基于單片機的單相電動(dòng)機調速方法及其實(shí)現

摘  要：本文介紹在三速單相電動(dòng)機中采用分時(shí)接通的方法提高電動(dòng)機的轉速檔次，使電動(dòng)機具有二十檔轉速的調速能力和更好的節能效果，這種方法無(wú)需增加較多的硬件，僅在控制器中采用新的調速程序，即可達到提高風(fēng)扇風(fēng)速檔次和節能的目的。
關(guān)鍵詞：調速；單相電動(dòng)機；單片機

0  前言

目前，三速單相電動(dòng)機結構簡(jiǎn)單，成本較低，控制方便，它使電風(fēng)扇具備高、中、低三檔轉速，提高了電風(fēng)扇的供風(fēng)質(zhì)量，因此，這種單相電動(dòng)機在家用電風(fēng)扇得到廣泛的應用。但是，當需要進(jìn)一步提高電風(fēng)扇的質(zhì)量和品位時(shí)，僅具有三檔轉速的單相電動(dòng)機就不能滿(mǎn)足電風(fēng)扇的要求，必須提高單相電動(dòng)機的調速能力。我們使用無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)分時(shí)接通的方法，在硬件電路基本不變的條件下，使三速單相電動(dòng)機具有二十檔轉速的調速能力。

1  三速單相電動(dòng)機開(kāi)關(guān)調速的原理

三速單相電動(dòng)機調速電路如圖1所示， L、M、H分別為單相電動(dòng)機的低速抽頭、中速抽頭和高速抽頭，單相電動(dòng)機采用電容運行方式，三個(gè)抽頭與電源的連接由三個(gè)雙向晶閘管TL、TM、TH來(lái)控制，當TL導通時(shí)電動(dòng)機的低速抽頭與電源連接，電動(dòng)機低速運轉，同樣，TM導通時(shí)電動(dòng)機中速運轉，TH導通時(shí)電動(dòng)機高速運轉。我們采用分時(shí)接通L、M、H的方法，可以調節電動(dòng)機的轉速，使三速單相電動(dòng)機獲得多于三檔轉速的變速能力。設電源頻率為50HZ，其周期為0.02S，取調速周期TS=8T（T為電源周期），低速調速時(shí)，調速周期內不接通任何一個(gè)晶閘管，則電動(dòng)機的轉速0，調速周期內全接通晶閘管TL，則電動(dòng)機低速運轉，但如果在8個(gè)電源周期內，N個(gè)周期接通晶閘管TL（0≤N≤8），其他時(shí)間不接通，那么，在電動(dòng)機的低速下可獲得8檔更低的轉速。同樣，中速調速時(shí)，調速周期內全接通晶閘管TL，則電動(dòng)機低速運轉，全接通晶閘管TM，則電動(dòng)機中速運轉，如果在8個(gè)電源周期內N個(gè)周期接通晶閘管TM，（8-N）個(gè)周期接通TL，那么在電動(dòng)機的低速和中速之間可獲得8檔轉速。同樣道理，在中速和高速間又可獲得8檔轉速。由此可見(jiàn)采用分時(shí)接通的方法，可以使只有三檔轉速的三速單相電動(dòng)機具有二十四檔轉速的調速能力。

 

2  三速單相電動(dòng)機開(kāi)關(guān)調速的硬件和軟件設計

三速單相電動(dòng)機調速電路如圖1所示，某家用電風(fēng)扇的單相電動(dòng)機采用單片機ATMEL89C2051控制，單片機的輸出端口P1.5、P1.6、P1.7經(jīng)反相器與晶閘管TL、TM、TH的控制極連接，當P1.5=“0”時(shí)，晶閘管導通，電動(dòng)機可低速運轉，反之，P1.5=“1”時(shí)，晶閘管截止，電動(dòng)機停轉，即由P1.5輸出電位控制電動(dòng)機的低速檔；同樣，由P1.6輸出電位控制電動(dòng)機的中速檔，P1.7控制電動(dòng)機的高速檔。同步電路每個(gè)電源周期產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號，并在電源電壓由負變正時(shí)產(chǎn)生脈沖的下降沿。同步信號由INT0中斷口輸入單片機。三速單相電動(dòng)機開(kāi)關(guān)調速的控制方法如下：在每個(gè)電源電源電壓由負變正過(guò)零時(shí)，同步電路產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號，向單片機申請中斷，單片機響應中斷后執行調速程序，按給定的轉速代碼輸出轉速信號，調節電動(dòng)機轉速。取調速周期Ts=8T（T為電源周期），調速程序必須經(jīng)過(guò)8次中斷才能輸出一個(gè)轉速代碼的轉速，在調速周期內不能接受新的轉速代碼，否則電動(dòng)機的轉速將不受控制。在調速程序中，采用一個(gè)存儲單元（34H）作為轉速輸入單元，另一個(gè)存儲單元（37H）作為電源周期指示器，記錄已經(jīng)輸出的電源周期，控制器需要改變風(fēng)扇的轉速時(shí)，隨時(shí)可以向（34H）單元寫(xiě)入轉速代碼，但只有電源周期指示器的數值為零時(shí)，調速程序才能將（34H）單元的數據變成實(shí)際輸出的信號。電源周期指示器的初始值為00H，INT0每中斷一次調速周期定時(shí)器加1，直至電源周期指示器為08H時(shí)，重新清零，并且讀入轉速輸入單元（34H）的數據。

