TWI482418B

TWI482418B - A single - phase AC motor drive controller

Info

Publication number: TWI482418B
Application number: TW101121376A
Authority: TW
Inventors: Pen Jian Ren; Tian Shun Xiao
Original assignee: Jscc Automation Xiamen Ltd
Priority date: 2012-06-14
Filing date: 2012-06-14
Publication date: 2015-04-21
Also published as: TW201351871A

Description

一種單相交流電機的驅動控制器

本發明關於一種交流電機驅動控制領域之技術，尤其是指一種單相交流電機的驅動控制器。

交流電機以其結構簡單、低成本、性能優異且高可靠性和易維護等特點，被廣泛應用在各個行業，如家用電器(洗衣機、電冰箱、電風扇)、電動工具(如手電鑽)、醫療器械、自動化儀錶等。

在現有技術中，常用的交流電機驅動控制器有變頻控制方式和電壓控制方式。變頻控制方式是通過調整交變電流的頻率改變電機的轉速，變頻調速容易通過改變內部逆變管的開關順序實現電動機的正、反轉，而且加、減速時間可以任意設定，故加、減速時間比較平緩，起動電流較小，可以進行較高頻率的起停，變頻調速還能制動，利用內部的制動迴路，將機械負載的能量消耗在制動電阻上。但變頻控制方式只適用於三相交流電機，不適用於對廣泛應用的單相交流電機，而且需要的成本高，低速轉軌能力弱。電壓控制方式目前主要是通過類比電路的方式控制矽控整流器的通斷來改變電機的轉速。這種控制方式簡單，但是無法自動改變正、反轉，也無法實現急轉急停功能，只能單純的控制轉速，且速度控制精度不高，功能相對單一，無法滿足客戶的各種需求，採取類比控制方式還使得強、弱電無法隔離，容易受到干擾，元器件容易損壞。

有鑒於此，本發明針對現有技術存在之缺失，其主要目的是：克服目前電壓控制方式的技術缺陷，提供一種價格更加低廉，功能上有著變頻方式的優點，調速上採用更為精確單相交流電機驅動控制器，其次要目的是：強電與弱電之間進行隔離的更為穩定的單相交流電機驅動控制器。

為實現上述目的，本發明採用如下之技術方案：一種單相交流電機的驅動控制器，係包括：一微處理機[MCU]；一電源電路，該電源電路一端連接一交流電源，該電源電路另一端連接該微處理機[MCU]的一電源入口，該電源電路包括有依次連接的一隔離變壓器和一整流電路，該交流電源經過該隔離變壓器變壓後，再經過該整流電路整流後，以供給該微處理機[MCU]所需電源；一過零檢測電路，該過零檢測電路一端連接該交流電源，該過零檢測電路另一端連接該微處理機[MCU]的一第一外部中斷口，給該微處理機[MCU]提供標準的一零點電壓即過零信號；一信號輸入電路，該信號輸入電路連接該微處理機[MCU]的一資訊輸入口，係供該微處理機[MCU]設置各種控制參數信號；一信號顯示電路，該信號顯示電路連接該微處理機[MCU]的一資訊輸出口，係供該顯示一單相交流電機轉速或功能參數；一速度反饋電路，該速度反饋電路一端連接該單相交流電機，該速度反饋電路另一端連接該微處理機[MCU]的一第二外部中斷口，該速度反饋電路將檢測該單相交流電機的速度交流信號並轉換成一方波信號，以即時提供給該微處理機[MCU]；一電機執行電路，該電機執行電路一端連接單相交流電機，另一端連接微處理機[MCU]的第二輸出口，電機執行電路接受來自微處理機[MCU]的脈衝信號控制單相交流電機的轉動或制動，電機執行電路還連接交流電源；所述的微處理機[MCU]，在單相交流電機執行轉動指令時，根據速度反饋電路得到的即時速度交流信號和設置的參考速度形成的閉環控制迴路，結合過零檢測電路得到的過零信號，輸出一定占空比的脈衝信號控制電機執行電路，從而控制單相交流電機的轉速；當單相電機執行制動指令時，微處理機[MCU]根據設定的制動等級，等面積分配工頻電源半個週期的能量，結合過零檢測電路得到的過零信號，輸出一定占空比的脈衝信號控制電機執行電路，實現直流分量從而控制單相交流電機的制動。

