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每一天，工程師們都在設計使用單相感應電機的產品，在大多數電機控制的應用場合中，單相感應電機的轉速控制都是令人滿意的，因為它不僅能夠實現不同的轉速，還能夠降低功率消耗和噪聲。

大多數單相感應電機是單向運行的，這是因為它們在設計時被設為單方向旋轉。通過增加額外的線圈、外部繼電器和開關，或通過增加齒輪機構，可以改變旋轉方向。采用基于微控制器的控制系統，可以改變系統的調速范圍。除此之外，采用不同的電機控制算法，電機的旋轉方向也可以被改變。

固定分相電容器式（Permanent Split Capacitor, PSC）電機是單相感應電機中最常見的類型。本文將會討論三種不同的技術和驅動方式，它們可用于單向或雙向控制PSC電機的轉速。

PIC 18F2431或dsPIC30F2010的引腳

微控制器界面

微控制器是系統的大腦。通常，電機控制應用中所使用的微控制器具有專門的外圍設備，例如電機控制脈寬調制（PWM）、高速模數轉換器（ADC）以及診斷管腳。Microchip公司的PIC18F2431和dsPIC30F2010都內嵌有這些功能。

通過訪問微處理器上的專用片內外圍設備，可以使控制算法的執行過程更加簡單。

ADC通道可用于測量電機電流、電機溫度以及散熱片溫度（與電源開關相連）。另外ADC通道還可用于讀取電位計電平，這個信號之后可用于設置電機轉速。其他的ADC通道用于現場級應用，讀取不同的傳感器數據， 例如接近開關、濁度傳感器、水位、冷卻器溫度等等。

在一項具體應用中，通用I/O接口可以用作開關和顯示器的連接接口。例如，在冰箱應用中，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用于連接電機控制板和另一個電路板以變換數據。

故障診斷界面包含具有特殊功能的輸入線，如能在系統中設置出現災難性故障時，關閉PWM輸出的功能。以洗碗機為例，如果驅動設備由于積聚的廢物而阻塞，這就可以阻止電機繼續旋轉。通過檢測電機控制系統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，這可以防止嚴重失效，并減少產品由于故障帶來的停工，進而降低維修成本。

PWM是用于控制電機的主要方式。采用上文所述的輸入，微控制器的電機控制算法可以計算出PWM的占空系數和輸出模式。PWM的最有價值的功能包括具有可編程空載時間的補充通道。PWM信號可以是中間對齊或靠邊對齊的。中間對齊的PWM信號具有降低產品電磁噪聲（EMI）輻射的優點。

具有三個基本部分的驅動布局方塊圖。在這種布局中電機只有兩個引線（M1和M2）。所示的MCU具有一個PWM模塊，它能夠輸出三對PWM信號，并且各組信號之間具有靜區。

方法#1:單方向控制

單方向上的VF（可變頻率）控制讓驅動布局和控制算法變得相對簡單。具體做法是，從一個固定電壓和頻率的電源（如墻上插座電源）產生一個可變電壓和頻率的電源。在42頁的圖顯示了這種驅動布局的方塊圖，它包括前文所討論的三個基本部分。電機線圈接在輸出反相器每個半橋的中心處。市場上很多常見電機的結構是，主線圈和啟動線圈連接在一起，同時有一個電容與啟動線圈相串聯。在這種結構中，電機可能只有兩個引線（M1和M2）。

方塊圖中所示的MCU具有電源控制脈寬調制模塊（PCPWM），它能夠輸出三對PWM信號，并且在各組信號之間具有靜區。靜區對感應電機控制應用是很有意義的，因為當一組PWM關閉電源開關而另一組開啟時，會在直流總線上產生跨導，而靜區可以避免這種情況的發生。診斷電路包括電機電流監測、直流總線電壓監測，以及對連接在電源開關和電機上的散熱片的溫度監測。

電機以向前方向和向后方向轉動時的相電壓

雙向控制

大多數PSC電機被設計成單方向運行，然而，很多應用場合需要電機能夠在兩個方向上旋轉。以前，齒輪機構與外部繼電器和開關曾被用于獲得雙向旋轉功能。當采用機械齒輪機構時，電機軸單方向旋轉，而齒輪可通過向前、向后嚙合，或脫離嚙合，改變電機的旋轉方向。當采用繼電器和開關時，根據所需要的運轉方向，改變啟動線圈的極性可讓電機反向旋轉。

