Microchip专家技术文章:如何在车库门应用中使用单相交流感应电机和8位单片机完成低成本设计和分析

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MCU8产品部
Justin Bauer
对用于开启车库门等应用的小型交流感应电机而言,使用三相逆变器电路可以极低的成本实现速度控制和软启动。这些固定分相电容式(PSC)电机在所有电机类型中可谓是最简单的,也是上述应用领域使用最广泛的电机类型。它们的启动转矩和启动电流都小,但可能会因为采用无极性电容而效率低下,这些电容往往在电机中最先损坏。
 
如果两个绕组之间的相位差不足,这类单相电机就无法运行,因此它们也常被称为双相电机。而在输入信号和绕组之间放置一个电容便可以产生接近90˚的相位差。
 
开关通常使用继电器来代替,通过交换两个相位(超前变为滞后,滞后变为超前)来实现方向控制。电容值通常由电机制造商规定,对功率低于0.75 kW也就是我们正在讨论的这种电机类型而言,电容值一般介于5至50 μF范围内。应慎重选择电容,以便修正功率因数来获取最大的功率效率。图1展示的是一个传统交流感应电机的拓扑结构。
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图 1:传统交流感应电机的拓扑结构;电容提供所需相位差以产生旋转磁场
 
 
在实际情况下,电容也是具有电阻的,当RMS交流纹波电流流过时,由于电容的等效串联电阻,会产生热量。在选择固定电容时,我们应权衡静止状态的启动转矩性能和运行时的转矩波动抑制性能。由于电容的额定伏安值较高,它通常会被选择来满足最低的启动性能要求,但这也导致了运行效率低下。
 
对于两个绕组不同的电机,就需要给两个相位提供不同的电压。这种不对称是由于电容和电机的电感形成了谐振电路。这样就造成了其中一个绕组电压升高,导致了电流不平均。
 
然而,三相逆变器可以被用来代替固定电容,如图2所示。这使得我们可以通过给各个绕组施加适量的电压来调整电机的转速,从而避免有些较弱的绕组出现过载现象。
 
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图2:配有三个半桥的单相逆变器;6个PWM信号被用于驱动相连的鼠笼式PSC电机
 
若异步驱动线圈,即使没有电容电机也仍然可以旋转。这可以通过在软件中创建三个相位来实现。这些三相电压可以互为基准,由此分别在两个电机绕组上产生两个波形。只需取其中一个的相位作为基准或中性相位,即可创建两个波形。这三个相位的创建可以借助PWM技术在软件中轻松实现。
 
比较
 
我们可以进行下面这些测试将PSC运行方法和不带运行电容的逆变器方法做比较。它们是:转矩测试,描述电机变频驱动的效果;加速和速度测试,确定哪种方法可以使电机轴转动最快以及负载加速到底有多快;效率测试,比较输出功率和输入功率的实际分量并测量功率因数和其它导致低效的因素。
 
这三个测试涵盖了电机控制领域最广泛的设计考量。所有测试都无需使用有别于其他测试的特殊装置。针对三个独立测试所做的各个分析可以使用相同的数据子集。测试装置如图3所示。
 
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图3:测功机上的测试装置
 
该测试使用0.19 kW、布线配置均衡的单相电机。两个绕组具有相同的电阻和电感。一个霍尔效应传感器被用于测量电机轴的转速。输入是单相两线制220V/60Hz电源。输出被馈送到逆变器上的两个端子。
 
PC接口运行Magtrol的M-Test 7软件。可编程控制器把软件中的测试设置应用到测功机上,并读取所施加的转矩。功率分析仪读取和记录所有其它读数。
 
从转矩测试开始,我们明显发现,若满足电机设计标准,则频率在50至60 Hz之间时电机拥有约0.75 Nm的最高启动转矩。频率高于和低于60 Hz时转矩较低。然而,低频率并不能产生恒定的转矩曲线。频率低于60 Hz就需要微调电压频率比,以避免造成电机损耗和电机驱动的不准确。在最大电压下,应保持频率低于60 Hz。
 
