CN102647146B - 一种单相交流电机的数字控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种单相交流电机的数字控制器，包括微处理机MCU和与微处理机MCU相连的电源电路、过零检测电路、信息显示电路、信息输入电路、速度反馈电路、电机执行电路，其中电源电路、过零检测电路、电机执行电路还连接交流电源，速度检测电路、电机执行电路与单相交流电机相连。通过采集单相交流电机的实时速度与设定的参考速度形成闭环控制回路，结合采集到的交流电源过零信号，输出一定占空比的脉冲信号来控制可控硅的通断，控制单相交流电机的各种转动如正转、反转、停止，输出一定占空比的脉冲信号控制可控硅通断，实现直流分量给单相交流电机以实现制动；强电与弱电之间利光耦、变压器进行隔离，使其互不干扰，保证回路稳定。

Description

一种单相交流电机的数字控制器

技术领域

本发明涉及交流电机驱动控制领域技术，尤其是指一种单相交流电机的数字控制器。

背景技术

交流电机以其结构简单、低成本、性能优异且高可靠性和易维护等特点，被广泛应用在各个行业，如家用电器（洗衣机、电冰箱、电风扇）、电动工具（如手电钻）、医疗器械、自动化仪表等。

在现有技术中，常用的交流电机驱动控制器有变频控制方式和电压控制方式。变频控制方式是通过调整交变电流的频率改变电机的转速，变频调速容易通过改变内部逆变管的开关顺序实现电动机的正、反转，而且加、减速时间可以任意设定，故加、减速时间比较平缓，起动电流较小，可以进行较高频率的起停，变频调速还能制动，利用内部的制动回路，将机械负载的能量消耗在制动电阻上。但变频控制方式只适用于三相交流电机，不适用于对广泛应用的单相交流电机，而且需要的成本高，低速转轨能力弱。电压控制方式目前主要是通过模拟电路的方式控制可控硅的的通断来改变电机的转速。这种控制方式简单，但是无法自动改变正、反转，也无法实现急转急停功能，只能单纯的控制转速，且速度控制精度不高，功能相对单一，无法满足客户的各种需求，采取模拟控制方式还使得强、弱电无法隔离，容易受到干扰，元器件容易损坏。

发明内容

有鉴于此，本发明针对现有技术存在之缺失，其主要目的是：克服目前电压控制方式的技术缺陷，提供一种价格更加低廉，功能上有着变频方式的优点，调速上采用更为精确单相交流电机数字控制器，其次要目的是：强电与弱电之间进行隔离的更为稳定的单相交流电机数字控制器。

为实现上述目的，本发明采用如下之技术方案：

   一种单相交流电机的数字控制器，包括微处理机MCU、电源电路、信息显示电路、信息输入电路、速度反馈电路、过零检测电路、电机执行电路；

   所述的电源电路，一端连接交流电源，另一端连接微处理机MCU的电源入口，电源电路将交流电经过隔离变压器后，再经过整流后给微处理机MCU提供所需电源；

   所述的过零检测电路，一端连接交流电源，另一端连接微处理机MCU的第一外部中断口，给微处理机MCU提供标准的零点电压即过零信号；

   所述的信息输入电路，连接微处理机MCU的信息输入口，用于给微处理机MCU设置各种控制参数信号；

   所述的信息显示电路，连接微处理机MCU的信息输出口，用于显示单相交流电机转速或功能参数；

    所述的速度反馈电路，一端连接单相交流电机，另一端连接微处理机MCU的第二外部中断口，速度反馈电路将检测单相交流电机的速度交流信号转换成方波信号实时提供给微处理机MCU；

   所述的电机执行电路，一端连接单相交流电机，另一端连接微处理机MCU的第二输出口，电机执行电路接受来自微处理机MCU的脉冲信号控制单相交流电机的转动或制动，电机执行电路还连接交流电源；

   所述的微处理机MCU，在单相交流电机执行转动指令时，根据速度反馈电路得到的实时速度交流信号和设置的参考速度形成的闭环控制回路，结合过零检测电路得到的过零信号，输出一定占空比的脉冲信号控制电机执行电路，从而控制单相交流电机的转速；当单相电机执行制动指令时，微处理机MCU根据设定的制动等级，等面积分配工频电源半个周期的能量,结合过零检测电路得到的过零信号，输出一定占空比的脉冲信号控制电机执行电路，实现直流分量从而控制单相交流电机的制动。

