CN1487664A - 低谐波交流电机控制器和控制方法 - Google Patents

Abstract

一种低谐波交流电机控制器和控制方法，该控制器包括单片微处理机MCU、过零检测电路、控制输入电路、可控硅驱动电路、双向可控硅及电源电路。采用过零触发的方法通过改变在设定的周期内周波的导通数，再结合移向触发，来控制双向可控硅的导通，使可控硅输出连续可调的电压。包含以下步骤：初始化后读取设定输出功率；根据输出功率设定值进行输出功率控制运算；当过零检测电路检测到交流过零信号后，MCU产生中断，输出触发脉冲。该控制器和控制方法充分利用过零触发及移相控制优点，大大减小谐波和电磁波辐射，控制大功率交流电机(如2000W)输出基本连续可调的功率。

Description

低谐波交流电机控制器和控制方法

技术领域

本发明涉及一种交流电机控制装置和方法，特别是涉及一种用于电动工具中的低谐波交流电机功率控制器和控制方法。

背景技术

目前常用的电机输出功率控制电路如图6所示，改变双向可控硅T1的导通角θ，便可以对电机的交流电压进行调节。在电源L端为正的半周内，在控制角α的时刻触发双向可控硅T1正向导通，电源电压过零时双向可控硅T1自行关断；同理在下半周时电源L端为负，从电压过零开始，延迟同样的控制角α触发双向可控硅T1反向导通，于是在电机M上得到与上半周对称的缺角正弦波，电源电压过零时双向可控硅T1自行关断。这样在一个周期内，双向可控硅T1在正、负半周各被触发导通一次，在电机上得到如图7所示的交流电压。调节电位器RP1的大小改变电容C2的充放电时间，就可获得不同的控制角α，从而调节输出交流电压的大小。当α由0°变至180°时，输出电压值便由交流电源电压Uo下降至零。加在电机上的交流电压Uo与控制角α的关系如式(1)：

(n＝0，1，2………)

其有效电压值为：

$U=U2\×\sqrt{1\÷2\mathrm{\π}\×\sin 2\mathrm{\α}+(\mathrm{\π}-\mathrm{\α})\÷\mathrm{\π}}---\left(2\right)$

采用这种移相控制方法实现的电机功率控制，由于输出的交流电压在正、负半周完全对称，用傅立叶级数对其展开，谐波成份主要表现为奇次波，在电机功率小于一定功率时，谐波值能达到EMC标准要求。但当电机功率大于一定功率后，通过测试发现控制角α较小时，谐波值还能达到EMC标准要求，α增大时谐波值明显加大，当α达到90°时谐波值最大，严重超出EMC标准要求。

针对上述情况有人提出了一种对相邻二个正弦波的导通角进行互补控制，避开产生高值谐波导通角的算法。这种控制算法的主要原理是，对加在交流电机两端的交流电压以720°为一个控制周期，对前两个180°半周和后两个180°半周分别采用不同的控制角，这样得到的交流电压波形如图8所示，加在电机上的交流电压Uo与控制角α、α1的关系如式(3)：

(n＝0，1，2………)

                    ……………(3)

用傅立叶级数对上式展开，其谐波既有奇次波又有偶次波，只不过隔值不同而已。如能控制好α与α1之间的关系，就能有效地降低谐波电流强度使其符合EMC标准要求，并使电机的输出功率基本连续可调。该控制方法的优点是不用改动电机结构，只要增加少许成本，就可有效地降低谐波电流值。但是它所采用的还是移相控制的方法，当功率大到一定程度时还有可能产生高频电磁波幅射给无线电或其他设备带来干扰。这种交流电机的控制方法在欧洲已有一家德国公司申请了专利，其专利号为EP0859452A1。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足提供一种可大大减少谐波和电磁辐射的交流电机功率控制的方法和装置，可以在规定的谐波限定值内，对大功率电机(如最高2000W)稳定地控制电机功率输出。