進一步，所述的電機執行電路包括制動控制單元、正轉控制單元和反轉控制單元，該制動控制單元、正轉控制單元和反轉控制單元均包括有光電耦合器、矽控整流器驅動電路和矽控整流器，其中光電耦合器、矽控整流器驅動電路和矽控整流器依次連接；該正轉控制單元的光電耦合器接收來自連接微處理機[MCU]的第二輸出口的正轉信號，正轉控制單元的矽控整流器還分別連接單相交流電機正繞組和交流電源的L端；該反轉控制單元的光電耦合器接收來自連接微處理機[MCU]的第二輸出口的反轉信號，反轉控制單元的矽控整流器還分別連接交流電機副繞組和交流電源的L端；而制動控制單元的光電耦合器接收來自連接微處理機[MCU]的第二輸出口的制動信號，制動控制單元的矽控整流器一端連接交流電源的L端，另一端分兩路分別串接二極體後連接交流電機正繞組和交流電機副繞組，且制動信號由制動控制單元的矽控整流器一端向交流電機正繞組和交流電機副繞組方向順向輸出，從而實現直流制動的功能。

進一步，所述的速度反饋電路包括依次連接的橋式整流器和放大電路，單相交流電機的交流速度信號經過橋式整流器後，再經過放大電路轉換成方波速度信號，進入微處理機[MCU]的第二外部中斷口。

進一步，所述的過零信號檢測電路包括依次連接的雙向光電耦合器和放大電路，交流電源經過雙向光電耦合器後，再經過放大電路轉換成方波信號，進入微處理機[MCU]的第一外部中斷口。

進一步，所述的信號顯示電路包括依次連接的數碼顯示燈解碼器和數碼顯示燈，微處理機[MCU]通過控制數碼顯示燈解碼器驅動數碼顯示燈顯示交流電機的功能參數或轉動速度。

進一步，所述的信號輸入電路包括正轉、反轉、停止、速度調節、功能表設置上鍵和功能表設置下鍵共6個按鈕，還包括有配合所述的按鈕共同向微處理機[MCU]輸入控制參數信號的電子開關電路。

本發明與現有技術相比具有明顯的優點和有益效果，具體而言，由上述技術方案可知，其主要是通過採集單相交流電機的即時速度，與參考速度形成閉環控制迴路，結合採集到的交流電源過零信號，輸出一定占空比的脈衝信號來控制矽控整流器的通斷，這樣的閉環控制方式使得對單相交流電機的轉速控制更為精確，穩定，並通過輸出一定占空比的脈衝信號控制矽控整流器通斷，實現直流分量給單相交流電機以實現制動；在信號輸入電路裡面有正轉、反轉、停止、速度調節、功能表設置(上下複合鍵)等共6個按鈕，可以輕鬆控制單相交流電機的正轉、反轉、啟動加速時間、停止方式(自由減速、減速停止、快速停止)、最高轉速、最低轉速等功能，而且通過速度調節按鈕，可以實現單相交流電機在極限速度內的無極速度調節，滿足不同的使用需求；信號顯示電路可以顯示各功能的參數資訊及當前的即時速度。強電與弱電之間利用過零檢測電路的雙向光電耦合、電源電路的變壓器進行隔離，執行電路的光電耦合器，使其互不干擾，保證迴路更加穩定。