作为本发明的一项改进，所述的电机执行电路包括制动控制单元、正转控制单元和反转控制单元，该制动控制单元、正转控制单元和反转控制单元均包括有光电耦合器、可控制硅驱动电路和可控硅，其中光电耦合器、可控制硅驱动电路和可控硅依次连接；该正转控制单元的光电耦合器接收来自连接微处理机MCU的第二输出口的正转信号，正转控制单元的可控硅还分别连接单相交流电机正绕组U2和交流电源的L端;该反转控制单元的光电耦合器接收来自连接微处理机MCU的第二输出口的反转信号，反转控制单元的可控硅还分别连接交流电机副绕组Z2和交流电源的L端；而制动控制单元的光电耦合器接收来自连接微处理机MCU的第二输出口的制动信号，制动控制单元的可控硅一端连接交流电源的L端，另一端分两路分别串接二级管后连接交流电机正绕组U2和交流电机副绕组Z2，且制动信号由制动控制单元的可控硅一端向交流电机正绕组U2和交流电机副绕组Z2方向顺向输出，从而实现直流制动的功能。

作为本发明的一项改进，所述的速度反馈电路包括依次连接的全桥整流器和放大电路，单相交流电机的交流速度信号经过全桥整流器后，再经过放大电路转换成方波速度信号，进入微处理机MCU的第二外部中断口。

作为本发明的一项改进，所述的过零信号检测电路包括依次连接的双向光电耦合器和放大电路，交流电源经过双向光电耦合器后，再经过放大电路转换成方波信号，进入微处理机MCU的第一外部中断口。

优选的，所述的信息显示电路包括依次连接的数码显示灯译码器和数码显示灯，微处理机MCU通过控制数码显示灯译码器驱动数码显示灯显示交流电机的功能参数或转动速度。

优选的，所述的信息输入电路包括正转、反转、停止、速度调节、菜单设置上键和菜单设置下键共6个按钮，还包括有配合所述的按钮共同向微处理机MCU输入控制参数信号的电子开关电路。

优选的，所述的电源电路包括有依次连接的隔离变压器和整流电路，交流电源经过隔离变压器后，再经过整流电路，提供微处理机MCU所需电源。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果，具体而言，由上述技术方案可知，其主要是通过采集单相交流电机的实时速度，与参考速度形成闭环控制回路，结合采集到的交流电源过零信号，输出一定占空比的脉冲信号来控制可控硅的通断，这样的闭环控制方式使得对单相交流电机的转速控制更为精确，稳定，并通过输出一定占空比的脉冲信号控制可控硅通断，实现直流分量给单相交流电机以实现制动；在信息输入电路里面有正转、反转、停止、速度调节、菜单设置（上下复合键）等共6个按钮，可以轻松控制单相交流电机的正转、反转、启动加速时间、停止方式（自由减速、减速停止、快速停止）、最高转速、最低转速等功能，而且通过速度调节按钮，可以实现单相交流电机在极限速度内的无极速度调节，满足不同的使用需求；信息显示电路可以显示各功能的参数信息及当前的实时速度。强电与弱电之间利用过零检测电路的双向光电耦合、电源电路的变压器进行隔离，执行电路的光电耦合器，使其互不干扰，保证回路更加稳定。

