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摘要：研究开发出了微机控制交流电机变频调速教学实验装置，该实验装置主要由微型计算机、多功能模入模出接口卡、功率放大电路、驱动保护电路和交流电动机等组成。采用该装置可以培养和提升学生综合运用计算机接口与编程技术、电工电子技术、机电控制工程等方面的基础知识解决工程实际问题的能力，该实验装置与机械装置相结合，可以较为方便地设计出一些机电综合的创新实验，较好地培养学生的科技创新与工程实践能力。
关键词：交流电机；变频调速；微机控制；教学实验
交流电机由于具有结构简单、价格低廉和性能可靠等特点，在工业生产中得到了广泛应用，是金属切削机床中最为常用的一种动力源。[1-3]交流电机变频调速技术具有单机不受限制、体积小、重量轻、转动惯量小、动态响应好、维护简单、节约能源等诸多优点，被国内外公认为最有发展前途的一种调速方式。[4-7]本文结合机械和近机类专业学生机电综合素质培养与综合性创新实验设计的要求，研究开发出了微机控制交流电机变频调速教学实验装置，并在实验教学中得到了较好的应用。
一、交流电机调速方式的选择
三相交流电机的转速可表示为：[8]
（1）
式（1）中f为定子供电电压频率，p为旋转磁场的磁极对数，s为转差率。由（1）式可以看出，交流电机的调速方法有三种，即通过改变极对数p、转差率s或定子供电电压频率f实现调速。
变极对数调速是通过改变定子绕组的连接方式来实现的，由于电机的极对数是有限的并且极对数总是整数，故该方法的调速范围有限且是一种有级调速。[9]改变转差率的方法很多，常用的有改变交流电机定子电压调速、采用滑差电机调速、转子绕组串电阻调速等，这些方法都可实现交流电机的平滑调速，但是在调速过程中存在转差损耗，即在调速过程中产生了大量的转差功率并消耗在转子回路中，使转子发热，从而使系统效率降低。[10，11]变频调速是通过改变定子供电电压频率来实现调速的，该方法可平滑、无级地调节交流电机的转速且效率较高，是一种应用较为广泛的交流电机调速方式。[12-15]因此，本文选定变频的方式来研制交流电机调速教学实验装置。
二、交流电机变频调速系统硬件电路的设计
所设计的交流电机变频调速系统硬件电路主要由功率放大电路和驱动保护电路等组成。
1.功率放大电路的设计
所设计的交流电机变频调速功率放大电路如图1所示。图1中，交流电经AC/DC整流模块整流、经电容滤波后送到由六个VMOS功率开关管组成的三相逆变器。其工作原理是：微机发出控制信号经1～6输入端分别送入六个VMOS管的栅极，六个VMOS管每隔60°导通一只，相邻两相的VMOS管导通时间互差120°，一个周期共换向六次，对应六个不同的工作状态（又称六拍）。当按Q1-Q6的顺序导通时，每个工作状态下都有三个VMOS管同时导通，其中每个桥臂上都有一个导通，形成三相负载同时通电，导通规律如表1所示。
通过对每个状态下工作电压的分析，可以获得三相电压型逆变器输出电压波形，如图2所示。由图2可以看出，逆变器输出为三相交流电压，各相之间互差120°，三相对称，相电压为阶梯波，线电压为方波。输出电压的交变频率取决于逆变器中VMOS管的切换频率。
2.驱动保护电路的设计
因逆变电路中VMOS管处于直流高压电路中，又分属于三相输出电路中不同的相，所以驱动电源和主控电源之间必须进行可靠隔离，各驱动电源相互之间也必须可靠隔离，与直流高压负极相接的三个驱动电路可以共“地”。
本设计中采用变压器进行隔离，图1中的1、3、5路分别采用三个变压器进行驱动电源和主控电源之间的隔离，2、4、6路采用一个变压器隔离，因而形成了GND1、GND3、GND5和GND0四个地，其中GND0与功率放大电路的地共地。图3为VMOS管Q1的驱动保护电路，图4为VMOS管Q2、Q4和Q6的驱动保护电路。此外，为防止功率放大电路高压信号因故引起多功能模入模出接口卡损坏，在信号输入集成运算放大器LM324前用光耦TLP521进行隔离。
三、变频调速系统微机控制部分设计
1.多功能模入模出接口卡的选择