為更清楚地闡述本發明的結構特徵和功效，下面結合附圖與具體實施例來對本發明進行詳細說明。

(10)‧‧‧微處理機

(100)‧‧‧驅動控制器

(101)‧‧‧電源入口

(102)‧‧‧信號輸出口

(103)‧‧‧第一外部中斷口

(104)‧‧‧第二外部中斷口

(105)‧‧‧第二輸出口

(106)‧‧‧資訊輸入口

(20)‧‧‧電源電路

(21)‧‧‧隔離變壓器

(22)‧‧‧整流電路

(30)‧‧‧過零檢測電路

(31)‧‧‧雙向光電耦合器

(32)‧‧‧放大電路

(40)‧‧‧信號顯示電路

(41)‧‧‧數碼顯示燈解碼器

(42)‧‧‧數碼顯示燈

(50)‧‧‧信號輸入電路

(60)‧‧‧速度反饋電路

(61)‧‧‧橋式整流器

(62)‧‧‧放大電路

(70)‧‧‧電機執行電路

(71)‧‧‧制動控制單元

(711)‧‧‧光電耦合器

(712)‧‧‧矽控整流器驅動電路

(713)‧‧‧矽控整流器

(72)‧‧‧正轉控制單元

(721)‧‧‧光電耦合器

(722)‧‧‧矽控整流器驅動電路

(723)‧‧‧矽控整流器

(73)‧‧‧反轉控制單元

(731)‧‧‧光電耦合器

(732)‧‧‧矽控整流器驅動電路

(733)‧‧‧矽控整流器

(74)‧‧‧二極體

(200)‧‧‧單相交流電機

(U2)‧‧‧電機正繞組

(Z2)‧‧‧電機副繞組

第一圖是本發明之實施例的整體結構圖；第二圖是本發明之實施例中電源電路的結構原理圖；第三圖是本發明之實施例中信號顯示電路的結構原理圖；第四圖是本發明之實施例中過零檢測電路的結構原理圖；第五圖是交流電源信號與經過零檢測電路處理後進入微處理機[MCU]信號的波形圖；第六圖是本發明之實施例中速度反饋電路的結構原理圖；第七圖是單相交流電機的交流速度信號、橋式整流器整流後的波形圖及入微處理機[MCU]信號的波形圖；第八圖是本發明之實施例中電機執行電路的結構原理圖；第九圖是電源信號、轉動時矽控整流器兩端信號及制動時矽控整流器兩端信號的波形圖。

首先，本實施例以控制單相交流電機為例進行說明，請參照第一圖所示，其顯示出了本發明之較佳實施例的具體結構，該單相交流電機(200)的驅動控制器(100)包括有一微處理機(10)[MCU]和一提供電源的電源電路(20)、一過零檢測電路(30)、一信號顯示電路(40)、一信號輸入電路(50)、一速度反饋電路(60)及一電機執行電路(70)；該電源電路(20)、過零檢測電路(30)和電機執行電路(70)分別連接一輸入交流電源的L端；並且，該速度反饋電路(60)及電機執行電路(70)還分別接到單相交流電機(200)上。

具體而言，如第一圖及第二圖所示，該電源電路(20)連接微處理機(10)[MCU]的一電源入口(101)包括有一依次連接的隔離變壓器(21)和一整流電路(22)，交流電源經過該隔離變壓器(21)後，再經過該整流電路(22)，給微處理機(10)[MCU]供電，本實施例中，由於微處理機(10)[MCU]的正常工作電壓是2.5~5.5V的直流電，因此，該隔離變壓器(21)將輸入電源降至5V，另外，由於輸入電源為交流電，因此該整流電路(22)係將交流電變換成直流電，以滿足微處理機(10)[MCU]的用電要求。

如第一圖所示，信號輸入電路(5)連接微處理機(10)[MCU]的一資訊輸入口(106)，信號輸入電路(50)包括一正轉按鈕、一反轉按鈕、一停止按鈕、一速度調節按鈕、一功能表設置上鍵和一功能表設置下鍵共6個按鈕(圖未示出)，用於給微處理機(10)[MCU]設置各種控制參數信號，還包括有配合所述的按鈕共同向微處理機(10)[MCU]輸入控制參數信號的電子開關電路。

如第一圖及第三圖所示，該信號顯示電路(40)連接微處理機(10)[MCU]的一信號輸出口(102)包括依次連接的一數碼顯示燈解碼器(41)和一數碼顯示燈(42)，微處理機(10)[MCU]通過控制該數碼顯示燈解碼器(41)驅動該數碼顯示燈(42)，以顯示控制功能參數信號或轉動速度。本實施例中，該數碼顯示燈(42)設置了四個，根據不同的資訊要求將四個數碼顯示燈(42)與單相交流電機(200)的多種狀態對應顯示出來。該信號顯示電路(40)還可以包括顯示單相交流電機(200)轉動狀態的LED燈或者出錯報警閃爍的LED燈等。

