如何在車庫(kù)門應(yīng)用中使用單相交流感應(yīng)電機(jī)和8位單片機(jī)完成低成本設(shè)計(jì)和分析

對(duì)用于開啟車庫(kù)門等應(yīng)用的小型交流感應(yīng)電機(jī)而言，使用三相逆變器電路可以極低的成本實(shí)現(xiàn)速度控制和軟啟動(dòng)。這些固定分相電容式（PSC）電機(jī)在所有電機(jī)類型中可謂是最簡(jiǎn)單的，也是上述應(yīng)用領(lǐng)域使用最廣泛的電機(jī)類型。它們的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和啟動(dòng)電流都小，但可能會(huì)因?yàn)椴捎脽o(wú)極性電容而效率低下，這些電容往往在電機(jī)中最先損壞。

如果兩個(gè)繞組之間的相位差不足，這類單相電機(jī)就無(wú)法運(yùn)行，因此它們也常被稱為雙相電機(jī)。而在輸入信號(hào)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(xiàn)方向控制。電容值通常由電機(jī)制造商規(guī)定，對(duì)功率低于0.75 kW也就是我們正在討論的這種電機(jī)類型而言，電容值一般介于5至50 μF范圍內(nèi)。應(yīng)慎重選擇電容，以便修正功率因數(shù)來(lái)獲取最大的功率效率。圖1展示的是一個(gè)傳統(tǒng)交流感應(yīng)電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖 1：傳統(tǒng)交流感應(yīng)電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；電容提供所需相位差以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)


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(xiàn)故障，電機(jī)也會(huì)隨之停止轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，能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(dāng)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(yīng)權(quán)衡靜止?fàn)顟B(tài)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩性能和運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)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)滿足最低的啟動(dòng)性能要求，但這也導(dǎo)致了運(yùn)行效率低下。

對(duì)于兩個(gè)繞組不同的電機(jī)，就需要給兩個(gè)相位提供不同的電壓。這種不對(duì)稱是由于電容和電機(jī)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(dǎo)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(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而避免有些較弱的繞組出現(xiàn)過(guò)載現(xiàn)象。

圖2：配有三個(gè)半橋的單相逆變器；6個(gè)PWM信號(hào)被用于驅(qū)動(dòng)相連的鼠籠式PSC電機(jī)


若異步驅(qū)動(dòng)線圈，即使沒(méi)有電容電機(jī)也仍然可以旋轉(zhuǎn)。這可以通過(guò)在軟件中創(chuàng)建三個(gè)相位來(lái)實(shí)現(xiàn)。這些三相電壓可以互為基準(zhǔn)，由此分別在兩個(gè)電機(jī)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(zhǔn)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(xiàn)。

比較

我們可以進(jìn)行下面這些測(cè)試將PSC運(yùn)行方法和不帶運(yùn)行電容的逆變器方法做比較。它們是：轉(zhuǎn)矩測(cè)試，描述電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)的效果；加速和速度測(cè)試，確定哪種方法可以使電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)最快以及負(fù)載加速到底有多快；效率測(cè)試，比較輸出功率和輸入功率的實(shí)際分量并測(cè)量功率因數(shù)和其它導(dǎo)致低效的因素。

這三個(gè)測(cè)試涵蓋了電機(jī)控制領(lǐng)域最廣泛的設(shè)計(jì)考量。所有測(cè)試都無(wú)需使用有別于其他測(cè)試的特殊裝置。針對(duì)三個(gè)獨(dú)立測(cè)試所做的各個(gè)分析可以使用相同的數(shù)據(jù)子集。測(cè)試裝置如圖3所示。

圖3：測(cè)功機(jī)上的測(cè)試裝置


該測(cè)試使用0.19 kW、布線配置均衡的單相電機(jī)。兩個(gè)繞組具有相同的電阻和電感。一個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器被用于測(cè)量電機(jī)軸的轉(zhuǎn)速。輸入是單相兩線制220V/60Hz電源。輸出被饋送到逆變器上的兩個(gè)端子。

PC接口運(yùn)行Magtrol的M-Test 7軟件?？?a href="http://ttokpm.com/v/tag/1315/" target="_blank">編程控制器把軟件中的測(cè)試設(shè)置應(yīng)用到測(cè)功機(jī)上，并讀取所施加的轉(zhuǎn)矩。功率分析儀讀取和記錄所有其它讀數(shù)。

從轉(zhuǎn)矩測(cè)試開始，我們明顯發(fā)現(xiàn)，若滿足電機(jī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，則頻率在50至60 Hz之間時(shí)電機(jī)擁有約0.75 Nm的最高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。頻率高于和低于60 Hz時(shí)轉(zhuǎn)矩較低。然而，低頻率并不能產(chǎn)生恒定的轉(zhuǎn)矩曲線。頻率低于60 Hz就需要微調(diào)電壓頻率比，以避免造成電機(jī)損耗和電機(jī)驅(qū)動(dòng)的不準(zhǔn)確。在最大電壓下，應(yīng)保持頻率低于60 Hz。

