基于單片機的單相電動機調速方法及其實現
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LMH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TLTMTH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LMH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
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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P1.5P1.6P1.7經反相器與晶閘管TLTMTH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00HINT0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45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={00B01B10B11B}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00HN為轉速代碼中的接通比例
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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={00B01B10B11B}其中00B表示不接通01B表示晶閘管TL10B表示晶閘管TM11B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
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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
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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可去掉低速檔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-1150r/min中-900r/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
