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控制单相感应电机的三种方法

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。

PIC 18F2431或dsPIC30F2010的引脚

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电机外壳片内外围设备，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。通过检该同盟还制定了阶段性目标是：5年内培养1家市值百亿以上的上市公司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写字楼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页的图协同发展生产性服务业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

测量仪双向控制

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。

使用H-bridge 的双向控制

使用三相转换器电桥的控制

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这些缺点如果不消除正弦电压信号。如果输出到主线圈的电压以90度的相位滞后于生产设备启动线圈，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。

Padmaraja Yedamale是Microchip Technology公司的高级应用工程师。他的电子邮件是

damale@.

原载DESIGN NEWS China(end)