可通过以下技术方案达到：一种低谐波交流电机控制器，包括单片微处理机MCU、过零检测电路、控制输入电路、可控硅驱动电路、双向可控硅及电源电路，其中，过零检测电路、控制输入电路、分别与MCU的各输入口相联，在MCU的一输出口依次串联可控硅驱动电路、双向可控硅；可控硅驱动电路包括：电阻1R8、1R9、1R10和三极管1V5，其中电阻1R8的一端接MCU的一输出口，另一端接三极管1V5的基极，三极管1V5的发射极接地，集电极经电阻1R10接双向可控硅1V4的控制极，电阻1R9的一端接220V电源，另一端接双向可控硅1V4的控制极；过零检测电路包括：二极管1V1、1V2和电阻1R3，其中二极管1V1的阳极、二极管1V2的阴极、电阻1R3的一端相联后接单片微处理机MCU的一输入口，二极管1V1的阴极接+5V电压，二极管1V2的阳极接直流地，电阻1R3的另一端接交流地。

一种低谐波交流电机控制方法，用过零触发的方法通过改变在设定的周期内周波的导通数来控制双向可控硅输出的平均电压，可取四到六个周波时间为设定的周期，双向可控硅输出的有效电压值为：

$\mathrm{Ud}=\sqrt{(n\÷(f\×T))}\×U,$

再结合移相控制，控制双向可控硅的导通，其输出的有效电压值各为：

$\mathrm{Ud}=\sqrt{n\÷(f\×T)}\×U\×\sqrt{1\÷2\mathrm{\π}\×\sin 2\mathrm{\α}+(\mathrm{\π}-\mathrm{\α})\÷\mathrm{\π}}$

其中：Ud…………………输出的有效电压；

      n……………………设定周期内的周波数；

      f……………………电源频率；

      T……………………设定的周期；

      U……………………电源的有效电压值。

所述低谐波交流电机控制方法包含以下步骤：单片微处理机MCU初始化后读取设定输出功率；根据输出功率设定值进行输出功率控制运算；当过零检测电路检测到交流过零信号后，单片微处理机MCU产生中断，输出触发脉冲。其中输出功率控制运算步骤，还包含以下步骤：根据输出功率设定值进行输出功率判别；当输出功率小于原功率的50％时导通二个周波，并计算控制角后存贮控制数据；当输出功率等于原功率的50％时导通二个周波，并存贮控制数据；当输出功率大于原功率的50％，小于75％时导通三个周波，并计算控制角后存贮控制数据；当输出功率等于原功率的75％时导通三个周波，并存贮控制数据；当输出功率大于原功率的75％时导通四个周波，并计算控制角后存贮控制数据。

本发明所述的低谐波交流电机控制器和控制方法，用过零触发的方法通过改变在设定的周期内周波的导通数，再结合移向触发，来控制双向可控硅的导通，使可控硅输出连续可调的电压。该控制器和控制方法充分利用过零触发谐波干扰小，不会产生高频电磁波幅射的优点，及移相控制电压连续可调的长处，扬长避短，达到低谐波交流电机功率控制的目的。大大减小谐波和电磁波辐射，并在满足EMC标准要求的谐波限定值内，控制大功率交流电机(如2000W)输出基本连续可调的功率。

附图说明

图1是本发明的电原理方框图；

图2是本发明的电原理图；

图3是本发明的主程序流程图

图4是本发明的输出功率控制运算流程图

图5是本发明的可控硅输出波形图；

图6是现有技术的电机输出功率控制电路图；

图7是现有技术的电机输出功率控制电路的可控硅输出波形图。

图8是现有技术的低谐波可控硅输出波形图。

具体实施方式

参照附图，将详细叙述本发明的具体实施方案。

图1给出了本发明的电原理框图，所述低谐波交流电机控制器由交流电源供电，经电源电路输出+5V的直流电，为控制器提供直流工作电压，过零检测电路、控制输入电路分别与单片微处理机MCU相应的输入口相联，可控硅驱动电路、双向可控硅依次与MCU的一输出口相串联。其中过零检测电路将交流正弦波转换成方波信号输入到MCU外中断口，当交流电压过零时，使MCU产生中断；控制输入电路将接收到的电机输出功率设定值传送给MCU，控制输入电路可接收三种输入信号，分别是：按键信号、红外遥控信号和电位器设定信号；MCU中断后，按电机输出功率设定值的要求，通过运算由输出口输出相应的控制触发脉冲，经可控硅驱动电路，控制双向可控硅通、断，以达到控制电机输出功率的目的。

