如何在車(chē)庫門(mén)應用中使用單相交流感應電機和8位單片機完成低成本設計和分析

     對用于開(kāi)啟車(chē)庫門(mén)等應用的小型交流感應電機而言，使用三相逆變器電路可以極低的成本實(shí)現速度控制和軟啟 動(dòng)。這些固定分相電容式（PSC）電機在所有電機類(lèi)型中可 謂是最簡(jiǎn)單的，也是上述應用領(lǐng)域使用最廣泛的電機類(lèi)型。 它們的啟動(dòng)轉矩和啟動(dòng)電流都小，但可能會(huì )因為采用無(wú)極性 電容而效率低下，這些電容往往在電機中最先損壞。
如果兩個(gè)繞組之間的相位差不足，這類(lèi)單相電機就無(wú) 法運行，因此它們也常被稱(chēng)為雙相電機。而在輸入信號和繞 組之間放置一個(gè)電容便可以產(chǎn)生接近90?的相位差。開(kāi)關(guān)通常使用繼電器來(lái)代替，通過(guò)交換兩個(gè)相位（超 前變?yōu)闇?，滯后變?yōu)槌埃﹣?lái)實(shí)現方向控制。電容值通常 由電機制造商規定，對功率低于0.75 kW也就是我們正在討 論的這種電機類(lèi)型而言，電容值一般介于5至50 μF范圍內。 應慎重選擇電容，以便修正功率因數來(lái)獲取最大的功率效 率。圖1展示的是一個(gè)傳統交流感應電機的拓撲結構。額定電壓通常很高，大約為220至450V，具體取決于輸 入電壓。由于兩端接的是交流電壓，因而不允許電容有極性。如果電容出現故障，電機也會(huì )隨之停止轉動(dòng)。因此，能

圖1 傳統交流感應電機的拓撲結構；電容提供所需相位差以產(chǎn)生旋轉磁場(chǎng)

圖2  配有三個(gè)半橋的單相逆變器；6個(gè)PWM信號被用于驅動(dòng)相連的鼠籠
式PSC電機

否選擇正確的電容也是至關(guān)重要的。

在實(shí)際情況下，電容也是具有電阻的，當RMS交流紋 波電流流過(guò)時(shí)，由于電容的等效串聯(lián)電阻，會(huì )產(chǎn)生熱量。在 選擇固定電容時(shí)，我們應權衡靜止狀態(tài)的啟動(dòng)轉矩性能和運 行時(shí)的轉矩波動(dòng)抑制性能。由于電容的額定伏安值較高，它 通常會(huì )被選擇來(lái)滿(mǎn)足最低的啟動(dòng)性能要求，但這也導致了運 行效率低下。對于兩個(gè)繞組不同的電機，就需要給兩個(gè)相位提供不 同的電壓。這種不對稱(chēng)是由于電容和電機的電感形成了諧振 電路。這樣就造成了其中一個(gè)繞組電壓升高，導致了電流不 平均。然而，三相逆變器可以被用來(lái)代替固定電容，如圖2所

圖3  測功機上的測試裝置

圖4  整個(gè)系統的頂層概觀(guān)
示。這使得我們可以通過(guò)給各個(gè)繞組施加適量的電壓來(lái)調整 電機的轉速，從而避免有些較弱的繞組出現過(guò)載現象。
若 異 步 驅 動(dòng) 線(xiàn) 圈 ， 即 使 沒(méi) 有 電 容 電 機 也 仍 然 可 以 旋 轉。這可以通過(guò)在軟件中創(chuàng )建三個(gè)相位來(lái)實(shí)現。這些三相電 壓可以互為基準，由此分別在兩個(gè)電機繞組上產(chǎn)生兩個(gè)波 形。只需取其中一個(gè)的相位作為基準或中性相位，即可創(chuàng )建 兩個(gè)波形。這三個(gè)相位的創(chuàng )建可以借助PWM技術(shù)在軟件中 輕松實(shí)現。