为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对本发明进行详细说明。

附图说明

图1是本发明之实施例的整体结构原理框图；

图2是本发明之实施例中电源电路的结构原理框图；

图3是本发明之实施例中信息显示电路的结构原理框图；

图4是本发明之实施例中过零检测电路的结构原理框图；

图5是交流电源工频信号与经过零检测电路处理后进入MCU信号的波形图；

图6是本发明之实施例中速度反馈电路的结构原理框图；

图7是单相交流电机的交流速度信号、全桥整流器整流后的波形图及入MCU信号的波形图；

图8是本发明之实施例中电机执行电路的结构原理框图；

图9是电源工频信号、转动时可控硅两端信号及制动时可控硅两端信号的波形图。

附图标识说明：

100、驱动控制器                  10、MCU（微控制器）

101、电源入口                   102  信号输出口       

103、 第一外部中断口            104、第二外部中断口

105、第二输出口                  106、信息输入口

20、电源电路                     21、隔离变压器

22、整流电路                     30、过零检测电路

31、双向光电耦合器               32、放大电路

40、信息显示电路                 41、数码显示灯译码器

42、数码显示灯                   50、信息输入电路

60、速度反馈电路                 61、全桥整流器

62、放大电路                     70、电机执行电路

71、制动控制单元、72、正转控制单元 73、反转控制单元

71-1、72-1、73-1、光电耦合器

71-2、72-2、73-2、可控制硅驱动电路     

71-3、72-3、73-3、可控硅          74、二级管

200、单相交流电机                U2、电机正绕组

Z2、电机副绕组。

具体实施方式

首先，本实施例以控制单相交流电机为例进行说明，请参照图1所示，其显示出了本发明之较佳实施例的具体结构，该单相交流电机200的数字控制器100包括有微处理机MCU（以下用简写为MCU 10）和提供电源的电源电路20、过零检测电路30、信息显示电路40、信息输入电路50、速度反馈电路60及电机执行电路70；电源电路20、过零检测电路30和电机执行电路70分别连接输入交流电源的L端；并且，该速度反馈电路60及电机执行电路70还分别接到单相交流电机200上。

具体而言，如图1、2所示，该电源电路20连接MCU10的电源入口101包括有依次连接的隔离变压器21和整流电路22，交流电源经过隔离变压器21后，再经过整流电路22，给MCU 10供电，本实施例中，由于MCU 10的正常工作电压是2.5～5.5Ｖ的直流电，因此，该隔离变压器21将输入电源降至5V，另外，由于输入电源为交流电，因此，该整流电路22起到将交流电变换成直流电，以满足MCU 10的用电要求。

如图1所示，信息输入电路5，连接MCU10的信息输入口106，信息输入电路50包括正转、反转、停止、速度调节、菜单设置上键和菜单设置下键共6个按钮（未视出），用于给MCU10设置各种控制参数信号，还包括有配合所述的按钮共同向MCU10输入控制参数信号的电子开关电路。

如图1、3所示，该信息显示电路40连接MCU的信号输出口102包括依次连接的数码显示灯译码器41和数码显示灯42，MCU 10通过控制数码显示灯译码器41驱动数码显示灯42，以显示控制功能参数信号或转动速度。本实施例中，数码显示灯42设置了四个，根据不同的信息要求将四个显示灯与单相交流电机的多种状态对应显示出来。该信息显示电路40还可以包括显示单相交流电机转动状态的LED灯或者出错报警闪烁的LED灯等等。

如图1、4所示，所述过零检测电路30的连接MCU10的第一外部中断口103目的是为了给MCU 10提供一个标准，这个标准的起点是零电压，下述可控硅73-1、73-2、73-3导通角的大小就是依据这个标准，也就是说交流电机高、中、低、微转速都对应一个导通角，而每个导通角的导通时间是从零电压开始计算的，导通时间不一样，导通角度的大小就不一样，因此电机的转速就不一样。本实施例中，过零检测电路30包括依次连接的双向光电耦合器31和放大电路32。结合图1来看，交流电源经过双向光电耦合器31后，再经过放大电路32转换成方波信号，进入MCU 10的第一外部中断口103。输入的波形与进入MCU 10的波形图如图5所绘。当方波信号下降沿产生时，记录此时的时间t1，紧接着当第二方波信号上升沿产生时，记录此时的时间t2，计算△t = t2–t1；当第三个方波信号下降沿再产生时，t3+△t/2即为此时刻的过零点。当然，过零检测电路30的实现有很多种，通过全桥整流器后，再经过单向光电耦合器，再经过放大电路亦可，或者经过变压器后通过运放电路亦可，不以此为限。

如图1、6所示，所述速度反馈电路60一端连接单相交流电机200，另一端连接MCU10的第二外部中断口104，速度反馈电路60包括依次连接的全桥整流器61和放大电路62，其工作原理是单相交流电机的交流速度信号经过全桥整流器61后，再经过放大电路62转换成方波信号，进入MCU 10的第二外部中断口104。输入的波形与进入MCU 10的波形图如图7所绘。计算两个相邻的方波上升沿之间的时间△T，为当前速度脉冲的半个周期。由于单相交流电机200旋转一周会发出12个正弦信号。所以根据△T我们可得当前单相交电机200的速度: (取△T的单位为100us.)  S （min/r）= (60*1000*10/12)/(2*△T) = 25000/△T。当然，速度反馈电路60有很多种，通过运放电路直接检测交流信号的过零点亦可，或者通过光电耦合器后在经过放大电路亦可，不以此为限。

