基于單片機(jī)的單相電動機(jī)調(diào)速方法及其實現(xiàn)

摘  要：本文介紹在三速單相電動機(jī)中采用分時接通的方法提高電動機(jī)的轉(zhuǎn)速檔次，使電動機(jī)具有二十檔轉(zhuǎn)速的調(diào)速能力和更好的節(jié)能效果，這種方法無需增加較多的硬件，僅在控制器中采用新的調(diào)速程序，即可達(dá)到提高風(fēng)扇風(fēng)速檔次和節(jié)能的目的。
關(guān)鍵詞：調(diào)速；單相電動機(jī)；單片機(jī)

0         前言

目前，三速單相電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，控制方便，它使電風(fēng)扇具備高、中、低三檔轉(zhuǎn)速，提高了電風(fēng)扇的供風(fēng)質(zhì)量，因此，這種單相電動機(jī)在家用電風(fēng)扇得到廣泛的應(yīng)用。但是，當(dāng)需要進(jìn)一步提高電風(fēng)扇的質(zhì)量和品位時，僅具有三檔轉(zhuǎn)速的單相電動機(jī)就不能滿足電風(fēng)扇的要求，必須提高單相電動機(jī)的調(diào)速能力。我們使用無觸點開關(guān)分時接通的方法，在硬件電路基本不變的條件下，使三速單相電動機(jī)具有二十檔轉(zhuǎn)速的調(diào)速能力。

1  三速單相電動機(jī)開關(guān)調(diào)速的原理

三速單相電動機(jī)調(diào)速電路如圖1所示， L、M、H分別為單相電動機(jī)的低速抽頭、中速抽頭和高速抽頭，單相電動機(jī)采用電容運行方式，三個抽頭與電源的連接由三個雙向晶閘管TL、TM、TH來控制，當(dāng)TL導(dǎo)通時電動機(jī)的低速抽頭與電源連接，電動機(jī)低速運轉(zhuǎn)，同樣，TM導(dǎo)通時電動機(jī)中速運轉(zhuǎn)，TH導(dǎo)通時電動機(jī)高速運轉(zhuǎn)。我們采用分時接通L、M、H的方法，可以調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，使三速單相電動機(jī)獲得多于三檔轉(zhuǎn)速的變速能力。設(shè)電源頻率為50HZ，其周期為0.02S，取調(diào)速周期T_S=8T（T為電源周期），低速調(diào)速時，調(diào)速周期內(nèi)不接通任何一個晶閘管，則電動機(jī)的轉(zhuǎn)速0，調(diào)速周期內(nèi)全接通晶閘管TL，則電動機(jī)低速運轉(zhuǎn)，但如果在8個電源周期內(nèi)，N個周期接通晶閘管TL（0≤N≤8），其他時間不接通，那么，在電動機(jī)的低速下可獲得8檔更低的轉(zhuǎn)速。同樣，中速調(diào)速時，調(diào)速周期內(nèi)全接通晶閘管TL，則電動機(jī)低速運轉(zhuǎn)，全接通晶閘管TM，則電動機(jī)中速運轉(zhuǎn)，如果在8個電源周期內(nèi)N個周期接通晶閘管TM，（8-N）個周期接通TL，那么在電動機(jī)的低速和中速之間可獲得8檔轉(zhuǎn)速。同樣道理，在中速和高速間又可獲得8檔轉(zhuǎn)速。由此可見采用分時接通的方法，可以使只有三檔轉(zhuǎn)速的三速單相電動機(jī)具有二十四檔轉(zhuǎn)速的調(diào)速能力。

 

