三速单相电动机开关调速的原理及软硬件的实现设计

目前，三速单相电动机结构简单，成本较低，控制方便，它使电风扇具备高、中、低三档转速，提高了电风扇的供风质量，因此，这种单相电动机在家用电风扇得到广泛的应用。但是，当需要进一步提高电风扇的质量和品位时，仅具有三档转速的单相电动机就不能满足电风扇的要求，必须提高单相电动机的调速能力。我们使用无触点开关分时接通的方法，在硬件电路基本不变的条件下，使三速单相电动机具有二十档转速的调速能力。

1 三速单相电动机开关调速的原理

三速单相电动机调速电路如图1所示， L、M、H分别为单相电动机的低速抽头、中速抽头和高速抽头，单相电动机采用电容运行方式，三个抽头与电源的连接由三个双向晶闸管TL、TM、TH来控制，当TL导通时电动机的低速抽头与电源连接，电动机低速运转，同样，TM导通时电动机中速运转，TH导通时电动机高速运转。我们采用分时接通L、M、H的方法，可以调节电动机的转速，使三速单相电动机获得多于三档转速的变速能力。设电源频率为50HZ，其周期为0.02S，取调速周期TS=8T（T为电源周期），低速调速时，调速周期内不接通任何一个晶闸管，则电动机的转速0，调速周期内全接通晶闸管TL，则电动机低速运转，但如果在8个电源周期内，N个周期接通晶闸管TL（0≤N≤8），其他时间不接通，那么，在电动机的低速下可获得8档更低的转速。同样，中速调速时，调速周期内全接通晶闸管TL，则电动机低速运转，全接通晶闸管TM，则电动机中速运转，如果在8个电源周期内N个周期接通晶闸管TM，（8-N）个周期接通TL，那么在电动机的低速和中速之间可获得8档转速。同样道理，在中速和高速间又可获得8档转速。由此可见采用分时接通的方法，可以使只有三档转速的三速单相电动机具有二十四档转速的调速能力。

2 三速单相电动机开关调速的硬件和软件设计

三速单相电动机调速电路如图1所示，某家用电风扇的单相电动机采用单片机ATMEL89C2051控制，单片机的输出端口P1.5、P1.6、P1.7经反相器与晶闸管TL、TM、TH的控制极连接，当P1.5=“0”时，晶闸管导通，电动机可低速运转，反之，P1.5=“1”时，晶闸管截止，电动机停转，即由P1.5输出电位控制电动机的低速档；同样，由P1.6输出电位控制电动机的中速档，P1.7控制电动机的高速档。同步电路每个电源周期产生一个脉冲信号，并在电源电压由负变正时产生脉冲的下降沿。同步信号由INT0中断口输入单片机。三速单相电动机开关调速的控制方法如下：在每个电源电源电压由负变正过零时，同步电路产生一个脉冲信号，向单片机申请中断，单片机响应中断后执行调速程序，按给定的转速代码输出转速信号，调节电动机转速。取调速周期Ts=8T（T为电源周期），调速程序必须经过8次中断才能输出一个转速代码的转速，在调速周期内不能接受新的转速代码，否则电动机的转速将不受控制。在调速程序中，采用一个存储单元（34H）作为转速输入单元，另一个存储单元（37H）作为电源周期指示器，记录已经输出的电源周期，控制器需要改变风扇的转速时，随时可以向（34H）单元写入转速代码，但只有电源周期指示器的数值为零时，调速程序才能将（34H）单元的数据变成实际输出的信号。电源周期指示器的初始值为00H，INT0每中断一次调速周期定时器加1，直至电源周期指示器为08H时，重新清零，并且读入转速输入单元（34H）的数据。

