王卓然，曾 敏，袁 松，胡子鑫

（華南理工大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510641）

0 引言

單相異步電動機具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低、性能良好、操作方便等特點，被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)和日常生活中[1-2]。目前異步電機的調(diào)速方法主要采用變頻調(diào)速和調(diào)壓調(diào)速兩種[3]，其中調(diào)壓調(diào)速線路簡單、成本低廉、沒有諧波干擾現(xiàn)象，在異步電動機調(diào)速控制方面已逐步體現(xiàn)出優(yōu)勢。另外，為了實現(xiàn)電動機的調(diào)速控制，與常規(guī)模擬調(diào)速方法相比較，數(shù)字控制具有控制精度高、柔性化和模塊化程度高等特點，對外部環(huán)境復(fù)雜、對產(chǎn)品性能要求高的場景（如風(fēng)機的通風(fēng)、排塵和冷卻）適用性更好[4-5]。

本文提出了一種基于STM32F103 控制的單相異步電動機的調(diào)壓調(diào)速方法，通過控制雙向晶閘管（TRIAC）導(dǎo)通時間實現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速。設(shè)計了相應(yīng)的主電路和控制電路，通過仿真和實驗分析優(yōu)化電路參數(shù)，從而實現(xiàn)風(fēng)機系統(tǒng)調(diào)壓調(diào)速目的。

1 單相調(diào)壓調(diào)速原理

單相交流調(diào)壓電路波形如圖1 所示。圖中α 為觸發(fā)角，φ為阻抗角，θ 為導(dǎo)通角，則有[6-7]：

圖1 單相交流調(diào)壓電路波形[8]

當φ 一定時，輸出電壓uo分為兩種情況[8]：

（1）φ<α<π 時，隨著α的增大，交流調(diào)壓調(diào)速電路的輸出電壓有效值逐步減小，可表示為：

式中Ui和Uo分別為電源電壓ui和輸出電壓uo的有效值（2）0<α≤φ 時，觸發(fā)脈沖信號不能使用窄脈沖，使用寬脈沖或脈沖列觸發(fā)方式可以輸出全壓。

綜上所述，當觸發(fā)角的取值范圍為φ<α<π 時，控制器能夠?qū)崿F(xiàn)單相交流電路的調(diào)壓調(diào)速。

2 電路設(shè)計與仿真

2.1 主電路及觸發(fā)電路設(shè)計

控制器主電路采用TRIAC 和電感L 串聯(lián)。觸發(fā)電路通過光耦與控制電路隔離，如圖2 所示。STM32F103 發(fā)出的觸發(fā)信號將OUT1 點的電平拉低，ui通過R1、R2、光耦U 和R3接到觸發(fā)端b 點，TRIAC 導(dǎo)通；當OUT1 為高電平時，U 不通，TRIAC 沒有觸發(fā)信號[9-10]。

圖2 主電路及TRIAC 觸發(fā)電路

主電路串聯(lián)電感L 用于抑制TRIAC 開通時的過電流以及di/dt。為了盡量減小di/dt，理論上L 應(yīng)越大越好。設(shè)電動機等效電感為Lm，內(nèi)阻為Rm，則有：

對式（3）、式（4）進行拉普拉斯變換，得到傳遞函數(shù)：

令s=jω，求得幅頻特性函數(shù)：

當Lm/L>100 時，此時A（w）<0.01，能夠保證電路的正常運作。對于Lm=50 mH，可以得出L<500 μH，在本方案中取L=200 μH。

為提高系統(tǒng)的可靠性，本文設(shè)計了必要的晶閘管保護電路。如圖2 所示在TRIAC 兩端并聯(lián)RC 電路，其中電阻R1和電容C1、C2用于吸收晶閘管關(guān)斷產(chǎn)生的電壓尖峰[11]，同時限制對TRIAC 兩端施加的電壓上升率dv/dt。壓敏電阻RV1、RV2分別與TRIAC、U 并聯(lián)起到過壓保護的 作用。當TRIAC 截斷時，C1、C2的容抗 應(yīng)遠大 于異步電動機的電抗，假設(shè)C1=C2=C，則有：2×1/2πfC>>，根據(jù)所選風(fēng)機型號，這里取C=224 nF。

2.2 過零檢測電路設(shè)計

過零檢測電路的精準度將直接影響電路調(diào)速效果。本文設(shè)計的過零檢測電路如圖3 所示，當電源電壓ui<0時，電壓比較器LM339的5 腳電壓小于0 V，此時c 點電壓為低電平，三極管Q1截止，STM32F103的外部中斷INT0 處于高電平。當ui經(jīng)過零點后，5 腳電壓 大于0 V，c 點電壓跳變到高電平，經(jīng)過C3、R7組成的微分電路，在d 點產(chǎn)生正尖脈沖使Q1導(dǎo)通，INT0 下拉至低電平形成下降沿。STM32 對瞬間產(chǎn)生的下降沿進行捕捉，完成對電源電壓正半波過零點的快速、精準檢測。