如图1和图8所示，所述电机执行电路70一端连接单相交流电机200，另一端连接MCU10的第二输出口105包括制动控制单元71、正转控制单元72和反转控制单元73，制动控制单元71、正转控制单元72和反转控制单元73均包括有光电耦合器71-1、72-1、73-1、可控制硅驱动电路71-2、72-2、73-2和可控硅71-3、72-3、73-3、，光电耦合器71-1、72-1、73-1、可控制硅驱动电路71-2、72-2、73-2和可控硅71-3、72-3、73-3分别依次连接，该正转控制单元72的光电耦合器72－1接收来自MCU10的第二输出口105的正转信号，正转控制单元72的可控硅72-3分别连接单相交流电机正绕组U2和交流电源的L端;该该反转控制单元73的光电耦合器73－1接收来自MCU10的第二输出口105的反转信号，反转控制单元73的可控硅73-3两端分别连接单相交流电机副绕组Z2和交流电源的L端;而而制动控制单元71的光电耦合器71－1接收来自MCU10的第二输出口105的制动信号，制动控制单元71的可控硅71-3一端连接交流电源的L端，另一端分别串接二级管74后连接单相交流电机正绕组U2和副绕组Z2，、制动信号由制动控制单元71的可控硅71-3一端向单相交流电机正绕组U2和副绕组Z2方向顺向输出；这样，就只能向单相交流电机要么输入上半周期的部分能量，要么输入下半周期的部分能量，即直流分量给单相交流电机200，从而实行制动功能。

结合图1、图8和图9来看，当单相交流电机200执行转动指令（如正转、反转、启动加速、自由减速、减速停止等）时，MCU 10根据速度反馈电路60得到的信号计算所得的速度和客户设定的速度构成一个闭环控制回路，得到第一时间差△T1，MCU 10再根据过零检测电路30得到的信号计算所得的过零点开始，

当需要正转时，MCU 10经过△T1时刻发出一定占空比的脉冲（保证可控硅的开通时间长度）正转信号给光电耦合器72-1，再经过可控硅驱动电路72-2，控制可控硅72-3的开通，从而控制单相交流电机200的正转速。

当需要反转时，MCU 10经过△T1时刻发出一定占空比的脉冲（保证可控硅的开通时间长度）反转信号给光电耦合器73-3，再经过可控硅驱动电路73-2，控制可控硅73-3的开通，从而控制单相交流电机200的反转速。

如果客户设置了启动加速时间，那么MCU 10将根据设置让△T1从最大位置开始，每经过10ms周期不断减小，直到达到设定速度为止。

如果客户选择自由减速，那么MCU 10将不送任何脉冲信号给电机执行电路70，让单相交流电机200自己停止。

如果客户选择减速停止，那么MCU 10将根据客户设定的减速时间从当前的△T1时刻，每经过10ms周期不断的加大，直到最大位置，即单相交流电机200停止。

当单相交流电机200执行制动指令时，MCU 10根据设定的制动等级（客户可根据需要设置快速停止强度），根据能量守恒原则等面积分配△T2的值，△T2越大，直流分量越弱，制动能力越弱，△T2越小，直流分量越强，制动能力越强。MCU 10根据过零检测电路30得到的信号计算所得的过零点开始，经过△T2时刻发出转动信号给光电耦合器71-1，再经过可控硅驱动电路71-2，控制可控硅71-3的开通，从而控制单相交流电机200的制动；这是因为输入给单相交流电机200的电源波形，要么只是上半周期的部分能量，要么只是下半周期的部分能量，即直流分量给单相交流电机200，从而实行制动功能的控制原理。

综上所述，本发明的设计重点在于，其主要是通过采集单相交流电机的实时速度，与参考速度形成闭环控制回路，结合采集到的电源过零信号，输出一定占空比的脉冲信号来控制可控硅的通断，这样的闭环控制方式使得单相交流电机转速更为精确，稳定；在信息输入电路里面有正转、反转、停止、速度调节、菜单设置上键和菜单设置下键等共6个按钮，可以轻松控制单相交流电机的正转、反转、启动加速时间、停止方式（自由减速、减速停止、快速停止）、最高转速、最低转速等转动功能，而且通过速度调节按钮，可以实现单相交流电机在极限速度内的无极速度调节（任意的速度设定都可以），满足不同的使用需求；信息显示电路可以显示各功能的参数信息及当前的实时速度。强电与弱电之间过零检测电路的双向光电耦合、电源电路的变压器进行隔离，执行电路的光电耦合器，使其互不干扰，保证回路更加稳定。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (1)