本设计中选用PC6313多功能模入模出接口卡，该接口卡主要由模数转换电路、数字量输入输出电路以及接口控制逻辑电路构成，可用于具有ISA总线的PC系列微机和多种操作系统，具有很好的兼容性。该卡使用时只需将接口卡插入机内任何一个ISA总线插槽中，其模入模出及I/O信号均可通过信号电缆从机箱外部直接接入。[16]
2.交流电机调速程序中主要参数的选择
实验中选用JW7114三相交流电机，极对数p=2，取额定转差率s=0.04，[17]将上述参数代入（1）式，可得：
（2）
由表1可知，可通过控制VMOS管轮流导通来控制交流电机的运行。本文中导通时间采用微机固有频率，经测量得C语言运行时delay（1）所需时间为0.0000339s。由图1可知，当驱动信号为高电平时VMOS管导通，为低电平时VMOS管截止，因此同一桥臂上两个VMOS管的驱动信号不允许同时为高电平，而且两驱动信号电平发生转换前有一个同时为低电平的时间间隔，在此时间内，两VMOS管皆处于截止状态，该时间称为“死区”。[18]根据所选用的VMOS管型号，本系统中将死区时间设置为：
（3）
因此控制VMOS导通一周期所需时间：
（4）
其中，n_tim为VMOS导通一周的程序设定时间，VMOS导通频率可计算为：
（5）
由式（2）和式（5）可求出n和n_tim的关系如下：
（6）
3.微机控制交流电机变频调速系统的搭建 所搭建的微机控制交流电机变频调速教学实验装置如图5所示。该实验装置的工作原理是：由微机发出的变频调速信号经PC6313卡发出，然后经过驱动保护电路控制功率放大电路的VMOS管的导通状态来控制三相交流电机的供电频率，从而实现对三相交流电机的变频调速。图6为交流电机运行过程中通过示波器测得的相电压波形，与程序所设定的结果一致。
四、结论
该交流电机变频调速教学实验装置涉及到计算机、电工电子、机电控制工程等方面的基础知识及其应用技术，用该调速系统与机械装备结合可以方便地实现机、电和计算机等技术的复合。学生可根据实验要求和自身的知识水平，结合该实验装置构思一些综合性的创新实验。如构思新的机械结构装置，选择合适的交流电机、多功能模入模出接口卡和编制变频调速系统的计算机控制程序，然后进行实际的联调测试，可以较好地培养学生综合运用所学知识分析问题和解决问题的能力，提高他们理论联系实际、实际动手与科技创新的能力。该教学实验系统有利于培养机械及近机类专业学生的机电综合创新能力与工程意识，具有广阔的应用前景。
参考文献：
[1]朱彦军.交流电机智能综合测试系统设计[J].机电工程，2012，
29（2）：200-203.
[2]刘瑞芳.交流电机旋转磁场的教学研究[J].电气电子教学学报，
2011，33（5）：82-84.
[3]王石晶.交流电机测控系统设计[J].知识经济，2011，（2）：131.
[4]许凤宝.交流电机变频调速技术及应用[J].武汉教育学院学报，
2001，20（3）：80-82.
[5]李崇坚.大功率交流电机变频调速技术的研究[J].电力电子，
2010，（1）：11-16.
[6]张玉之.变频调速技术在起重机调速系统中的应用[J].中国设备工程，2009，（10）：63-64.
[7]易瑞庭.变频调速技术在船舶行业的应用及其发展前景[J].科技信息，2010，（7）：512，488.
[8]齐占庆.机床电气控制技术[M].第3版.北京：机械工业出版社，
2006：114-116.
[9]陈焕光.一种电动汽车变极对数交流电动机系统：中国，
CN101212197[P].2008-07-02.
[10]刘军华，李春茂，褚丽丽.转差率控制的异步电动机调速系统的设计[J].电气传动，2008，38（5）：22-24.
[11]谈大柏，程南平.异步电动机控制转差率节能方法的研讨[J].江苏电机工程，1989，8（3）：35-40.
[12]刘兴斌，王丽萍.变频调速技术与现代串级调速技术分析[J].防爆电机，2012，47（164）：34-37.
[13]王振芳.斩波内反馈串级调速与变频调速的节能比较[J].内蒙古石油化工，2010，（15）：57-58.
[14]王占奎.交流电机变频调速的应用[J].电工技术杂志，2004，
（3）：35-38.
[15]李涛.变频调速的原理与控制方法[J].科技信息，2011，（27）：108.
