐波进行共调制后，PWM波形不再具有与调制波相同的周期，而是由调制波、谐波在载波周期内共同决定。

2硬件系统设计

2.2 元器件的选用

2.2.1 STM32F103C8T6简介

STM32F103C8T6硬件所使用的封装工艺为常见的LQFP48封装，其内部具有数量高达32核的高速处理器可以迅速且精准的完成所需运算[11]。在这其中AB口所拥有引脚数目高达16引脚，其C口与D口分别具有3与2个引脚，总共芯片引出48只引脚，可以完成复杂输出。

2.2.2 IR2104驱动芯片

当IN通低电平时，此时IO为高电平，使下管导通，上管截至。当IN高电平时，此时IO为低电平，使上官导通，下管截至，如图3-3所示。从而实现将控制电路输出微弱的PWM脉冲控制信号放大到足以驱动MOS管开通或关断的信号。使用R2104型驱动芯片可以构造出可靠的驱动电路，而且IR2104性价比高，功耗低，安全可靠，功能多样。

2.3 主电路三相桥式PWM逆变电路的介绍

同一相上下两个桥臂的驱动信号都是互补的，通过控制器控制上下桥臂交替导通实现PWM信号的输出。

采用全控型器件MOS管，为压控型元件，可以通过控制电压高低完成对电路的控制[13]。通过小电流，小电压控制大电流，大电压，其制造高度集成将大量的场效应管集成在一个硅片之上，因此场效应管就有很好的集成性。其制造成本低，使用面积小，高整合度，就有较强性能。

2.4 SPWM波的调制基本原理

第一步：配置好TIM、时基和ARR，此时PWM的周期已经被设定好了，另外时基决定了CNT计数寄存器增加一次计数所需要的时间；第二步：刚开始，CNTCCR之后，PWM输出为高电平；第三步；当CNT的值等于AAR之后，CNT开始减少，同理CNTCCR，PWM输出为高电平；第四步：循环上述三个步骤。,pwm的输出低电平；当cnt>,并且cnt开始增加，此时pwm的输出都是低电平；当cnt>

利用软件生成正弦表，三相利用角度相差120°，每项相差120°，利用时间差及相位对A相与B相区分。以一个周期为500点为例，当A相为500点第0点开始输出，则B相看为从第167点开始输出，C相从第334个点开始输出。这样就可以通过STM32通过冲量等效的原理将直流电逆变为交流电，通过加一个三相全桥逆变电路实现了三相交流输出。

3软件系统设计

3.1 系统流程图

先将各个寄存器的定时器以及计数器进行初始化操作，然后开启三路SPWM输出，开启定时器。通过按键检测对输入值进行检测，以确定是对频率进行改变还是对幅值进行改变，通信使用IIC通信协议完成与OLED屏幕的通讯，实时显示当前输出频率与震动幅度完成输入与输出的交互体验，通过改变不同的SPWM数组完成输出频率的改变，改变不同的K值完成幅值的调节。

3.2AD采集

将输入的物理量电压通过模数转换转换为数字量显示出来，由于11倍电阻分压故将（采集电压*3.3*1000/4095）*11 stm32单片机ad为12位ad对应ad最大值为4095，可得到输入电压。并在oled上显示。

3.3按键扫描

通过key_Scan按键扫描将按键值赋入key_mode中，当按键值为1时进行幅值调整，幅值增加10%。当按键返回值为2时，幅值减小10%，当按键值为3时，令输出频率变为50HZ。当按键值为4时，令输出频率为60HZ。实现了输入输出的交互操作，通过按键扫描可以实现50HZ和60HZ的频率切换。

设置正弦函数一周期点数为500点，在20ms内完成一次输出，20ms/500=40us 定时器1每40us进入中断一次，20ms对应一个周期，故对应频率为50HZ.同理当设置定时器中断33us时对应频率为60HZ。按键扫描是本次设计的一个重要的交互模块，利用该模块可以实现输入输出的交互体验。通过预设的寄存器与定时器设置完成不同频率输出，利用按键可以以10%幅度对输出幅度进行增减操作，并实施通过IIC通讯协议在OLED屏幕上展现出来，可以使得操控性得到提高，体现出单片机做控制器对输出波形控制的可操作性高、性能好等优点。

4 系统调试

4.1 硬件调试

当所有硬件确认可以正常使用时，对其进行相应的焊接以及之间的连接线整理，电路引线按照排列方式有序排列使其干净整洁有次序。将线路安装完毕之后，检查器件的焊接以及器件之间连接处是否连接正常防止虚焊以及连接不稳，确认之后通电观察OLED屏幕是否正常点亮，其余设备是否正常运转。在焊接前要确定好单片机主板的清洁，各个引脚也要做好清洁操作，同时保证好单片机引脚的贯通，最好使用恒温烙铁，保证烙铁的接地再焊接之前使用松香涂膜均匀，焊接时间不易过长。对于一些特殊要求的器件，如电解电容、蜂鸣器、二极管等器件要确定好其正负极，否则容易烧坏，严重可能会引发爆炸。由于焊接空间十分有限，在操作时一定规范操作以防止对器件造成损坏，其中有些小规模电器件应注意静电击穿现象注意防止静电，在进行焊接时配搭静电手环以及绝缘手套为了防止事故的发生。

4.2 软件系统调试

软件的仿真是设计的重要一环，通常通过proteus仿真软件进行单片机的仿真操作，通过proteus仿真将在keil5中编写的程序代码导入仿真软件中，按照规则进行连接，检测查无误后进行仿真操作。通过仿真示波器显示出逆变后的电压幅值以及电压频率，测试结果能否实现预期效果，当通过按键进行交接增大或减小是观测示波器电压幅值及其频率的是否做出相应改变。然后测试OLED输出，按钮能否能控制显示面板按照预期显示。

参考文献

[1]苏建强.工程教育认证背景下的运动控制系统教学改革探索与实践[J].科技视界,2021(22):27-28.

[2]朱贤勇,万晓慧.交流调速系统MATLAB仿真应用[J].中小企业管理与科技(上旬刊),2021(05):180-181.

[3]王英臣.电气自动化交流传动控制系统分析[J].科技创新与应用,2020(19):51-52.

[4]熊英,毛佳昌.基于CFPWM的交流电机调速系统的仿真[J].电子设计工程,2020,28(03):9-13.

[5]王梁.基于间接矩阵变换器交流调速系统的模型预测控制研究[D].北方工业大学,2019.

[6]李雷涛.冗余PLC控制的全自动矿井提升机交流调速系统设计[J].机电工程技术,2019,48(01):84-87.

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