1.一种单相交流电机的数字控制器，其特征在于：包括微处理机MCU、电源电路、信息显示电路、信息输入电路、速度反馈电路、过零检测电路和电机执行电路；

 所述的电源电路，一端连接交流电源，另一端连接微处理机MCU的电源入口，电源电路将交流电经过隔离变压器后，再经过整流后给微处理机MCU提供所需电源；

所述的过零检测电路，一端连接交流电源，另一端连接微处理机MCU的第一外部中断口，给微处理机MCU提供标准的零点电压即过零信号；

所述的信息输入电路，连接微处理机MCU的信息输入口，用于给微处理机MCU设置各种控制参数信号；

所述的信息显示电路，连接微处理机MCU的信息输出口，用于显示单相交流电机转速或功能参数；

所述的速度反馈电路，一端连接单相交流电机，另一端连接微处理机MCU的第二外部中断口，速度反馈电路将检测单相交流电机的速度交流信号转换成方波信号实时提供给微处理机MCU；

所述的电机执行电路，一端连接单相交流电机，另一端连接微处理机MCU的第二输出口，电机执行电路接受来自微处理机MCU的脉冲信号控制单相交流电机的转动或制动，电机执行电路还连接交流电源；

所述的微处理机MCU，在单相交流电机执行转动指令时，根据速度反馈电路得到的实时速度交流信号和设置的参考速度形成的闭环控制回路，结合过零检测电路得到的过零信号，输出一定占空比的脉冲信号控制电机执行电路，从而控制单相交流电机的转速；当单相电机执行制动指令时，微处理机MCU根据设定的制动等级，等面积分配工频电源半个周期的能量,结合过零检测电路得到的过零信号，输出一定占空比的脉冲信号控制电机执行电路，实现直流分量从而控制单相交流电机的制动，所述的电机执行电路包括制动控制单元、正转控制单元和反转控制单元，该制动控制单元、正转控制单元和反转控制单元均包括有光电耦合器、可控制硅驱动电路和可控硅，其中光电耦合器、可控制硅驱动电路和可控硅依次连接；该正转控制单元的光电耦合器接收来自连接微处理机MCU的第二输出口的正转信号，正转控制单元的可控硅还分别连接单相交流电机正绕组U2和交流电源的L端；该反转控制单元的光电耦合器接收来自连接微处理机MCU的第二输出口的反转信号，反转控制单元的可控硅还分别连接交流电机副绕组Z2和交流电源的L端；而制动控制单元的光电耦合器接收来自连接微处理机MCU的第二输出口的制动信号，制动控制单元的可控硅一端连接交流电源的L端，另一端分两路分别串接二级管后连接交流电机正绕组U2和交流电机副绕组Z2，且制动信号由制动控制单元的可控硅一端向交流电机正绕组U2和交流电机副绕组Z2方向顺向输出，从而实现直流制动的功能，所述的速度反馈电路包括依次连接的全桥整流器和放大电路，单相交流电机的交流速度信号经过全桥整流器后，再经过放大电路转换成方波速度信号，进入微处理机MCU的第二外部中断口，过零信号检测电路包括依次连接的双向光电耦合器和放大电路，交流电源经过双向光电耦合器后，再经过放大电路转换成方波信号，进入微处理机MCU的第一外部中断口，所述的信息显示电路包括依次连接的数码显示灯译码器和数码显示灯，微处理机MCU通过控制数码显示灯译码器驱动数码显示灯显示交流电机的功能参数或转动速度，所述的信息输入电路包括正转、反转、停止、速度调节、菜单设置上键和菜单设置下键共6个按钮，还包括有配合所述的按钮共同向微处理机MCU输入控制参数信号的电子开关电路，所述的电源电路包括有依次连接的隔离变压器和整流电路，交流电源经过隔离变压器后，再经过整流电路，提供微处理机MCU所需电源。