控制单相感应电机的三种方法

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。