张军

摘要：本文旨在以某型倒角机圆周轴为控制研究对象，根据机床工作原理、工艺要求、工作环境等特点设计变频调速的简易专用变频调速器，该变频调速器是把微控制器芯片和电机调速系统结合成一个整体设备，能够对驱动电机实施实时变频调速控制，不仅具有通用型变频调速器的部分变频功能，还针对特定的控制对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.

关键词：变频调速器；SPWM；研究

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

中图分类号：TK243.6 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）07-0162-03

0 引言

现今社会广泛应用变频调速的技術在各行各业，这种技术应用改变了传动的方式性，改变了传动的适用性。变频空调的应用既是对资源的节约，又在改善人们的生活。变频调速满足着各种需求，变频调速器从最初的电力电子器件的模块化，不断改革创新，先实现了交流电路开关的高频化，后实现了控制手段的全数字化。当前企业生产中采用的机加工设备使用到的变频调速器大部分为通用型变频调速器，通用变频调速器用于一般工业驱动，但是其通用的功能设置较为复杂造成了某些设备的功能冗杂，控制程序多，资源浪费，在这种情况下，人们对专用变频调速器的需求越来越强烈，同时针对通用变频调速器存在的成本高、系统复杂等问题，人们还设计了简易变频调速器，不仅有效解决了传统变频调速中存在的问题，还可将其用于某些特殊应用领域的特定的控制对象，满足某些特定的控制要求[1]。

1 硬件电路设计

考虑到本设计中倒角机的特点及工艺要求，设计简易变频调速器时应综合考虑其可靠性、经济性和专用性等特点，功率器件选取智能功率模块（IPM模块作），核心控制芯片采用LM3S6911，主回路采用的是典型的交-直-交电压源型功率变换器结构。

变频器的主回路主要三大部分：

①整流电路：三相桥式不可控整流器。该电路的功能是将三相交流电（AC）整流：变成直流电（DC），整流后的电为脉冲电压，必需要经滤波后供给负载。

②中间直流环节：该部分包含制动电路、限流电路、滤波电路等[3]。整流电路输出的电压经过中间环节输出稳定的直流电供给后续电路。

③逆变电路。逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，该电路将中间环节输出的直流电转变成交流电，其输出为PWM波形。原理图如图1所示。

如图1所示：外部工频电源R、S、T分别由接线端子J1的1、2、3端经熔断器输入到整流器模块的1、2、3电源引脚，在整流电路中输入380V三相交流电，使其变化为537V的直流电；经整流后的直流电通过滤波电路进行滤波，减小了整流后直流电中的脉动成分变成平滑的直流电；将该直流电输入到逆变电路模块，该直流电将被逆变成为电压、频率均可调的220V三相交流电，逆变电路的引脚4、5、6分别输出U、V、W三相电压，经接线端子J2的1、2、3端输出给与其相连的三相交流异步电机。此外在直流回路中串入的限流电阻RL，它的功能是为了避免大电解电容在通电瞬间产生过大的冲击电流，造成电路损坏。

控制电路的控制芯片采用LM3S6911微控制器，它拥有ARM微控制器所具有的大部分优点，其具有工作频率为50MHz、32位RISC性能、提供系统时钟、4个通用定时器模块，每个模块提供2个16位定时器。由于LM3S6911芯片的供电电压只能是3.3V，而给整个控制系统供电的是一个外部+5V直流电源，如此在设计系统电路时必须设置一个电压电路，以便实现两个不同电压的转化，确保稳压电源来给微控制器供电。

系统的控制单元使用DV12864C点阵LCD液晶显示模块，该模块是128x64点阵LCD，将该模块的外部引脚与LM3S6911微处理器的GPIO寄存器的外部接口相连接，构成显示电路图，如图2所示，该部分电路采用8位并行传输方式与微控制器进行数据传输[3]，可将各设定参数及传感器数值显示出来，同时具有光标闪烁、字符移动等功能。

2 软件设计

简易变频调速器既保证能够达到性能指标要求，又简化了通用型变频调速器的硬件电路，因此要最大限度的保证系统的安全性、可靠性以及更好实现系统的性能指标，这无疑对软件设计提出了更高的要求。

软件的关键组成部分是SPWM的实现，随着现代科学技术的不断发展，SPWM波形依靠软件就可以生成，本设计就是采用了软件生成SPWM的方法。软件设计的主程序主要包括初始化模块、循环调用模块、中断模块、故障检测模块等，通过变化各模块的组合使用情况，改变功能模块之间的关系，可以实现不同的功能要求。其中初始化模块包括：ARM初始化、系统初始化、定時器（GPTM）初始化、ADC初始化、PWM寄存器初始化、PWM比较器初始化、GPIO端口初始化等。

3 实验结果

经过多次试验，使六路输出的信号PWM 0-PWM 5分别经过了驱动电路控制IPM中相应IGBT管的导通与关断，以输出三相正弦脉宽调制波，控制电动机的变频调速[4]。IPM的逆变桥的同一个桥臂上有上下两个IGBT，但在实际工作过程中两个IGBT无法同时导通，这时需要对两者的驱动信号进行观测，波形图如图3中（a）所示；并在电路正常运行的前提下对控制工作组的U相上IGBT管和V相下IGBT管的驱动信号进行了观测，波形图如图3中（b）所示。

调试好的SPWM生成程序经过调试试验发现，电机的换向控制要求基本上都可以得到满足，因此软件部分完成，进入硬件调试阶段。在硬件调试阶段，应采用示波器进行观测同时记录实验结果。

4 结束语

LM3S6911芯片不仅简化了系统的硬件电路，还有效解决了传统系统中存在的弊端，具有很高的可靠性、实时性和准确度，系统稳定性好。

参考文献：

[1]刘学俊，饶万里.集中安装效果良好——交流变频调速器在铜精矿的应用状况[J].电工技术杂志，2004（06）.

[2]陈立功，周志超，彭昱.基于FX2N的电机无级调速系统设计[J].西华大学学报（自然科学版），2010（01）.

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

[4]吴浪武，邱国旺，周林玉.PLC中移位、比较、传送指令在顺序控制程序编程方法的应用[J].化工自动化及仪表，2011（09）.