如第一圖、第四圖及第五圖所示，所述過零檢測電路(30)的連接微處理機(10)[MCU]的一第一外部中斷口(103)目的是為了給微處理機(10)[MCU]提供一個標準，這個標準的起點是零電壓，下述矽控整流器(713)、(723)、(733)[並配合第八圖所示]導通角的大小就是依據這個標準，也就是說交流電機高、中、低、微轉速都對應一個導通角，而每個導通角的導通時間是從零電壓開始計算的，導通時間不一樣，導通角度的大小就不一樣，因此電機的轉速就不一樣。本實施例中，過零檢測電路(30)包括依次連接的一雙向光電耦合器(31)和一放大電路(32)。結合第一圖來看，交流電源經過雙向光電耦合器(31)後，再經過放大電路(32)轉換成方波信號，進入微處理機(10)[MCU]的第一外部中斷口(103)。而輸入的波形與進入微處理機(10)[MCU]的波形圖如第五圖所繪。當方波信號下降沿產生時，記錄此時的時間t1，緊接著當第二方波信號上升沿產生時，記錄此時的時間t2，計算△t=t2-t1；當第三個方波信號下降沿再產生時，t3+△t/2即為此時刻的過零點。當然，過零檢測電路(30)的實現有很多種，其中可通過橋式整流器後，再經過單向光電耦合器，最後再經過放大電路，或者經過變壓器後再通過放大電路亦可，不以此為限。

如第一圖及第六圖所示，所述速度反饋電路(60)一端連接單相交流電機(200)，另一端連接微處理機(10)[MCU]的第二外部中斷口(104)，速度反饋電路(60)包括依次連接的一橋式整流器(61)和一放大電路(62)，其工作原理是單相交流電機的交流速度信號經過橋式整流器(61)後，再經過放大電路(62)轉換成方波信號，進入微處理機(10)[MCU]的第二外部中斷口(104)。輸入的波形與進入微處理機(10)[MCU]的波形圖如第七圖所繪。計算兩個相鄰的方波上升沿之間的時間△T，為當前速度脈衝的半個週期。由於單相交流電機(200)旋轉一周會發出12個正弦信號。所以根據△T我們可得當前單相交流電機(200)的速度：(取△T的單位為100us.)S(min/r)=(60*1000*10/12)/(2*△T)=25000/△T。當然，速度反饋電路(60)有很多種，通過放大電路直接檢測交流信號的過零點亦可，或者通過光電耦合器後再經過放大電路亦可，不以此為限。

如第一圖和第八圖所示，所述電機執行電路(70)一端連接單相交流電機(200)，另一端連接微處理機(10)[MCU]的第二輸出口(105)，其中該電機執行電路(70)包括有一制動控制單元(71)、一正轉控制單元(72)和一反轉控制單元(73)，前述制動控制單元(71)、正轉控制單元(72)和反轉控制單元(73)均分別包括有光電耦合器(711)、(721)、(731)、矽控整流器驅動電路(712)、(722)、(732)和矽控整流器(713)、(723)、(733)，前述光電耦合器(711)、(721)、(731)、矽控整流器驅動電路(712)、(722)、(732)和矽控整流器(713)、(723)、(733)分別依次連接，該正轉控制單元(72)的光電耦合器(721)接收來自微處理機(10)[MCU]的第二輸出口(105)的正轉信號，而該正轉控制單元(72)的矽控整流器(723)分別連接該單相交流電機(200)之一正繞組(U2)和交流電源的L端；該反轉控制單元(73)的光電耦合器(731)接收來自微處理機(10)[MCU]的第二輸出口(105)的反轉信號，該反轉控制單元(73)的矽控整流器(733)兩端分別連接單相交流電機(200)之一副繞組(Z2)和交流電源的L端；而該制動控制單元(71)的光電耦合器(711)接收來自微處理機(10)[MCU]的第二輸出口(105)的制動信號，該制動控制單元(71)的矽控整流器(713)一端連接交流電源的L端，另一端分別串聯一個二極體(74)連接該單相交流電機(200)之正繞組(U2)和副繞組(Z2)，而制動信號係由該制動控制單元(71)的矽控整流器(713)一端向該單相交流電機(200)之正繞組(U2)和副繞組(Z2)方向順向輸出；這樣，就只能向單相交流電機(200)，亦即輸入上半週期的部分能量，或者輸入下半週期的部分能量，即直流分量給單相交流電機(200)，從而實行制動功能。

