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目前，三速單相電動機結構簡單，成本較低，控制方便，它使電風扇具備高、中、低三檔轉速，提高了電風扇的供風質量，因此，這種單相電動機在家用電風扇得到廣泛的應用。但是，當需要進一步提高電風扇的質量和品位時，僅具有三檔轉速的單相電動機就不能滿足電風扇的要求，必須提高單相電動機的調速能力。我們使用無觸點開關分時接通的方法，在硬件電路基本不變的條件下，使三速單相電動機具有二十檔轉速的調速能力。 1 三速單相電動機開關調速的原理 三速單相電動機調速電路如圖1所示， L、M、H分別為單相電動機的低速抽頭、中速抽頭和高速抽頭，單相電動機采用電容運行方式，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TL導通時電動機的低速抽頭與電源連接，電動機低速運轉，同樣，TM導通時電動機中速運轉，TH導通時電動機高速運轉。我們采用分時接通L、M、H的方法，可以調節電動機的轉速，使三速單相電動機獲得多于三檔轉速的變速能力。設電源頻率為50HZ，其周期為0.02S，取調速周期TS=8T（T為電源周期），低速調速時，調速周期內不接通任何一個晶閘管，則電動機的轉速0，調速周期內全接通晶閘管TL，則電動機低速運轉，但如果在8個電源周期內，N個周期接通晶閘管TL（0≤N≤8），其他時間不接通，那么，在電動機的低速下可獲得8檔更低的轉速。同樣，中速調速時，調速周期內全接通晶閘管TL，則電動機低速運轉，全接通晶閘管TM，則電動機中速運轉，如果在8個電源周期內N個周期接通晶閘管TM，（8-N）個周期接通TL，那么在電動機的低速和中速之間可獲得8檔轉速。同樣道理，在中速和高速間又可獲得8檔轉速。由此可見采用分時接通的方法，可以使只有三檔轉速的三速單相電動機具有二十四檔轉速的調速能力。 2 三速單相電動機開關調速的硬件和軟件設計 三速單相電動機調速電路如圖1所示，某家用電風扇的單相電動機采用單片機ATMEL89C2051控制，單片機的輸出端口P1.5、P1.6、P1.7經反相器與晶閘管TL、TM、TH的控制極連接，當P1.5=“0”時，晶閘管導通，電動機可低速運轉，反之，P1.5=“1”時，晶閘管截止，電動機停轉，即由P1.5輸出電位控制電動機的低速檔；同樣，由P1.6輸出電位控制電動機的中速檔，P1.7控制電動機的高速檔。同步電路每個電源周期產生一個脈沖信號，并在電源電壓由負變正時產生脈沖的下降沿。同步信號由INT0中斷口輸入單片機。三速單相電動機開關調速的控制方法如下：在每個電源電源電壓由負變正過零時，同步電路產生一個脈沖信號，向單片機申請中斷，單片機響應中斷后執行調速程序，按給定的轉速代碼輸出轉速信號，調節電動機轉速。取調速周期Ts=8T（T為電源周期），調速程序必須經過8次中斷才能輸出一個轉速代碼的轉速，在調速周期內不能接受新的轉速代碼，否則電動機的轉速將不受控制。在調速程序中，采用一個存儲單元（34H）作為轉速輸入單元，另一個存儲單元（37H）作為電源周期指示器，記錄已經輸出的電源周期，控制器需要改變風扇的轉速時，隨時可以向（34H）單元寫入轉速代碼，但只有電源周期指示器的數值為零時，調速程序才能將（34H）單元的數據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，并且讀入轉速輸入單元（34H）的數據。 在調速程序中，我們采用8位數據記錄風扇的轉速代碼，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。接通檔次表示調速為低速調速、中速調速還是高速調速，其值為b4b3={00B，01B，10B，11B}，當接通檔次為00B時，在轉速代碼設定的接通比例內接通晶閘管TL，接通比例外不接通晶閘管；當接通檔次為01B時，在轉速代碼設定的接通比例內接通晶閘管TM，接通比例外接通晶閘管TL，當接通檔次為10B時，在轉速代碼設定的接通比例內接通晶閘管TH，接通比例外接通晶閘管TM；當接通檔次為11B時，接通比例只有00H一種，這時在整個調速周期內接通晶閘管TH，電動機高速運轉。接通比例的取值范圍000B-111B，由此可知，轉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。所以電動機除零速外共有二十四檔轉速。這樣定義轉速代碼的優點是三檔轉速的代碼時連續的，并且代碼的大小與轉速的高低相關。 調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速周期內已經過的電源周期的數目，其初值為00H，N為轉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，實現轉速代碼中接通比例對電動機轉速的控制。為了便于編程，我們引入一個控制位c，在轉速代碼設定的接通比例范圍內，控制位置c=1，在轉速代碼設定的接通比例范圍之外控制位置c=0，再根據轉速代碼的接通檔次，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晶閘管代碼與控制信號的邏輯關系獲得相應的控制信號，輸出相對應的信號，對電動機的轉速進行控制。晶閘管代碼與輸出控制信號的邏輯關系為： 根據上述控制算法，我們編寫控制程序，實驗證實上述方法可以調節三速單相電動機的轉速，使僅有三檔轉速的電動機具備二十四檔轉速的調速能力，但這個方法有一些缺點，主要是： 1）電動機的轉矩是脈動的，使電動機的機械噪聲增大，必須采取良好的潤滑和防止轉子軸向運動的措施減少噪聲。為了在調速周期內電動機的轉矩較為平滑，減少脈動，可采用改進的控制位波形如圖3所示，在接通比例不變的前提下，平均分布接通控制位，減少電動機轉矩的脈動程度，從而減低電動機的噪聲。 2）低速檔接通比例較低時，電風扇的風葉出現蠕行，不能正常送風，必須限制最小轉速代碼�？扇サ舻退贆n轉速代碼中最低接通比例的四個代碼，保留轉速較高的二十檔轉速。 實驗證實，采用改進的控制位波形和限制最小轉速代碼之后，三速單相電動機在風扇應用中取得較好的調速和節能效果。三速單相電動機開關調速的實驗測試結果如下： 本試驗電動機所帶的負載為風扇，有關技術數據如下： 額定電壓：220V±10%，額定頻率：50Hz，風葉直徑：300mm， 轉速：高-1150 r/min 中-900 r/min 低-600r/min。 3 結束語 在家用電風扇控制電路中，采用晶閘管分時接通的方法，可以使僅有高、中、低三檔轉速的單相電動機具有二十檔轉速的調速能力，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速算法，即可達到提高風扇風速檔次的目的，同時，電風扇的功率在調速時能隨著轉速下降而減少，使風扇具有良好的節能效果。 這種方法的主要缺點是： 1）電動機的轉矩是脈動的，使電風扇的機械噪聲增大。 2）低速檔接通比例較低時，電風扇的風葉出現蠕行，不能正常送風。 對1）個問題，采用改進的控制位波形數據，在接通比例不變的前提下，平均分布接通控制位，減少電動機轉矩的脈動程度，同時，采取良好的潤滑和防止轉子軸向運動的措施，減低電動機的噪聲。對2）個問題，采用限制最小轉速代碼即可防止電風扇在低速運行時風葉蠕行，不能送風。實驗證實，采用改進的控制位波形和限制最小轉速代碼之后，三速單相電動機在風扇應用中取得較好的調速效果和節能效果。 |