在调速程序中，我们采用8位数据记录风扇的转速代码，其中低3位（b2b1b0）表示接通比例N，第4、5位（b4b3）表示接通档次，高3位（b7b6b5）不用。接通档次表示调速为低速调速、中速调速还是高速调速，其值为b4b3={00B，01B，10B，11B}，当接通档次为00B时，在转速代码设定的接通比例内接通晶闸管TL，接通比例外不接通晶闸管；当接通档次为01B时，在转速代码设定的接通比例内接通晶闸管TM，接通比例外接通晶闸管TL，当接通档次为10B时，在转速代码设定的接通比例内接通晶闸管TH，接通比例外接通晶闸管TM；当接通档次为11B时，接通比例只有00H一种，这时在整个调速周期内接通晶闸管TH，电动机高速运转。接通比例的取值范围000B-111B，由此可知，转速代码的取值范围为00H-18H，总共25个代码，其中00H为零速，01H-08H为低速档代码，09H-10H为中速档代码，11H-18H为高速档代码。所以电动机除零速外共有二十四档转速。这样定义转速代码的优点是三档转速的代码时连续的，并且代码的大小与转速的高低相关。

调速程序的控制算法如图2所示，电源周期指示器指示在一个调速周期内已经过的电源周期的数目，其初值为00H，N为转速代码中的接通比例。

INT0每中断一次电源周期指示器的值加1，直至08H时重新置零，因此，可以用电源周期指示器来控制接通晶闸管的电源周期数，实现转速代码中接通比例对电动机转速的控制。为了便于编程，我们引入一个控制位c，在转速代码设定的接通比例范围内，控制位置c=1，在转速代码设定的接通比例范围之外控制位置c=0，再根据转速代码的接通档次，可以算出需要接通晶闸管的代码，即

晶闸管的代码（t1t0）=（接通档次位b4b3）+控制位（c）

这里晶闸管的代码t1t0={00B，01B，10B，11B}，其中00B表示不接通，01B表示晶闸管TL，10B表示晶闸管TM，11B表示晶闸管TH。晶闸管代码算出之后即可根据晶闸管代码与控制信号的逻辑关系获得相应的控制信号，输出相对应的信号，对电动机的转速进行控制。晶闸管代码与输出控制信号的逻辑关系为：

根据上述控制算法，我们编写控制程序，实验证实上述方法可以调节三速单相电动机的转速，使仅有三档转速的电动机具备二十四档转速的调速能力，但这个方法有一些缺点，主要是：

1）电动机的转矩是脉动的，使电动机的机械噪声增大，必须采取良好的润滑和防止转子轴向运动的措施减少噪声。为了在调速周期内电动机的转矩较为平滑，减少脉动，可采用改进的控制位波形如图3所示，在接通比例不变的前提下，平均分布接通控制位，减少电动机转矩的脉动程度，从而减低电动机的噪声。

2）低速档接通比例较低时，电风扇的风叶出现蠕行，不能正常送风，必须限制最小转速代码。可去掉低速档转速代码中最低接通比例的四个代码，保留转速较高的二十档转速。

实验证实，采用改进的控制位波形和限制最小转速代码之后，三速单相电动机在风扇应用中取得较好的调速和节能效果。三速单相电动机开关调速的实验测试结果如下：

本试验电动机所带的负载为风扇，有关技术数据如下：

额定电压：220V±10%，额定频率：50Hz，风叶直径：300mm，

转速：高-1150 r/min 中-900 r/min 低-600r/min。

3 结束语

在家用电风扇控制电路中，采用晶闸管分时接通的方法，可以使仅有高、中、低三档转速的单相电动机具有二十档转速的调速能力，这种方法无需增加较多的硬件，仅在控制程序中采用新的调速算法，即可达到提高风扇风速档次的目的，同时，电风扇的功率在调速时能随着转速下降而减少，使风扇具有良好的节能效果。

这种方法的主要缺点是：

1）电动机的转矩是脉动的，使电风扇的机械噪声增大。

2）低速档接通比例较低时，电风扇的风叶出现蠕行，不能正常送风。

对1）个问题，采用改进的控制位波形数据，在接通比例不变的前提下，平均分布接通控制位，减少电动机转矩的脉动程度，同时，采取良好的润滑和防止转子轴向运动的措施，减低电动机的噪声。对2）个问题，采用限制最小转速代码即可防止电风扇在低速运行时风叶蠕行，不能送风。实验证实，采用改进的控制位波形和限制最小转速代码之后，三速单相电动机在风扇应用中取得较好的调速效果和节能效果。

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