1 比較
我們可以進(jìn)行下面這些測試將PSC運行方法和不帶運行 電容的逆變器方法做比較。它們是：轉矩測試，描述電機變 頻驅動(dòng)的效果；加速和速度測試，確定哪種方法可以使電機 軸轉動(dòng)最快以及負載加速到底有多快；效率測試，比較輸出 功率和輸入功率的實(shí)際分量并測量功率因數和其它導致低效 的因素。
這三個(gè)測試涵蓋了電機控制領(lǐng)域最廣泛的設計考量。 所有測試都無(wú)需使用有別于其他測試的特殊裝置。針對三個(gè) 獨立測試所做的各個(gè)分析可以使用相同的數據子集。測試裝 置如圖3所示。
該測試使用0.19 kW、布線(xiàn)配置均衡的單相電機。兩個(gè) 繞組具有相同的電阻和電感。一個(gè)霍爾效應傳感器被用于測 量電機軸的轉速。輸入是單相兩線(xiàn)制220V/60Hz電源。輸出被饋送到逆變器上的兩個(gè)端子。PC接口運行Magtrol的M-Test 7軟件?？删幊炭刂破靼衍?br />件中的測試設置應用到測功機上，并讀取所施加的轉矩。功 率分析儀讀取和記錄所有其它讀數。
從轉矩測試開(kāi)始，我們明顯發(fā)現，若滿(mǎn)足電機設計標 準，則頻率在50至60 Hz之間時(shí)電機擁有約0.75 Nm的最高啟 動(dòng)轉矩。頻率高于和低于60 Hz時(shí)轉矩較低。然而，低頻率 并不能產(chǎn)生恒定的轉矩曲線(xiàn)。頻率低于60 Hz就需要微調電 壓頻率比，以避免造成電機損耗和電機驅動(dòng)的不準確。在最 大電壓下，應保持頻率低于60 Hz。
低頻會(huì )導致電感阻抗減小。對這一降低的阻抗施加高 電壓，則會(huì )提高定子電流，從而產(chǎn)生更高的轉矩。此時(shí)需要 進(jìn)行微調來(lái)確保轉矩曲線(xiàn)為線(xiàn)性。
兩種方法產(chǎn)生的曲線(xiàn)形狀大有不同。電容方法的啟動(dòng) 轉矩更大一點(diǎn)，而且在60 Hz時(shí)比逆變器配電盤(pán)加速更快。 逆變器配電盤(pán)產(chǎn)生的是類(lèi)似于D類(lèi)設計電機的曲線(xiàn)，而PSC 運行拓撲產(chǎn)生的是類(lèi)似于A(yíng)類(lèi)的轉矩曲線(xiàn)。由固定電容引起 的不等電壓幅度又造成了定子內勵磁磁通的不等幅度。由于 這種特殊電機各個(gè)繞組的阻抗相同，逆變器配電盤(pán)試圖在各 個(gè)繞組創(chuàng )建等量的電流。因為驅動(dòng)拓撲存在這些差異，轉矩 曲線(xiàn)的形狀并不相似。
現在來(lái)看看當轉子被鎖住時(shí)的啟動(dòng)轉矩，如果設置逆 變器只在調制頻率為60 Hz時(shí)轉動(dòng)電機，那么逆變器就無(wú)法 帶動(dòng)與PSC方法相同大小的負載。然而，逆變器配電盤(pán)可以 使用變頻驅動(dòng)來(lái)帶動(dòng)更大的負載。設計人員必須還要權衡大 的啟動(dòng)轉矩與效率和速度之間的關(guān)系。
控制電壓和頻率最明顯的好處就是設計人員可以控制 電機軸的轉速。它旋轉的越快，負載就能越早被推挽至最終 值。對于車(chē)庫門(mén)或門(mén)控系統應用而言，這將是一個(gè)關(guān)鍵的設 計中標亮點(diǎn)。

2 逆變器配電盤(pán)
因此，逆變器配電盤(pán)使得電機的性能優(yōu)于采用PSC方法 驅動(dòng)的相同電機。PSC方法只能以一個(gè)頻率驅動(dòng)電機，所以 轉速無(wú)法超過(guò)其同步轉速。
逆變器配電盤(pán)可以被構建成一個(gè)特定于應用的平臺而 非一個(gè)通用演示板。然而，它提供了很多輸入和輸出（I/ O）接口以便用戶(hù)操作和修改。逆變器被設計成可以驅動(dòng) 單相或三相交流感應電機。配電盤(pán)概觀(guān)如圖4所示，使用了Microchip的PIC16F1509單片機。該配電盤(pán)在設計時(shí)考慮到了靈活性，
因此可以選擇使用或不使用其中的某些特性來(lái)達到最優(yōu)化的目的。大部分I/O接口使用默認代碼，但
是仍然有足夠的空間允許開(kāi)發(fā)人員進(jìn)行自定義修改。I2C線(xiàn) 路也可以自由添加任意從設備。
部分I/O接口可以通過(guò)多路復用方式共用一個(gè)引腳，以 此來(lái)增加可以使用的I/O接口數量。通過(guò)兩個(gè)四通道光電耦 合器和一個(gè)單通道光電耦合器，可獨立滿(mǎn)足各用戶(hù)接口的要 求。配電盤(pán)提供兩個(gè)開(kāi)關(guān)按鈕和兩個(gè)電位器。同時(shí)，另有連 接插頭用于連接外部I/O，比如車(chē)庫門(mén)開(kāi)啟觸發(fā)傳感器。這 兩個(gè)電位器光電耦合電路中的晶體管工作在其放大區。由于 光耦LED不具有線(xiàn)性I-V曲線(xiàn)，因此輸出是近似線(xiàn)性的。每 個(gè)電位器會(huì )消耗30 mA范圍內的大電流。
數 字 按 鈕 和 輔 助 輸 入 均 已 配 置 為 電 平 變 化 中 斷 輸 入
（IoC）。這使得CPU無(wú)需不停檢查引腳的電壓電平。無(wú)論 何時(shí)檢測到一個(gè)IoC，都必須讀取ADC讀數來(lái)確定是哪一個(gè) 輸入引起的中斷。

3 運行
當PIC16F1509單片機進(jìn)行引腳初始化并停止電機時(shí)，電機處于空閑狀態(tài)。當啟動(dòng)按鈕被按下時(shí)，電機使用軟啟動(dòng) 方法開(kāi)始運轉，以線(xiàn)性方式調節頻率和電壓，以便電機可以 緩慢提升到運行速度。當軟啟動(dòng)操作完成時(shí)，電機便轉到了 運行狀態(tài)。
在主控制循環(huán)內，電機速度和電流跳變點(diǎn)會(huì )被不斷查 詢(xún)。一旦檢測到過(guò)流現象，電機就會(huì )被停止，而LED狀態(tài)燈 會(huì )閃爍以提示出現故障。通常會(huì )使用剎車(chē)按鈕或軟停止來(lái)使 電機停止運行返回到空閑狀態(tài)。

4 結論
用于車(chē)庫門(mén)等應用的交流感應電機可選擇由逆變器配 電盤(pán)代替傳統電容來(lái)驅動(dòng)。這使我們只需要較低的成本就可 以為電機添加速度控制和軟啟動(dòng)功能。該逆變器配電盤(pán)采用 了Microchip的PIC16F1509 8位單片機。