在此，我們將會討論兩種用于PSC電機雙向速度控制的方法，它們均采用基于微控制器的驅動方式。這里介紹的驅動布局可以產生有效電壓，能夠驅動主線圈和啟動線圈，兩者之間具有90度的相差，使設計者能夠從電路中永久地移除與啟動線圈相串聯的電容，從而降低了整個系統的成本。

不幸的是，這些方法采用的組件會增加系統的成本。

方法#2：H-Bridge反相器

這種方法在輸入端有一個倍壓器；在輸出端，使用H-bridge或雙相反相器（見下圖）。主線圈和啟動線圈的一端被連接至相應的半橋；而它們的另一端連接在一起，連接點是交流電源的中性點，這一點也作為倍壓器的中心點。

使用H-bridge 的雙向控制

使用三相轉換器電橋的控制

控制電路需要編成兩對互補的四個PWM信號，并需要在互補輸出之間有足夠的靜區。PWM0-PWM1和PWM2-PWM3是兩對具有靜區的PWM對。采用PWM信號，根據VF圖，直流總線合成信號，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。如果輸出到主線圈的電壓以90度的相位滯后于啟動線圈，則電機以向前方向運行。如果要改變電機的旋向，供給主線圈的電壓相位應當領先于啟動線圈。

這種控制PSC電機的H-bridge反相器方法具有以下缺點：

·主線圈和啟動線圈具有不同的電路特征。這樣，每一個轉換器的電流并不平衡，這會導致反相器內的轉換設備過早損壞。
·線圈的普通觸點直接連接于交流電源的中性點，這可能增加漏入主電源的轉換信號，并且可能增加電路噪聲。這將會限制產品的EMI（電磁噪聲）級別，違反特定的設計目標和規則。
·由于輸入電壓倍壓電路，實際有效直流電壓相對偏高。
·最后，由于有兩個大功率電容，倍壓器本身的成本會較高。

將這些問題減至最小的方法就是使用三相轉換器電橋，在下一部分會有所討論。

方法#3: 使用三相轉換器電橋

輸入部分被標準二極管橋式整流電路取代，輸出部分具有三相轉換器電橋。這種方法與前一方案的主要區別在于電機線圈與轉換器的連接方式。主線圈和啟動線圈的一端分別連接到相應的半橋，而另一端連在一起，之后再與第三個半橋相連。

在這種驅動布局中，控制變得更加有效，然而，控制算法也變得更加復雜。為了在加于主線圈和啟動線圈的有效電壓之間獲得90度的相位差，應當有效控制線圈電壓Va、Vb、和Vc。

各個設備具有相同的電壓級別，這可以改進設備的利用情況，并能夠在一個給定的直流總線電壓下獲得最大輸出電壓，為此，所有三個轉換器的相電壓均被設置為相同的幅值，如下式所示：

| Va | = | Vb | = | Vc |

加于主線圈和啟動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的旋轉方向。

45頁的圖表示了相電壓Va、Vb和Vc，以及在正向運轉和反向運轉時分別加于主線圈的有效電壓（Vmain）和加于啟動線圈的有效電壓（Vstart）之間的關系。

對比于前兩種方法，采用三相轉換器電橋的控制方法控制一個300W的壓縮機能夠節省百分之三十的功耗。

使用三相控制方法的另一個優點在于，可以用相同的驅動硬件布局控制三相感應電機。在這種情況下，微控制器應當被重新編程，將輸出正弦電壓的相位差設為120度，以驅動三相感應電機。

在電器設備、工業和消費應用中，單相感應電機非常流行。PSC是最常見的單相感應電機。控制電機的轉速具有很多優點，例如功率效率高、更低的噪聲以及在應用中更易控制。在這篇文章中，我們討論了在單向和雙向運行時控制一個PSC電機的不同方法。采用三相電橋布局控制PSC電機的方法效果最佳。

Padmaraja Yedamale是Microchip Technology公司的高級應用工程師。他的電子郵件是
padmaraja.yedamale@microchip.com.

原載DESIGN NEWS China