每一天，工程師們都在設(shè)計(jì)使用單相感應(yīng)電機(jī)的產(chǎn)品，在大多數(shù)電機(jī)控制的應(yīng)用場合中，單相感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制都是令人滿意的，因?yàn)樗粌H能夠?qū)崿F(xiàn)不同的轉(zhuǎn)速，還能夠降低功率消耗和噪聲。
大多數(shù)單相感應(yīng)電機(jī)是單向運(yùn)行的，這是因?yàn)樗鼈冊谠O(shè)計(jì)時(shí)被設(shè)為單方向旋轉(zhuǎn)。通過增加額外的線圈、外部繼電器和開關(guān)，或通過增加齒輪機(jī)構(gòu)，可以改變旋轉(zhuǎn)方向。采用基于微控制器的控制系統(tǒng)，可以改變系統(tǒng)的調(diào)速范圍。除此之外，采用不同的電機(jī)控制算法，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向也可以被改變。
固定分相電容器式（Permanent Split Capacitor, PSC）電機(jī)是單相感應(yīng)電機(jī)中最常見的類型。本文將會(huì)討論三種不同的技術(shù)和驅(qū)動(dòng)方式，它們可用于單向或雙向控制PSC電機(jī)的轉(zhuǎn)速。
PIC 18F2431或dsPIC30F2010的引腳
微控制器界面
微控制器是系統(tǒng)的大腦。通常，電機(jī)控制應(yīng)用中所使用的微控制器具有專門的外圍設(shè)備，例如電機(jī)控制脈寬調(diào)制（PWM）、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）以及診斷管腳。Microchip公司的PIC18F2431和dsPIC30F2010都內(nèi)嵌有這些功能。
通過訪問微處理器上的專用片內(nèi)外圍設(shè)備，可以使控制算法的執(zhí)行過程更加簡單。
ADC通道可用于測量電機(jī)電流、電機(jī)溫度以及散熱片溫度（與電源開關(guān)相連）。另外ADC通道還可用于讀取電位計(jì)電平，這個(gè)信號(hào)之后可用于設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)速。其他的ADC通道用于現(xiàn)場級應(yīng)用，讀取不同的傳感器數(shù)據(jù)， 例如接近開關(guān)、濁度傳感器、水位、冷卻器溫度等等。
在一項(xiàng)具體應(yīng)用中，通用I/O接口可以用作開關(guān)和顯示器的連接接口。例如，在冰箱應(yīng)用中，這些通用I/O可以用于控制LCD顯示器、七位LED顯示器、按鈕界面等等。通訊通道如I2C 或SPI用于連接電機(jī)控制板和另一個(gè)電路板以變換數(shù)據(jù)。
故障診斷界面包含具有特殊功能的輸入線，如能在系統(tǒng)中設(shè)置出現(xiàn)災(zāi)難性故障時(shí)，關(guān)閉PWM輸出的功能。以洗碗機(jī)為例，如果驅(qū)動(dòng)設(shè)備由于積聚的廢物而阻塞，這就可以阻止電機(jī)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。通過檢測電機(jī)控制系統(tǒng)中的過載電流就可以判斷是否阻塞。采用診斷功能，這類故障可以被記錄并顯示出來，或被傳送到修理人員的故障診斷PC中。通常，這可以防止嚴(yán)重失效，并減少產(chǎn)品由于故障帶來的停工，進(jìn)而降低維修成本。
PWM是用于控制電機(jī)的主要方式。采用上文所述的輸入，微控制器的電機(jī)控制算法可以計(jì)算出PWM的占空系數(shù)和輸出模式。PWM的最有價(jià)值的功能包括具有可編程空載時(shí)間的補(bǔ)充通道。PWM信號(hào)可以是中間對齊或靠邊對齊的。中間對齊的PWM信號(hào)具有降低產(chǎn)品電磁噪聲（EMI）輻射的優(yōu)點(diǎn)。
