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控制单相感应电机的三种方法

2006/5/24 9:46:00

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控制单相感应电机的三种方法
作者:Padmaraja Yedamale

  每一天,工程师们都在设计使用单相感应电机的产品,在大多数电机控制的应用场合中,单相感应电机的转速控制都是令人满意的,因为它不仅能够实现不同的转速,还能够降低功率消耗和噪声。
  大多数单相感应电机是单向运行的,这是因为它们在设计时被设为单方向旋转。通过增加额外的线圈、外部继电器和开关,或通过增加齿轮机构,可以改变旋转方向。采用基于微控制器的控制系统,可以改变系统的调速范围。除此之外,采用不同的电机控制算法,电机的旋转方向也可以被改变。
  固定分相电容器式(Permanent Split Capacitor, PSC)电机是单相感应电机中最常见的类型。本文将会讨论三种不同的技术和驱动方式,它们可用于单向或双向控制PSC电机的转速。



微控制器界面
  微控制器是系统的大脑。通常,电机控制应用中所使用的微控制器具有专门的外围设备,例如电机控制脉宽调制(PWM)、高速模数转换器(ADC)以及诊断管脚。Microchip公司的PIC18F2431和dsPIC30F2010都内嵌有这些功能。
  通过访问微处理器上的专用片内外围设备,可以使控制算法的执行过程更加简单。
  ADC通道可用于测量电机电流、电机温度以及散热片温度(与电源开关相连)。另外ADC通道还可用于读取电位计电平,这个信号之后可用于设置电机转速。其他的ADC通道用于现场级应用,读取不同的传感器数据, 例如接近开关、浊度传感器、水位、冷却器温度等等。
  在一项具体应用中,通用I/O接口可以用作开关和显示器的连接接口。例如,在冰箱应用中,这些通用I/O可以用于控制LCD显示器、七位LED显示器、按钮界面等等。通讯通道如I2C 或SPI用于连接电机控制板和另一个电路板以变换数据。
  故障诊断界面包含具有特殊功能的输入线,如能在系统中设置出现灾难性故障时,关闭PWM输出的功能。以洗碗机为例,如果驱动设备由于积聚的废物而阻塞,这就可以阻止电机继续旋转。通过检测电机控制系统中的过载电流就可以判断是否阻塞。采用诊断功能,这类故障可以被记录并显示出来,或被传送到修理人员的故障诊断PC中。通常,这可以防止严重失效,并减少产品由于故障带来的停工,进而降低维修成本。
  PWM是用于控制电机的主要方式。采用上文所述的输入,微控制器的电机控制算法可以计算出PWM的占空系数和输出模式。PWM的最有价值的功能包括具有可编程空载时间的补充通道。PWM信号可以是中间对齐或靠边对齐的。中间对齐的PWM信号具有降低产品电磁噪声(EMI)辐射的优点。


具有三个基本部分的驱动布局方块图。在这种布局中电机只有两个引线(M1和M2)。所示的MCU具有一个PWM模块,它能够输出三对PWM信号,并且各组信号之间具有静区。  方法#1:单方向控制
  单方向上的VF(可变频率)控制让驱动布局和控制算法变得相对简单。具体做法是,从一个固定电压和频率的电源(如墙上插座电源)产生一个可变电压和频率的电源。在42页的图显示了这种驱动布局的方块图,它包括前文所讨论的三个基本部分。电机线圈接在输出反相器每个半桥的中心处。市场上很多常见电机的结构是,主线圈和启动线圈连接在一起,同时有一个电容与启动线圈相串联。在这种结构中,电机可能只有两个引线(M1和M2)。
  方块图中所示的MCU具有电源控制脉宽调制模块(PCPWM),它能够输出三对PWM信号,并且在各组信号之间具有静区。静区对感应电机控制应用是很有意义的,因为当一组PWM关闭电源开关而另一组开启时,会在直流总线上产生跨导,而静区可以避免这种情况的发生。诊断电路包括电机电流监测、直流总线电压监测,以及对连接在电源开关和电机上的散热片的温度监测。