[16]汤秀芬，米晨.多功能模入模出数据采集卡的设计及应用[J].宁夏大学学报（自然科学版），2001，22（3）：302-304.
[17]朱耀忠.电机与电力拖动[M].北京：北京航空航天大学出版社，
2005：188-189.
[18]胡崇岳.现代交流调速技术[M].北京：机械工业出版社，
1998：184.
（责任编辑：孙晴）
关键词：交流电机；变频调速；微机控制；教学实验
交流电机由于具有结构简单、价格低廉和性能可靠等特点，在工业生产中得到了广泛应用，是金属切削机床中最为常用的一种动力源。[1-3]交流电机变频调速技术具有单机不受限制、体积小、重量轻、转动惯量小、动态响应好、维护简单、节约能源等诸多优点，被国内外公认为最有发展前途的一种调速方式。[4-7]本文结合机械和近机类专业学生机电综合素质培养与综合性创新实验设计的要求，研究开发出了微机控制交流电机变频调速教学实验装置，并在实验教学中得到了较好的应用。
一、交流电机调速方式的选择
三相交流电机的转速可表示为：[8]
（1）
式（1）中f为定子供电电压频率，p为旋转磁场的磁极对数，s为转差率。由（1）式可以看出，交流电机的调速方法有三种，即通过改变极对数p、转差率s或定子供电电压频率f实现调速。
变极对数调速是通过改变定子绕组的连接方式来实现的，由于电机的极对数是有限的并且极对数总是整数，故该方法的调速范围有限且是一种有级调速。[9]改变转差率的方法很多，常用的有改变交流电机定子电压调速、采用滑差电机调速、转子绕组串电阻调速等，这些方法都可实现交流电机的平滑调速，但是在调速过程中存在转差损耗，即在调速过程中产生了大量的转差功率并消耗在转子回路中，使转子发热，从而使系统效率降低。[10，11]变频调速是通过改变定子供电电压频率来实现调速的，该方法可平滑、无级地调节交流电机的转速且效率较高，是一种应用较为广泛的交流电机调速方式。[12-15]因此，本文选定变频的方式来研制交流电机调速教学实验装置。
二、交流电机变频调速系统硬件电路的设计
所设计的交流电机变频调速系统硬件电路主要由功率放大电路和驱动保护电路等组成。
1.功率放大电路的设计
所设计的交流电机变频调速功率放大电路如图1所示。图1中，交流电经AC/DC整流模块整流、经电容滤波后送到由六个VMOS功率开关管组成的三相逆变器。其工作原理是：微机发出控制信号经1～6输入端分别送入六个VMOS管的栅极，六个VMOS管每隔60°导通一只，相邻两相的VMOS管导通时间互差120°，一个周期共换向六次，对应六个不同的工作状态（又称六拍）。当按Q1-Q6的顺序导通时，每个工作状态下都有三个VMOS管同时导通，其中每个桥臂上都有一个导通，形成三相负载同时通电，导通规律如表1所示。
通过对每个状态下工作电压的分析，可以获得三相电压型逆变器输出电压波形，如图2所示。由图2可以看出，逆变器输出为三相交流电压，各相之间互差120°，三相对称，相电压为阶梯波，线电压为方波。输出电压的交变频率取决于逆变器中VMOS管的切换频率。
2.驱动保护电路的设计
因逆变电路中VMOS管处于直流高压电路中，又分属于三相输出电路中不同的相，所以驱动电源和主控电源之间必须进行可靠隔离，各驱动电源相互之间也必须可靠隔离，与直流高压负极相接的三个驱动电路可以共“地”。
本设计中采用变压器进行隔离，图1中的1、3、5路分别采用三个变压器进行驱动电源和主控电源之间的隔离，2、4、6路采用一个变压器隔离，因而形成了GND1、GND3、GND5和GND0四个地，其中GND0与功率放大电路的地共地。图3为VMOS管Q1的驱动保护电路，图4为VMOS管Q2、Q4和Q6的驱动保护电路。此外，为防止功率放大电路高压信号因故引起多功能模入模出接口卡损坏，在信号输入集成运算放大器LM324前用光耦TLP521进行隔离。
三、变频调速系统微机控制部分设计
1.多功能模入模出接口卡的选择
本设计中选用PC6313多功能模入模出接口卡，该接口卡主要由模数转换电路、数字量输入输出电路以及接口控制逻辑电路构成，可用于具有ISA总线的PC系列微机和多种操作系统，具有很好的兼容性。该卡使用时只需将接口卡插入机内任何一个ISA总线插槽中，其模入模出及I/O信号均可通过信号电缆从机箱外部直接接入。[16]
2.交流电机调速程序中主要参数的选择
实验中选用JW7114三相交流电机，极对数p=2，取额定转差率s=0.04，[17]将上述参数代入（1）式，可得：