具有三個(gè)基本部分的驅(qū)動(dòng)布局方塊圖。在這種布局中電機(jī)只有兩個(gè)引線（M1和M2）。所示的MCU具有一個(gè)PWM模塊，它能夠輸出三對PWM信號(hào)，并且各組信號(hào)之間具有靜區(qū)。
方法#1:單方向控制
單方向上的VF（可變頻率）控制讓驅(qū)動(dòng)布局和控制算法變得相對簡單。具體做法是，從一個(gè)固定電壓和頻率的電源（如墻上插座電源）產(chǎn)生一個(gè)可變電壓和頻率的電源。在42頁的圖顯示了這種驅(qū)動(dòng)布局的方塊圖，它包括前文所討論的三個(gè)基本部分。電機(jī)線圈接在輸出反相器每個(gè)半橋的中心處。市場上很多常見電機(jī)的結(jié)構(gòu)是，主線圈和啟動(dòng)線圈連接在一起，同時(shí)有一個(gè)電容與啟動(dòng)線圈相串聯(lián)。在這種結(jié)構(gòu)中，電機(jī)可能只有兩個(gè)引線（M1和M2）。
方塊圖中所示的MCU具有電源控制脈寬調(diào)制模塊（PCPWM），它能夠輸出三對PWM信號(hào)，并且在各組信號(hào)之間具有靜區(qū)。靜區(qū)對感應(yīng)電機(jī)控制應(yīng)用是很有意義的，因?yàn)楫?dāng)一組PWM關(guān)閉電源開關(guān)而另一組開啟時(shí)，會(huì)在直流總線上產(chǎn)生跨導(dǎo)，而靜區(qū)可以避免這種情況的發(fā)生。診斷電路包括電機(jī)電流監(jiān)測、直流總線電壓監(jiān)測，以及對連接在電源開關(guān)和電機(jī)上的散熱片的溫度監(jiān)測。
電機(jī)以向前方向和向后方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的相電壓
雙向控制
大多數(shù)PSC電機(jī)被設(shè)計(jì)成單方向運(yùn)行，然而，很多應(yīng)用場合需要電機(jī)能夠在兩個(gè)方向上旋轉(zhuǎn)。以前，齒輪機(jī)構(gòu)與外部繼電器和開關(guān)曾被用于獲得雙向旋轉(zhuǎn)功能。當(dāng)采用機(jī)械齒輪機(jī)構(gòu)時(shí)，電機(jī)軸單方向旋轉(zhuǎn)，而齒輪可通過向前、向后嚙合，或脫離嚙合，改變電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。當(dāng)采用繼電器和開關(guān)時(shí)，根據(jù)所需要的運(yùn)轉(zhuǎn)方向，改變啟動(dòng)線圈的極性可讓電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)。
在此，我們將會(huì)討論兩種用于PSC電機(jī)雙向速度控制的方法，它們均采用基于微控制器的驅(qū)動(dòng)方式。這里介紹的驅(qū)動(dòng)布局可以產(chǎn)生有效電壓，能夠驅(qū)動(dòng)主線圈和啟動(dòng)線圈，兩者之間具有90度的相差，使設(shè)計(jì)者能夠從電路中永久地移除與啟動(dòng)線圈相串聯(lián)的電容，從而降低了整個(gè)系統(tǒng)的成本。
不幸的是，這些方法采用的組件會(huì)增加系統(tǒng)的成本。
方法#2：H-Bridge反相器
這種方法在輸入端有一個(gè)倍壓器；在輸出端，使用H-bridge或雙相反相器（見下圖）。主線圈和啟動(dòng)線圈的一端被連接至相應(yīng)的半橋；而它們的另一端連接在一起，連接點(diǎn)是交流電源的中性點(diǎn)，這一點(diǎn)也作為倍壓器的中心點(diǎn)。
使用H-bridge 的雙向控制
使用三相轉(zhuǎn)換器電橋的控制
控制電路需要編成兩對互補(bǔ)的四個(gè)PWM信號(hào)，并需要在互補(bǔ)輸出之間有足夠的靜區(qū)。PWM0-PWM1和PWM2-PWM3是兩對具有靜區(qū)的PWM對。采用PWM信號(hào)，根據(jù)VF圖，直流總線合成信號(hào)，以90度的相位差供給兩組具有可變電壓和可變頻率的正弦電壓信號(hào)。如果輸出到主線圈的電壓以90度的相位滯后于啟動(dòng)線圈，則電機(jī)以向前方向運(yùn)行。如果要改變電機(jī)的旋向，供給主線圈的電壓相位應(yīng)當(dāng)領(lǐng)先于啟動(dòng)線圈。