在調速程序中，我們采用8位數據記錄風(fēng)扇的轉速代碼，其中低3位（b2b1b0）表示接通比例N，第4、5位（b4b3）表示接通檔次，高3位（b7b6b5）不用。接通檔次表示調速為低速調速、中速調速還是高速調速，其值為b4b3={00B，01B，10B，11B}，當接通檔次為00B時(shí)，在轉速代碼設定的接通比例內接通晶閘管TL，接通比例外不接通晶閘管；當接通檔次為01B時(shí)，在轉速代碼設定的接通比例內接通晶閘管TM，接通比例外接通晶閘管TL，當接通檔次為10B時(shí)，在轉速代碼設定的接通比例內接通晶閘管TH，接通比例外接通晶閘管TM；當接通檔次為11B時(shí)，接通比例只有00H一種，這時(shí)在整個(gè)調速周期內接通晶閘管TH，電動(dòng)機高速運轉。接通比例的取值范圍000B-111B，由此可知，轉速代碼的取值范圍為00H-18H，總共25個(gè)代碼，其中00H為零速，01H-08H為低速檔代碼，09H-10H為中速檔代碼，11H-18H為高速檔代碼。所以電動(dòng)機除零速外共有二十四檔轉速。這樣定義轉速代碼的優(yōu)點(diǎn)是三檔轉速的代碼時(shí)連續的，并且代碼的大小與轉速的高低相關(guān)。

調速程序的控制算法如圖2所示，電源周期指示器指示在一個(gè)調速周期內已經(jīng)過(guò)的電源周期的數目，其初值為00H，N為轉速代碼中的接通比例。 

 

INT0每中斷一次電源周期指示器的值加1，直至08H時(shí)重新置零，因此，可以用電源周期指示器來(lái)控制接通晶閘管的電源周期數，實(shí)現轉速代碼中接通比例對電動(dòng)機轉速的控制。為了便于編程，我們引入一個(gè)控制位c，在轉速代碼設定的接通比例范圍內，控制位置c=1，在轉速代碼設定的接通比例范圍之外控制位置c=0，再根據轉速代碼的接通檔次，可以算出需要接通晶閘管的代碼，即

晶閘管的代碼（t1t0）=（接通檔次位b4b3）+控制位（c）

這里晶閘管的代碼t1t0={00B，01B，10B，11B}，其中00B表示不接通，01B表示晶閘管TL，10B表示晶閘管TM，11B表示晶閘管TH。晶閘管代碼算出之后即可根據晶閘管代碼與控制信號的邏輯關(guān)系獲得相應的控制信號，輸出相對應的信號，對電動(dòng)機的轉速進(jìn)行控制。晶閘管代碼與輸出控制信號的邏輯關(guān)系為：



根據上述控制算法，我們編寫(xiě)控制程序，實(shí)驗證實(shí)上述方法可以調節三速單相電動(dòng)機的轉速，使僅有三檔轉速的電動(dòng)機具備二十四檔轉速的調速能力，但這個(gè)方法有一些缺點(diǎn)，主要是：

1）電動(dòng)機的轉矩是脈動(dòng)的，使電動(dòng)機的機械噪聲增大，必須采取良好的潤滑和防止轉子軸向運動(dòng)的措施減少噪聲。為了在調速周期內電動(dòng)機的轉矩較為平滑，減少脈動(dòng)，可采用改進(jìn)的控制位波形如圖3所示，在接通比例不變的前提下，平均分布接通控制位，減少電動(dòng)機轉矩的脈動(dòng)程度，從而減低電動(dòng)機的噪聲。

 

2）低速檔接通比例較低時(shí)，電風(fēng)扇的風(fēng)葉出現蠕行，不能正常送風(fēng)，必須限制最小轉速代碼?？扇サ舻退贆n轉速代碼中最低接通比例的四個(gè)代碼，保留轉速較高的二十檔轉速。

實(shí)驗證實(shí)，采用改進(jìn)的控制位波形和限制最小轉速代碼之后，三速單相電動(dòng)機在風(fēng)扇應用中取得較好的調速和節能效果。三速單相電動(dòng)機開(kāi)關(guān)調速的實(shí)驗測試結果如下：

 

本試驗電動(dòng)機所帶的負載為風(fēng)扇，有關(guān)技術(shù)數據如下：

額定電壓：220V