低频会导致电感阻抗减小。对这一降低的阻抗施加高电压,则会提高定子电流,从而产生更高的转矩。此时需要进行微调来确保转矩曲线为线性。
 
两种方法产生的曲线形状大有不同。电容方法的启动转矩更大一点,而且在60 Hz时比逆变器配电盘加速更快。逆变器配电盘产生的是类似于D类设计电机的曲线,而PSC运行拓扑产生的是类似于A类的转矩曲线。由固定电容引起的不等电压幅度又造成了定子内励磁磁通的不等幅度。由于这种特殊电机各个绕组的阻抗相同,逆变器配电盘试图在各个绕组创建等量的电流。因为驱动拓扑存在这些差异,转矩曲线的形状并不相似。
 
现在来看看当转子被锁住时的启动转矩,如果设置逆变器只在调制频率为60 Hz时转动电机,那么逆变器就无法带动与PSC方法相同大小的负载。然而,逆变器配电盘可以使用变频驱动来带动更大的负载。设计人员必须还要权衡大的启动转矩与效率和速度之间的关系。
 
控制电压和频率最明显的好处就是设计人员可以控制电机轴的转速。它旋转的越快,负载就能越早被推挽至最终值。对于车库门或门控系统应用而言,这将是一个关键的设计中标亮点。
 
逆变器配电盘
 
因此,逆变器配电盘使得电机的性能优于采用PSC方法驱动的相同电机。PSC方法只能以一个频率驱动电机,所以转速无法超过其同步转速。
 
逆变器配电盘可以被构建成一个特定于应用的平台而非一个通用演示板。然而,它提供了很多输入和输出(I/O)接口以便用户操作和修改。逆变器被设计成可以驱动单相或三相交流感应电机。配电盘概观如图4所示,使用了Microchip的PIC16F1509单片机。
 
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图4:整个系统的顶层概观
 
该配电盘在设计时考虑到了灵活性,因此可以选择使用或不使用其中的某些特性来达到最优化的目的。大部分I/O接口使用默认代码,但是仍然有足够的空间允许开发人员进行自定义修改。I2C线路也可以自由添加任意从设备。
 
部分I/O接口可以通过多路复用方式共用一个引脚,以此来增加可以使用的I/O接口数量。通过两个四通道光电耦合器和一个单通道光电耦合器,可独立满足各用户接口的要求。
 
配电盘提供两个开关按钮和两个电位器。同时,另有连接插头用于连接外部I/O,比如车库门开启触发传感器。这两个电位器光电耦合电路中的晶体管工作在其放大区。由于光耦LED不具有线性I-V曲线,因此输出是近似线性的。每个电位器会消耗30 mA范围内的大电流。
 
数字按钮和辅助输入均已配置为电平变化中断输入(IoC)。这使得CPU无需不停检查引脚的电压电平。无论何时检测到一个IoC,都必须读取ADC读数来确定是哪一个输入引起的中断。
 
运行
 
当PIC16F1509单片机进行引脚初始化并停止电机时,电机处于空闲状态。当启动按钮被按下时,电机使用软启动方法开始运转,以线性方式调节频率和电压,以便电机可以缓慢提升到运行速度。当软启动操作完成时,电机便转到了运行状态。
 
在主控制循环内,电机速度和电流跳变点会被不断查询。一旦检测到过流现象,电机就会被停止,而LED状态灯会闪烁以提示出现故障。通常会使用刹车按钮或软停止来使电机停止运行返回到空闲状态。
 
结论
 
用于车库门等应用的交流感应电机可选择由逆变器配电盘代替传统电容来驱动。这使我们只需要较低的成本就可以为电机添加速度控制和软启动功能。该逆变器配电盘采用了Microchip的PIC16F1509 8位单片机。

 

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