2  三速單相電動機(jī)開關(guān)調(diào)速的硬件和軟件設(shè)計

三速單相電動機(jī)調(diào)速電路如圖1所示，某家用電風(fēng)扇的單相電動機(jī)采用單片機(jī)ATMEL89C2051控制，單片機(jī)的輸出端口P1.5、P1.6、P1.7經(jīng)反相器與晶閘管TL、TM、TH的控制極連接，當(dāng)P1.5=“0”時，晶閘管導(dǎo)通，電動機(jī)可低速運轉(zhuǎn)，反之，P1.5=“1”時，晶閘管截止，電動機(jī)停轉(zhuǎn)，即由P1.5輸出電位控制電動機(jī)的低速檔；同樣，由P1.6輸出電位控制電動機(jī)的中速檔，P1.7控制電動機(jī)的高速檔。同步電路每個電源周期產(chǎn)生一個脈沖信號，并在電源電壓由負(fù)變正時產(chǎn)生脈沖的下降沿。同步信號由INT0中斷口輸入單片機(jī)。三速單相電動機(jī)開關(guān)調(diào)速的控制方法如下：在每個電源電源電壓由負(fù)變正過零時，同步電路產(chǎn)生一個脈沖信號，向單片機(jī)申請中斷，單片機(jī)響應(yīng)中斷后執(zhí)行調(diào)速程序，按給定的轉(zhuǎn)速代碼輸出轉(zhuǎn)速信號，調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速。取調(diào)速周期Ts=8T（T為電源周期），調(diào)速程序必須經(jīng)過8次中斷才能輸出一個轉(zhuǎn)速代碼的轉(zhuǎn)速，在調(diào)速周期內(nèi)不能接受新的轉(zhuǎn)速代碼，否則電動機(jī)的轉(zhuǎn)速將不受控制。在調(diào)速程序中，采用一個存儲單元（34H）作為轉(zhuǎn)速輸入單元，另一個存儲單元（37H）作為電源周期指示器，記錄已經(jīng)輸出的電源周期，控制器需要改變風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速時，隨時可以向（34H）單元寫入轉(zhuǎn)速代碼，但只有電源周期指示器的數(shù)值為零時，調(diào)速程序才能將（34H）單元的數(shù)據(jù)變成實際輸出的信號。電源周期指示器的初始值為00H，INT0每中斷一次調(diào)速周期定時器加1，直至電源周期指示器為08H時，重新清零，并且讀入轉(zhuǎn)速輸入單元（34H）的數(shù)據(jù)。

在調(diào)速程序中，我們采用8位數(shù)據(jù)記錄風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速代碼，其中低3位（b₂b₁b₀）表示接通比例N，第4、5位（b₄b₃）表示接通檔次，高3位（b₇b₆b₅）不用。接通檔次表示調(diào)速為低速調(diào)速、中速調(diào)速還是高速調(diào)速，其值為b₄b₃={00B，01B，10B，11B}，當(dāng)接通檔次為00B時，在轉(zhuǎn)速代碼設(shè)定的接通比例內(nèi)接通晶閘管TL，接通比例外不接通晶閘管；當(dāng)接通檔次為01B時，在轉(zhuǎn)速代碼設(shè)定的接通比例內(nèi)接通晶閘管TM，接通比例外接通晶閘管TL，當(dāng)接通檔次為10B時，在轉(zhuǎn)速代碼設(shè)定的接通比例內(nèi)接通晶閘管TH，接通比例外接通晶閘管TM；當(dāng)接通檔次為11B時，接通比例只有00H一種，這時在整個調(diào)速周期內(nèi)接通晶閘管TH，電動機(jī)高速運轉(zhuǎn)。接通比例的取值范圍000B-111B，由此可知，轉(zhuǎn)速代碼的取值范圍為00H-18H，總共25個代碼，其中00H為零速，01H-08H為低速檔代碼，09H-10H為中速檔代碼，11H-18H為高速檔代碼。所以電動機(jī)除零速外共有二十四檔轉(zhuǎn)速。這樣定義轉(zhuǎn)速代碼的優(yōu)點是三檔轉(zhuǎn)速的代碼時連續(xù)的，并且代碼的大小與轉(zhuǎn)速的高低相關(guān)。

調(diào)速程序的控制算法如圖2所示，電源周期指示器指示在一個調(diào)速周期內(nèi)已經(jīng)過的電源周期的數(shù)目，其初值為00H，N為轉(zhuǎn)速代碼中的接通比例。

 

INT0每中斷一次電源周期指示器的值加1，直至08H時重新置零，因此，可以用電源周期指示器來控制接通晶閘管的電源周期數(shù)，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速代碼中接通比例對電動機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。為了便于編程，我們引入一個控制位c，在轉(zhuǎn)速代碼設(shè)定的接通比例范圍內(nèi)，控制位置c=1，在轉(zhuǎn)速代碼設(shè)定的接通比例范圍之外控制位置c=0，再根據(jù)轉(zhuǎn)速代碼的接通檔次，可以算出需要接通晶閘管的代碼，即

