如何在車庫門應用中使用單相交流感應電機和8位單片機完成低成本設計和分析

對用于開啟車庫門等應用的小型交流感應電機而言，使用三相逆變器電路可以極低的成本實現(xiàn)速度控制和軟啟動。這些固定分相電容式（PSC）電機在所有電機類型中可謂是最簡單的，也是上述應用領域使用最廣泛的電機類型。它們的啟動轉矩和啟動電流都小，但可能會因為采用無極性電容而效率低下，這些電容往往在電機中最先損壞。

如果兩個繞組之間的相位差不足，這類單相電機就無法運行，因此它們也常被稱為雙相電機。而在輸入信號和繞組之間放置一個電容便可以產生接近90?的相位差。

開關通常使用繼電器來代替，通過交換兩個相位（超前變?yōu)闇螅瑴笞優(yōu)槌埃﹣韺崿F(xiàn)方向控制。電容值通常由電機制造商規(guī)定，對功率低于0.75 kW也就是我們正在討論的這種電機類型而言，電容值一般介于5至50 μF范圍內。應慎重選擇電容，以便修正功率因數(shù)來獲取最大的功率效率。圖1展示的是一個傳統(tǒng)交流感應電機的拓撲結構。

圖 1：傳統(tǒng)交流感應電機的拓撲結構；電容提供所需相位差以產生旋轉磁場


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，電機也會隨之停止轉動。因此，能否選擇正確的電容也是至關重要的。

在實際情況下，電容也是具有電阻的，當RMS交流紋波電流流過時，由于電容的等效串聯(lián)電阻，會產生熱量。在選擇固定電容時，我們應權衡靜止狀態(tài)的啟動轉矩性能和運行時的轉矩波動抑制性能。由于電容的額定伏安值較高，它通常會被選擇來滿足最低的啟動性能要求，但這也導致了運行效率低下。

對于兩個繞組不同的電機，就需要給兩個相位提供不同的電壓。這種不對稱是由于電容和電機的電感形成了諧振電路。這樣就造成了其中一個繞組電壓升高，導致了電流不平均。

然而，三相逆變器可以被用來代替固定電容，如圖2所示。這使得我們可以通過給各個繞組施加適量的電壓來調整電機的轉速，從而避免有些較弱的繞組出現(xiàn)過載現(xiàn)象。

圖2：配有三個半橋的單相逆變器；6個PWM信號被用于驅動相連的鼠籠式PSC電機


若異步驅動線圈，即使沒有電容電機也仍然可以旋轉。這可以通過在軟件中創(chuàng)建三個相位來實現(xiàn)。這些三相電壓可以互為基準，由此分別在兩個電機繞組上產生兩個波形。只需取其中一個的相位作為基準或中性相位，即可創(chuàng)建兩個波形。這三個相位的創(chuàng)建可以借助PWM技術在軟件中輕松實現(xiàn)。

比較

我們可以進行下面這些測試將PSC運行方法和不帶運行電容的逆變器方法做比較。它們是：轉矩測試，描述電機變頻驅動的效果；加速和速度測試，確定哪種方法可以使電機軸轉動最快以及負載加速到底有多快；效率測試，比較輸出功率和輸入功率的實際分量并測量功率因數(shù)和其它導致低效的因素。

這三個測試涵蓋了電機控制領域最廣泛的設計考量。所有測試都無需使用有別于其他測試的特殊裝置。針對三個獨立測試所做的各個分析可以使用相同的數(shù)據(jù)子集。測試裝置如圖3所示。

圖3：測功機上的測試裝置


該測試使用0.19 kW、布線配置均衡的單相電機。兩個繞組具有相同的電阻和電感。一個霍爾效應傳感器被用于測量電機軸的轉速。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端子。

PC接口運行Magtrol的M-Test 7軟件?？?a href="http://www.wenjunhu.com/v/tag/1315/" target="_blank">編程控制器把軟件中的測試設置應用到測功機上，并讀取所施加的轉矩。功率分析儀讀取和記錄所有其它讀數(shù)。