（2）
由表1可知，可通过控制VMOS管轮流导通来控制交流电机的运行。本文中导通时间采用微机固有频率，经测量得C语言运行时delay（1）所需时间为0.0000339s。由图1可知，当驱动信号为高电平时VMOS管导通，为低电平时VMOS管截止，因此同一桥臂上两个VMOS管的驱动信号不允许同时为高电平，而且两驱动信号电平发生转换前有一个同时为低电平的时间间隔，在此时间内，两VMOS管皆处于截止状态，该时间称为“死区”。[18]根据所选用的VMOS管型号，本系统中将死区时间设置为：
（3）
因此控制VMOS导通一周期所需时间：
（4）
其中，n_tim为VMOS导通一周的程序设定时间，VMOS导通频率可计算为：
（5）
由式（2）和式（5）可求出n和n_tim的关系如下：
（6）
3.微机控制交流电机变频调速系统的搭建 所搭建的微机控制交流电机变频调速教学实验装置如图5所示。该实验装置的工作原理是：由微机发出的变频调速信号经PC6313卡发出，然后经过驱动保护电路控制功率放大电路的VMOS管的导通状态来控制三相交流电机的供电频率，从而实现对三相交流电机的变频调速。图6为交流电机运行过程中通过示波器测得的相电压波形，与程序所设定的结果一致。
四、结论
该交流电机变频调速教学实验装置涉及到计算机、电工电子、机电控制工程等方面的基础知识及其应用技术，用该调速系统与机械装备结合可以方便地实现机、电和计算机等技术的复合。学生可根据实验要求和自身的知识水平，结合该实验装置构思一些综合性的创新实验。如构思新的机械结构装置，选择合适的交流电机、多功能模入模出接口卡和编制变频调速系统的计算机控制程序，然后进行实际的联调测试，可以较好地培养学生综合运用所学知识分析问题和解决问题的能力，提高他们理论联系实际、实际动手与科技创新的能力。该教学实验系统有利于培养机械及近机类专业学生的机电综合创新能力与工程意识，具有广阔的应用前景。
参考文献：
[1]朱彦军.交流电机智能综合测试系统设计[J].机电工程，2012，
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[4]许凤宝.交流电机变频调速技术及应用[J].武汉教育学院学报，
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[5]李崇坚.大功率交流电机变频调速技术的研究[J].电力电子，
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[6]张玉之.变频调速技术在起重机调速系统中的应用[J].中国设备工程，2009，（10）：63-64.
[7]易瑞庭.变频调速技术在船舶行业的应用及其发展前景[J].科技信息，2010，（7）：512，488.
[8]齐占庆.机床电气控制技术[M].第3版.北京：机械工业出版社，
2006：114-116.
[9]陈焕光.一种电动汽车变极对数交流电动机系统：中国，
CN101212197[P].2008-07-02.
[10]刘军华，李春茂，褚丽丽.转差率控制的异步电动机调速系统的设计[J].电气传动，2008，38（5）：22-24.
[11]谈大柏，程南平.异步电动机控制转差率节能方法的研讨[J].江苏电机工程，1989，8（3）：35-40.
[12]刘兴斌，王丽萍.变频调速技术与现代串级调速技术分析[J].防爆电机，2012，47（164）：34-37.
[13]王振芳.斩波内反馈串级调速与变频调速的节能比较[J].内蒙古石油化工，2010，（15）：57-58.
[14]王占奎.交流电机变频调速的应用[J].电工技术杂志，2004，
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[15]李涛.变频调速的原理与控制方法[J].科技信息，2011，（27）：108.
[16]汤秀芬，米晨.多功能模入模出数据采集卡的设计及应用[J].宁夏大学学报（自然科学版），2001，22（3）：302-304.
[17]朱耀忠.电机与电力拖动[M].北京：北京航空航天大学出版社，
2005：188-189.
[18]胡崇岳.现代交流调速技术[M].北京：机械工业出版社，
1998：184.
（责任编辑：孙晴）