晶閘管的代碼（t₁t₀）=（接通檔次位b₄b₃）+控制位（c）

這里晶閘管的代碼t₁t₀={00B，01B，10B，11B}，其中00B表示不接通，01B表示晶閘管TL，10B表示晶閘管TM，11B表示晶閘管TH。晶閘管代碼算出之后即可根據(jù)晶閘管代碼與控制信號的邏輯關(guān)系獲得相應(yīng)的控制信號，輸出相對應(yīng)的信號，對電動機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。晶閘管代碼與輸出控制信號的邏輯關(guān)系為：

根據(jù)上述控制算法，我們編寫控制程序，實驗證實上述方法可以調(diào)節(jié)三速單相電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，使僅有三檔轉(zhuǎn)速的電動機(jī)具備二十四檔轉(zhuǎn)速的調(diào)速能力，但這個方法有一些缺點，主要是：

1）電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩是脈動的，使電動機(jī)的機(jī)械噪聲增大，必須采取良好的潤滑和防止轉(zhuǎn)子軸向運動的措施減少噪聲。為了在調(diào)速周期內(nèi)電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩較為平滑，減少脈動，可采用改進(jìn)的控制位波形如圖3所示，在接通比例不變的前提下，平均分布接通控制位，減少電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的脈動程度，從而減低電動機(jī)的噪聲。

 

2）低速檔接通比例較低時，電風(fēng)扇的風(fēng)葉出現(xiàn)蠕行，不能正常送風(fēng)，必須限制最小轉(zhuǎn)速代碼。可去掉低速檔轉(zhuǎn)速代碼中最低接通比例的四個代碼，保留轉(zhuǎn)速較高的二十檔轉(zhuǎn)速。

實驗證實，采用改進(jìn)的控制位波形和限制最小轉(zhuǎn)速代碼之后，三速單相電動機(jī)在風(fēng)扇應(yīng)用中取得較好的調(diào)速和節(jié)能效果。三速單相電動機(jī)開關(guān)調(diào)速的實驗測試結(jié)果如下：

 

本試驗電動機(jī)所帶的負(fù)載為風(fēng)扇，有關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)如下：

額定電壓：220V±10%，額定頻率：50Hz，風(fēng)葉直徑：300mm，

轉(zhuǎn)速：高-1150 r/min 中-900 r/min 低-600r/min。

3 結(jié)束語

在家用電風(fēng)扇控制電路中，采用晶閘管分時接通的方法，可以使僅有高、中、低三檔轉(zhuǎn)速的單相電動機(jī)具有二十檔轉(zhuǎn)速的調(diào)速能力，這種方法無需增加較多的硬件，僅在控制程序中采用新的調(diào)速算法，即可達(dá)到提高風(fēng)扇風(fēng)速檔次的目的，同時，電風(fēng)扇的功率在調(diào)速時能隨著轉(zhuǎn)速下降而減少，使風(fēng)扇具有良好的節(jié)能效果。這種方法的主要缺點是：

1）電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩是脈動的，使電風(fēng)扇的機(jī)械噪聲增大。

2）低速檔接通比例較低時，電風(fēng)扇的風(fēng)葉出現(xiàn)蠕行，不能正常送風(fēng)。

對1）個問題，采用改進(jìn)的控制位波形數(shù)據(jù)，在接通比例不變的前提下，平均分布接通控制位，減少電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的脈動程度，同時，采取良好的潤滑和防止轉(zhuǎn)子軸向運動的措施，減低電動機(jī)的噪聲。對2）個問題，采用限制最小轉(zhuǎn)速代碼即可防止電風(fēng)扇在低速運行時風(fēng)葉蠕行，不能送風(fēng)。實驗證實，采用改進(jìn)的控制位波形和限制最小轉(zhuǎn)速代碼之后，三速單相電動機(jī)在風(fēng)扇應(yīng)用中取得較好的調(diào)速效果和節(jié)能效果。