圖3 過零檢測電路

如圖所示，C3、R7構(gòu)成一個一階RC 電路，假設(shè)在t>0 時c 點電壓從低電位跳轉(zhuǎn)到高電位為階躍信號，即uc=Vc×1（t），則有：

當τ 取值遠小于c 點高電平脈寬時，在d 點形成正尖脈沖[12]，又三極管Q1偏置電壓Von≈0.7 V，可以估算Q1的導(dǎo)通時間為：τ×ln（Vc/Von）。為避免τ 太小導(dǎo) 致過 零脈沖的脈寬過窄而不利于STM32 捕捉，實際取C3=100 nF，R7=12 kΩ。

2.3 仿真與優(yōu)化

通過PSpice 對上述主電路及觸發(fā)電路進行仿真[13]，結(jié)果如圖4（a）所示，調(diào)壓調(diào)速電路工作正常，但是輸出電壓uo在TRIAC 開通時仍存在尖峰。選擇函數(shù)Max（uo）作為電路性能量度，將元件及負載的容差設(shè)置為5%，通過靈敏度分析[14]發(fā)現(xiàn)C1、C2對主電路性能影響最大，將兩者參數(shù)進行優(yōu)化分析得到修正后的元件值C1*=270 nF、C2*=39 nF。優(yōu)化后的輸出電壓波形尖峰消除、過渡平滑，如圖4（b）所示。

圖4 uo的仿真波形（α=90°）

為了在INT0 處得到脈寬合適的過零脈沖，選擇過零脈沖的3 dB 帶寬作為量度對電路性能進行優(yōu)化。將優(yōu)化結(jié)果R7*=4 kΩ 代入原電路中，電源電壓ui、d 點電壓ud以及過零脈沖的仿真波形如圖5 所示，過零脈沖的脈寬在2 ms 左右，頻率為50 Hz，過零點檢測準確，下降沿近乎90°，有利于STM32 進行捕捉。

圖5 過零檢測電路仿真波形

3 控制系統(tǒng)設(shè)計與實驗驗證

基于上述分析和仿真，設(shè)計了以STM32 為核心的單相異步電動機的調(diào)壓調(diào)速控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)圖如圖6 所示，控制器分為主電路和控制電路兩部分，通過對接不同的外部信號，適用于各領(lǐng)域的通風(fēng)、排塵和冷卻等風(fēng)機調(diào)速應(yīng)用場景。

圖6 控制器結(jié)構(gòu)示意圖

主電路為單相交流220 V 供電，TRIAC 與異步電動機定子繞組串聯(lián)，控制電路選用STM32F103 實現(xiàn)對人機接口、通信接口、數(shù)據(jù)存儲、外部看門狗等模塊的控制，以及對風(fēng)機溫度、TRIAC 溫度、環(huán)境溫度的實時監(jiān)測，通過軟件實現(xiàn)異常檢測，檢測結(jié)果通過數(shù)碼管實時顯示。STM32 通過采集外部檢測信號、ui過零點信號，經(jīng)軟件計算后輸出范圍在φ<α<π的觸發(fā)脈沖信號，在每半個周期內(nèi)通過改變TRIAC的觸發(fā)角對電壓作相位控制，改變輸出電壓的有效值，實現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速[15-16]。

為了驗證控制器的實際控制效果，搭建了電動機調(diào)壓調(diào)速實驗平臺。電機參數(shù)為：額定功率為940 W，額定電壓220 V，額定轉(zhuǎn)速900 r/min。

圖7 為過零檢測電路的實測波形，過零脈沖脈寬約2.4 ms，下降沿陡直近乎90°，下降時間約8 μs。

圖7 過零檢測電路實驗波形

輸出電壓為80%時，電機運行時電機側(cè)的電壓波形如圖8（a）所示。當電機全壓運行時，觸發(fā)信號采用脈寬60°、間隔相差180°的寬脈沖，輸出波形如圖8（b）所示。從圖中可見，過零檢測準確，輸出電壓波形達到設(shè)計要求。

圖8 電機兩側(cè)的電壓波形

4 結(jié)論

本文設(shè)計的單相電機調(diào)壓調(diào)速控制器，通過數(shù)字化控制方法，與模擬控制相比靈活可控、易于調(diào)試并且精確度更高。仿真研究和樣機調(diào)試實驗表明，實驗波形與理論分析一致，驗證了控制系統(tǒng)的可行性。本數(shù)字化控制器通過對接不同的外部輸入信號，可以滿足各領(lǐng)域?qū)︼L(fēng)機通風(fēng)、排塵或冷卻等不同場景的調(diào)速需要，具有廣泛的應(yīng)用前景。