這種控制PSC電機(jī)的H-bridge反相器方法具有以下缺點(diǎn)：
·主線圈和啟動(dòng)線圈具有不同的電路特征。這樣，每一個(gè)轉(zhuǎn)換器的電流并不平衡，這會(huì)導(dǎo)致反相器內(nèi)的轉(zhuǎn)換設(shè)備過早損壞。
·線圈的普通觸點(diǎn)直接連接于交流電源的中性點(diǎn)，這可能增加漏入主電源的轉(zhuǎn)換信號(hào)，并且可能增加電路噪聲。這將會(huì)限制產(chǎn)品的EMI（電磁噪聲）級別，違反特定的設(shè)計(jì)目標(biāo)和規(guī)則。
·由于輸入電壓倍壓電路，實(shí)際有效直流電壓相對偏高。
·最后，由于有兩個(gè)大功率電容，倍壓器本身的成本會(huì)較高。
將這些問題減至最小的方法就是使用三相轉(zhuǎn)換器電橋，在下一部分會(huì)有所討論。
方法#3: 使用三相轉(zhuǎn)換器電橋
輸入部分被標(biāo)準(zhǔn)二極管橋式整流電路取代，輸出部分具有三相轉(zhuǎn)換器電橋。這種方法與前一方案的主要區(qū)別在于電機(jī)線圈與轉(zhuǎn)換器的連接方式。主線圈和啟動(dòng)線圈的一端分別連接到相應(yīng)的半橋，而另一端連在一起，之后再與第三個(gè)半橋相連。
在這種驅(qū)動(dòng)布局中，控制變得更加有效，然而，控制算法也變得更加復(fù)雜。為了在加于主線圈和啟動(dòng)線圈的有效電壓之間獲得90度的相位差，應(yīng)當(dāng)有效控制線圈電壓Va、Vb、和Vc。
各個(gè)設(shè)備具有相同的電壓級別，這可以改進(jìn)設(shè)備的利用情況，并能夠在一個(gè)給定的直流總線電壓下獲得最大輸出電壓，為此，所有三個(gè)轉(zhuǎn)換器的相電壓均被設(shè)置為相同的幅值，如下式所示：
| Va | = | Vb | = | Vc |
加于主線圈和啟動(dòng)線圈的有效電壓如下：
Vmain = Va-Vc
Vstart = Vb-Vc
通過控制Vc相對于Va和Vb的相角，可以很容易的控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。
45頁的圖表示了相電壓Va、Vb和Vc，以及在正向運(yùn)轉(zhuǎn)和反向運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)分別加于主線圈的有效電壓（Vmain）和加于啟動(dòng)線圈的有效電壓（Vstart）之間的關(guān)系。
對比于前兩種方法，采用三相轉(zhuǎn)換器電橋的控制方法控制一個(gè)300W的壓縮機(jī)能夠節(jié)省百分之三十的功耗。
使用三相控制方法的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，可以用相同的驅(qū)動(dòng)硬件布局控制三相感應(yīng)電機(jī)。在這種情況下，微控制器應(yīng)當(dāng)被重新編程，將輸出正弦電壓的相位差設(shè)為120度，以驅(qū)動(dòng)三相感應(yīng)電機(jī)。
在電器設(shè)備、工業(yè)和消費(fèi)應(yīng)用中，單相感應(yīng)電機(jī)非常流行。PSC是最常見的單相感應(yīng)電機(jī)。控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速具有很多優(yōu)點(diǎn)，例如功率效率高、更低的噪聲以及在應(yīng)用中更易控制。在這篇文章中，我們討論了在單向和雙向運(yùn)行時(shí)控制一個(gè)PSC電機(jī)的不同方法。采用三相電橋布局控制PSC電機(jī)的方法效果最佳。
Padmaraja Yedamale是Microchip Technology公司的高級應(yīng)用工程師。他的電子郵件是
padmaraja.yedamale@microchip.com.
原載DESIGN NEWS China