結合第一圖、第八圖和第九圖來看，當該單相交流電機(200)執行轉動指令(如正轉、反轉、啟動加速、自由減速、減速停止等)時，微處理機(10)[MCU]根據速度反饋電路(60)得到的信號計算所得的速度和客戶設定的速度構成一個閉環控制迴路，得到第一時間差△T1，微處理機(10)[MCU]再根據過零檢測電路(30)得到的信號計算所得的過零點開始。

當需要正轉時，微處理機(10)[MCU]經過△T1時，發出一定占空比的脈衝[保證矽控整流器(723)的開通時間長度]正轉信號給光電耦合器(721)，再經過矽控整流器驅動電路(722)，控制矽控整流器(723)的開通，從而控制單相交流電機(200)的正轉速。

當需要反轉時，微處理機(10)[MCU]經過△T1時，發出一定占空比的脈衝[保證矽控整流器(733)的開通時間長度]反轉信號給光電耦合器(733)，再經過矽控整流器驅動電路(732) ，控制矽控整流器(733)的開通，從而控制單相交流電機(200)的反轉速。

如果客戶設置了啟動加速時間，那麼微處理機(10)[MCU]將根據設置讓△T1從最大位置開始，每經過10ms週期不斷減小，直到達到設定速度為止。

如果客戶選擇自由減速，那麼微處理機(10)[MCU]將不送任何脈衝信號給電機執行電路(70)，讓單相交流電機(200)自己停止。

如果客戶選擇減速停止，那麼微處理機(10)[MCU]將根據客戶設定的減速時間從當前的△T1時刻，每經過10ms週期不斷的加大，直到最大位置，即單相交流電機(200)停止。

當單相交流電機(200)執行制動指令時，微處理機(10)[MCU]根據設定的制動等級(客戶可根據需要設置快速停止強度)，根據能量守恆原則等面積分配△T2的值，△T2越大，直流分量越弱，制動能力越弱，△T2越小，直流分量越強，制動能力越強。微處理機(10)[MCU]根據過零檢測電路(30)得到的信號計算所得的過零點開始，經過△T2時刻發出轉動信號給光電耦合器(711)，再經過矽控整流器驅動電路(712)，控制矽控整流器(713)的開通，從而控制單相交流電機(200)的制動；這是因為輸入給單相交流電機(200)的電源波形，不是上半週期的部分能量，就是下半週期的部分能量，即直流分量給單相交流電機(200)，從而實行制動功能的控制原理。

綜上所述，本發明的設計重點在於，其主要是通過採集單相交流電機(200)的即時速度，與參考速度形成閉環控制迴路，結合採集到的電源過零信號，輸出以占空比的脈衝信號來控制矽控整流器(713)、(723)、(733)[的通斷，這樣的閉環控制方式使得單相交流電機轉速更為精確、穩定；而在信號輸入電路裡面有正轉、反轉、停止、速度調節、功能表設置上鍵和功能表設置下鍵等共6個按鈕，可以輕鬆控制單相交流電機的正轉、反轉、啟動加速時間、停止方式(自由減速、減速停止、快速停止)、最高轉速、最低轉速等轉動功能，而且通過速度調節按鈕，可以實現單相交流電機在極限速度內的無極速度調節(任意的速度設定都可以)，以滿足不同的使用需求；信號顯示電路可以顯示各功能的參數資訊及當前的即時速度。強電與弱電之間過零檢測電路的雙向光電耦合、電源電路的變壓器進行隔離，執行電路的光電耦合器，使其互不干擾，保證迴路更加穩定。

以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，並非對本發明的技術範圍作任何限制，故凡是依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何細微修改、等同變化與修飾，均仍屬於本發明技術方案的範圍內。