如图2所示，过零检测电路由二极管1V1、1V2和电阻1R3组成，二极管1V1的阳极、二极管1V2的阴极、电阻1R3的一端相联后接单片微处理机MCU的7脚，二极管(1V1)的阴极接+5V电压，二极管(1V2)的阳极接直流地，电阻(1R3)的另一端接交流地。开关1S1、1S2分别接MCU的15、14脚，红外接收头N1的输出脚接MCU的6脚，构成控制输入电路。MCU的11脚接由电阻1R8、1R9、1R10和三极管1V5构成的可控硅驱动电路，其中电阻1R8的一端接MCU的11脚，另一端接三极管1V5的基极，三极管1V5的发射极接地，集电极经电阻1R10接双向可控硅1V4的控制极，电阻1R9的一端接220V电源，另一端接双向可控硅1V4的控制极。电阻1R11、1R12，电容1C6、1C7、1C8、1C9，二极管1V6、1V7和1V8组成电源电路；1D1为单片微处理机MCU，其它电路为MCU的外围电路。

图3是本发明的主程序流程图，单片微处理机MCU初始化后读取设定输出功率，再根据输出功率设定值进行输出功率控制运算，当过零检测电路检测到交流过零信号后，单片微处理机MCU产生中断，输出触发脉冲。

图4是本发明的输出功率控制运算流程图，程序开始后根据输出功率设定值进行输出功率判别；当输出功率小于原功率的50％时导通二个周波，并计算控制角后存贮控制数据；当输出功率等于原功率的50％时导通二个周波，并存贮控制数据；当输出功率大于原功率的50％，小于75％时导通三个周波，并计算控制角后存贮控制数据；当输出功率等于原功率的75％时导通三个周波，并存贮控制数据；当输出功率大于原功率的75％时导通四个周波，并计算控制角后存贮控制数据。

图5是本发明的可控硅输出波形图。本发明是用过零触发的方法，通过改变在设定的周期内周波的导通数来改变双向可控硅输出的平均电压。在设定的周期内导通的周波数愈多，则输出的平均电压愈高，反之则愈小。用这种方法控制双向可控硅输出的有效电压值如式(4)：

$\mathrm{Ud}=\sqrt{(n\÷(f\×T))}\×U---\left(4\right)$

               Ud…………………输出的有效电压；

               n……………………设定周期内的周波数；

               f……………………电源频率；

               T……………………设定的周期；

               U……………………电源的有效电压值；

从式(1)分析可知设定的周期愈长则调节愈细，但设定的周期过长会引起调节灵敏度降低，因此一般取四到六个周波时间为设定的周期，然而这样调节输出的电压值是不连续的，因此用过零触发控制虽然能有效地解决谐波干扰，但要达到输出功率基本连续可调还很困难。从前面的分析我们可以发现，在移相控制中当控制角α较小时，谐波值还是能达到EMC标准要求，因此我们将过零触发控制和移相控制两者结合起来，充分利用过零触发谐波干扰小，不会产生高频电磁波幅射的优点与移相控制电压连续可调的长处，扬长避短，达到低谐波交流电机功率控制的目的。根据此原理得到的输出电压波形如图5所示，其输出的有效电压值分别对应如下：

$\mathrm{Ud}=\sqrt{2\÷(f\×T)}\×U\×\sqrt{1\÷2\mathrm{\π}\×\sin 2\mathrm{\α}+(\mathrm{\π}-\mathrm{\α})\÷\mathrm{\π}}---5-a$