低頻會(huì)導(dǎo)致電感阻抗減小。對(duì)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(zhuǎn)矩。此時(shí)需要進(jìn)行微調(diào)來(lái)確保轉(zhuǎn)矩曲線為線性。

兩種方法產(chǎn)生的曲線形狀大有不同。電容方法的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩更大一點(diǎn)，而且在60 Hz時(shí)比逆變器配電盤加速更快。逆變器配電盤產(chǎn)生的是類似于D類設(shè)計(jì)電機(jī)的曲線，而PSC運(yùn)行拓?fù)洚a(chǎn)生的是類似于A類的轉(zhuǎn)矩曲線。由固定電容引起的不等電壓幅度又造成了定子內(nèi)勵(lì)磁磁通的不等幅度。由于這種特殊電機(jī)各個(gè)繞組的阻抗相同，逆變器配電盤試圖在各個(gè)繞組創(chuàng)建等量的電流。因?yàn)轵?qū)動(dòng)拓?fù)浯嬖谶@些差異，轉(zhuǎn)矩曲線的形狀并不相似。

現(xiàn)在來(lái)看看當(dāng)轉(zhuǎn)子被鎖住時(shí)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，如果設(shè)置逆變器只在調(diào)制頻率為60 Hz時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)，那么逆變器就無(wú)法帶動(dòng)與PSC方法相同大小的負(fù)載。然而，逆變器配電盤可以使用變頻驅(qū)動(dòng)來(lái)帶動(dòng)更大的負(fù)載。設(shè)計(jì)人員必須還要權(quán)衡大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)人員可以控制電機(jī)軸的轉(zhuǎn)速。它旋轉(zhuǎn)的越快，負(fù)載就能越早被推挽至最終值。對(duì)于車庫(kù)門或門控系統(tǒng)應(yīng)用而言，這將是一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)中標(biāo)亮點(diǎn)。

逆變器配電盤

因此，逆變器配電盤使得電機(jī)的性能優(yōu)于采用PSC方法驅(qū)動(dòng)的相同電機(jī)。PSC方法只能以一個(gè)頻率驅(qū)動(dòng)電機(jī)，所以轉(zhuǎn)速無(wú)法超過(guò)其同步轉(zhuǎn)速。

逆變器配電盤可以被構(gòu)建成一個(gè)特定于應(yīng)用的平臺(tái)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）接口以便用戶操作和修改。逆變器被設(shè)計(jì)成可以驅(qū)動(dòng)單相或三相交流感應(yīng)電機(jī)。配電盤概觀如圖4所示，使用了Microchip的PIC16F1509單片機(jī)。

圖4：整個(gè)系統(tǒng)的頂層概觀


該配電盤在設(shè)計(jì)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(dá)到最優(yōu)化的目的。大部分I/O接口使用默認(rèn)代碼，但是仍然有足夠的空間允許開發(fā)人員進(jìn)行自定義修改。I2C線路也可以自由添加任意從設(shè)備。

部分I/O接口可以通過(guò)多路復(fù)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(shù)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(dú)立滿足各用戶接口的要求。

配電盤提供兩個(gè)開關(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，比如車庫(kù)門開啟觸發(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(qū)。由于光耦LED不具有線性I-V曲線，因此輸出是近似線性的。每個(gè)電位器會(huì)消耗30 mA范圍內(nèi)的大電流。

數(shù)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(cè)到一個(gè)IoC，都必須讀取ADC讀數(shù)來(lái)確定是哪一個(gè)輸入引起的中斷。

運(yùn)行
當(dāng)PIC16F1509單片機(jī)進(jìn)行引腳初始化并停止電機(jī)時(shí)，電機(jī)處于空閑狀態(tài)。當(dāng)啟動(dòng)按鈕被按下時(shí)，電機(jī)使用軟啟動(dòng)方法開始運(yùn)轉(zhuǎn)，以線性方式調(diào)節(jié)頻率和電壓，以便電機(jī)可以緩慢提升到運(yùn)行速度。當(dāng)軟啟動(dòng)操作完成時(shí)，電機(jī)便轉(zhuǎn)到了運(yùn)行狀態(tài)。

在主控制循環(huán)內(nèi)，電機(jī)速度和電流跳變點(diǎn)會(huì)被不斷查詢。一旦檢測(cè)到過(guò)流現(xiàn)象，電機(jī)就會(huì)被停止，而LED狀態(tài)燈會(huì)閃爍以提示出現(xiàn)故障。通常會(huì)使用剎車按鈕或軟停止來(lái)使電機(jī)停止運(yùn)行返回到空閑狀態(tài)。

結(jié)論
用于車庫(kù)門等應(yīng)用的交流感應(yīng)電機(jī)可選擇由逆變器配電盤代替?zhèn)鹘y(tǒng)電容來(lái)驅(qū)動(dòng)。這使我們只需要較低的成本就可以為電機(jī)添加速度控制和軟啟動(dòng)功能。該逆變器配電盤采用了Microchip的PIC16F1509 8位單片機(jī)。