從轉矩測試開始，我們明顯發(fā)現(xiàn)，若滿足電機設計標準，則頻率在50至60 Hz之間時電機擁有約0.75 Nm的最高啟動轉矩。頻率高于和低于60 Hz時轉矩較低。然而，低頻率并不能產生恒定的轉矩曲線。頻率低于60 Hz就需要微調電壓頻率比，以避免造成電機損耗和電機驅動的不準確。在最大電壓下，應保持頻率低于60 Hz。

低頻會導致電感阻抗減小。對這一降低的阻抗施加高電壓，則會提高定子電流，從而產生更高的轉矩。此時需要進行微調來確保轉矩曲線為線性。

兩種方法產生的曲線形狀大有不同。電容方法的啟動轉矩更大一點，而且在60 Hz時比逆變器配電盤加速更快。逆變器配電盤產生的是類似于D類設計電機的曲線，而PSC運行拓撲產生的是類似于A類的轉矩曲線。由固定電容引起的不等電壓幅度又造成了定子內勵磁磁通的不等幅度。由于這種特殊電機各個繞組的阻抗相同，逆變器配電盤試圖在各個繞組創(chuàng)建等量的電流。因為驅動拓撲存在這些差異，轉矩曲線的形狀并不相似。

現(xiàn)在來看看當轉子被鎖住時的啟動轉矩，如果設置逆變器只在調制頻率為60 Hz時轉動電機，那么逆變器就無法帶動與PSC方法相同大小的負載。然而，逆變器配電盤可以使用變頻驅動來帶動更大的負載。設計人員必須還要權衡大的啟動轉矩與效率和速度之間的關系。

控制電壓和頻率最明顯的好處就是設計人員可以控制電機軸的轉速。它旋轉的越快，負載就能越早被推挽至最終值。對于車庫門或門控系統(tǒng)應用而言，這將是一個關鍵的設計中標亮點。

逆變器配電盤

因此，逆變器配電盤使得電機的性能優(yōu)于采用PSC方法驅動的相同電機。PSC方法只能以一個頻率驅動電機，所以轉速無法超過其同步轉速。

逆變器配電盤可以被構建成一個特定于應用的平臺而非一個通用演示板。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。逆變器被設計成可以驅動單相或三相交流感應電機。配電盤概觀如圖4所示，使用了Microchip的PIC16F1509單片機。

圖4：整個系統(tǒng)的頂層概觀


該配電盤在設計時考慮到了靈活性，因此可以選擇使用或不使用其中的某些特性來達到最優(yōu)化的目的。大部分I/O接口使用默認代碼，但是仍然有足夠的空間允許開發(fā)人員進行自定義修改。I2C線路也可以自由添加任意從設備。

部分I/O接口可以通過多路復用方式共用一個引腳，以此來增加可以使用的I/O接口數(shù)量。通過兩個四通道光電耦合器和一個單通道光電耦合器，可獨立滿足各用戶接口的要求。

配電盤提供兩個開關按鈕和兩個電位器。同時，另有連接插頭用于連接外部I/O，比如車庫門開啟觸發(fā)傳感器。這兩個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。每個電位器會消耗30 mA范圍內的大電流。

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無需不停檢查引腳的電壓電平。無論何時檢測到一個IoC，都必須讀取ADC讀數(shù)來確定是哪一個輸入引起的中斷。

運行
當PIC16F1509單片機進行引腳初始化并停止電機時，電機處于空閑狀態(tài)。當啟動按鈕被按下時，電機使用軟啟動方法開始運轉，以線性方式調節(jié)頻率和電壓，以便電機可以緩慢提升到運行速度。當軟啟動操作完成時，電機便轉到了運行狀態(tài)。

在主控制循環(huán)內，電機速度和電流跳變點會被不斷查詢。一旦檢測到過流現(xiàn)象，電機就會被停止，而LED狀態(tài)燈會閃爍以提示出現(xiàn)故障。通常會使用剎車按鈕或軟停止來使電機停止運行返回到空閑狀態(tài)。

結論
用于車庫門等應用的交流感應電機可選擇由逆變器配電盤代替?zhèn)鹘y(tǒng)電容來驅動。這使我們只需要較低的成本就可以為電機添加速度控制和軟啟動功能。該逆變器配電盤采用了Microchip的PIC16F1509 8位單片機。