$\mathrm{Ud}=\sqrt{2\÷(f\×T)}\×U---5-b$

$\mathrm{Ud}=\sqrt{3\÷(f\×T)}\×U\×\sqrt{1\÷2\mathrm{\π}\×\sin 2\mathrm{\α}+(\mathrm{\π}-\mathrm{\α})\÷\mathrm{\π}}---5-c$

$\mathrm{Ud}=\sqrt{3\÷(f\×T)}\×U---5-d$

$\mathrm{Ud}=U\×\sqrt{1\÷2\mathrm{\π}\×\sin 2\mathrm{\α}+(\mathrm{\π}-\mathrm{\α})\÷\mathrm{\π}}---5-e$

Ud＝U……………………………………………………………………5-f

Claims (6)

1.一种低谐波交流电机控制器，包括单片微处理机MCU(1D1)、过零检测电路、控制输入电路、可控硅驱动电路、双向可控硅及电源电路，其中，过零检测电路、控制输入电路、分别与MCU的各输入口相联，在MCU的一输出口依次串联可控硅驱动电路、双向可控硅，其特征在于所述可控硅驱动电路包括：电阻(1R8、1R9、1R10)和三极管(1V5)，其中电阻(1R8)的一端接MCU的一输出口，另一端接三极管(1V5)的基极，三极管(1V5)的发射极接地，集电极经电阻(1R10)接双向可控硅(1V4)的控制极，电阻(1R9)的一端接(220V)电源，另一端接双向可控硅(1V4)的控制极。

2.如权利要求1所述的一种低谐波交流电机控制器，其特征在于所述过零检测电路包括：二极管(1V1、1V2)和电阻(1R3)，其中二极管(1V1)的阳极、二极管(1V2)的阴极、电阻(1R3)的一端相联后接单片微处理机MCU的一输入口，二极管(1V1)的阴极接+5V电压，二极管(1V2)的阳极接直流地，电阻(1R3)的另一端接交流地。

3.一种低谐波交流电机控制方法，包括过零触发和移相控制，其特征在于用过零触发的方法通过改变在设定的周期内周波的导通数来控制双向可控硅输出的平均电压，双向可控硅输出的有效电压值为： $\mathrm{Ud}=\sqrt{(n\÷(f\×T))}\×U,$ 再结合移相控制，控制双向可控硅的导通，其输出的有效电压值各为： $\mathrm{Ud}=\sqrt{n\÷(f\×T)}\×U\×\sqrt{1\÷2\mathrm{\π}\×\sin 2\mathrm{\α}+(\mathrm{\π}-\mathrm{\α})\÷\mathrm{\π}}$

其中：Ud…………………输出的有效电压；

      n……………………设定周期内的周波数；

      f……………………电源频率；

      T……………………设定的周期；

      U……………………电源的有效电压值。

4.如权利要求3所述的一种低谐波交流电机控制方法，其特征在于可取四到六个周波时间为设定的周期。

5.如权利要求3所述的一种低谐波交流电机控制方法，其特征在于包含以下步骤：单片微处理机MCU初始化后读取设定输出功率；根据输出功率设定值进行输出功率控制运算；当过零检测电路检测到交流过零信号后，单片微处理机MCU产生中断，输出触发脉冲。

6.如权利要求5所述的一种低谐波交流电机控制方法，其特征在于所述输出功率控制运算步骤包含以下步骤：根据输出功率设定值进行输出功率判别；当输出功率小于原功率的50％时导通二个周波，并计算控制角后存贮控制数据；当输出功率等于原功率的50％时导通二个周波，并存贮控制数据；当输出功率大于原功率的50％，小于75％时导通三个周波，并计算控制角后存贮控制数据；当输出功率等于原功率的75％时导通三个周波，并存贮控制数据；当输出功率大于原功率的75％时导通四个周波，并计算控制角后存贮控制数据。

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