电机以向前方向和向后方向转动时的相电压。  双向控制
  大多数PSC电机被设计成单方向运行,然而,很多应用场合需要电机能够在两个方向上旋转。以前,齿轮机构与外部继电器和开关曾被用于获得双向旋转功能。当采用机械齿轮机构时,电机轴单方向旋转,而齿轮可通过向前、向后啮合,或脱离啮合,改变电机的旋转方向。当采用继电器和开关时,根据所需要的运转方向,改变启动线圈的极性可让电机反向旋转。
  在此,我们将会讨论两种用于PSC电机双向速度控制的方法,它们均采用基于微控制器的驱动方式。这里介绍的驱动布局可以产生有效电压,能够驱动主线圈和启动线圈,两者之间具有90度的相差,使设计者能够从电路中永久地移除与启动线圈相串联的电容,从而降低了整个系统的成本。
  不幸的是,这些方法采用的组件会增加系统的成本。
  方法#2:H-Bridge反相器
  这种方法在输入端有一个倍压器;在输出端,使用H-bridge或双相反相器(见下图)。主线圈和启动线圈的一端被连接至相应的半桥;而它们的另一端连接在一起,连接点是交流电源的中性点,这一点也作为倍压器的中心点。



控制电路需要编成两对互补的四个PWM信号,并需要在互补输出之间有足够的静区。PWM0-PWM1和PWM2-PWM3是两对具有静区的PWM对。采用PWM信号,根据VF图,直流总线合成信号,以90度的相位差供给两组具有可变电压和可变频率的正弦电压信号。如果输出到主线圈的电压以90度的相位滞后于启动线圈,则电机以向前方向运行。如果要改变电机的旋向,供给主线圈的电压相位应当领先于启动线圈。
  这种控制PSC电机的H-bridge反相器方法具有以下缺点:
  主线圈和启动线圈具有不同的电路特征。这样,每一个转换器的电流并不平衡,这会导致反相器内的转换设备过早损坏。
  线圈的普通触点直接连接于交流电源的中性点,这可能增加漏入主电源的转换信号,并且可能增加电路噪声。这将会限制产品的EMI(电磁噪声)级别,违反特定的设计目标和规则。
  由于输入电压倍压电路,实际有效直流电压相对偏高。
  最后,由于有两个大功率电容,倍压器本身的成本会较高。
  将这些问题减至最小的方法就是使用三相转换器电桥,在下一部分会有所讨论。


方法#3: 使用三相转换器电桥
  输入部分被标准二极管桥式整流电路取代,输出部分具有三相转换器电桥。这种方法与前一方案的主要区别在于电机线圈与转换器的连接方式。主线圈和启动线圈的一端分别连接到相应的半桥,而另一端连在一起,之后再与第三个半桥相连。
  在这种驱动布局中,控制变得更加有效,然而,控制算法也变得更加复杂。为了在加于主线圈和启动线圈的有效电压之间获得90度的相位差,应当有效控制线圈电压Va、Vb、和Vc。
  各个设备具有相同的电压级别,这可以改进设备的利用情况,并能够在一个给定的直流总线电压下获得最大输出电压,为此,所有三个转换器的相电压均被设置为相同的幅值,如下式所示:
  | Va | = | Vb | = | Vc |
  加于主线圈和启动线圈的有效电压如下:
  Vmain = Va-Vc
  Vstart = Vb-Vc
  通过控制Vc相对于Va和Vb的相角,可以很容易的控制电机的旋转方向。
  45页的图表示了相电压Va、Vb和Vc,以及在正向运转和反向运转时分别加于主线圈的有效电压(Vmain)和加于启动线圈的有效电压(Vstart)之间的关系。
  对比于前两种方法,采用三相转换器电桥的控制方法控制一个300W的压缩机能够节省百分之三十的功耗。
  使用三相控制方法的另一个优点在于,可以用相同的驱动硬件布局控制三相感应电机。在这种情况下,微控制器应当被重新编程,将输出正弦电压的相位差设为120度,以驱动三相感应电机。
  在电器设备、工业和消费应用中,单相感应电机非常流行。PSC是最常见的单相感应电机。控制电机的转速具有很多优点,例如功率效率高、更低的噪声以及在应用中更易控制。在这篇文章中,我们讨论了在单向和双向运行时控制一个PSC电机的不同方法。采用三相电桥布局控制PSC电机的方法效果最佳。

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