專利名稱：低諧波交流電機(jī)控制器和控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種交流電機(jī)控制裝置和方法，特別是涉及一種用于電動(dòng)工具中的低諧波交流電機(jī)功率控制器和控制方法。
背景技術(shù)：
目前常用的電機(jī)輸出功率控制電路如圖6所示，改變雙向可控硅T1的導(dǎo)通角θ，便可以對(duì)電機(jī)的交流電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。在電源L端為正的半周內(nèi)，在控制角α的時(shí)刻觸發(fā)雙向可控硅T1正向?qū)?，電源電壓過零時(shí)雙向可控硅T1自行關(guān)斷；同理在下半周時(shí)電源L端為負(fù)，從電壓過零開始，延遲同樣的控制角α觸發(fā)雙向可控硅T1反向?qū)?，于是在電機(jī)M上得到與上半周對(duì)稱的缺角正弦波，電源電壓過零時(shí)雙向可控硅T1自行關(guān)斷。這樣在一個(gè)周期內(nèi)，雙向可控硅T1在正、負(fù)半周各被觸發(fā)導(dǎo)通一次，在電機(jī)上得到如圖7所示的交流電壓。調(diào)節(jié)電位器RP1的大小改變電容C2的充放電時(shí)間，就可獲得不同的控制角α，從而調(diào)節(jié)輸出交流電壓的大小。當(dāng)α由0°變至180°時(shí)，輸出電壓值便由交流電源電壓Uo下降至零。加在電機(jī)上的交流電壓Uo與控制角α的關(guān)系如式(1) (n＝0，1，2………)其有效電壓值為U=U2×1÷2π×sin2α+(π-α)÷π---(2)]]>采用這種移相控制方法實(shí)現(xiàn)的電機(jī)功率控制，由于輸出的交流電壓在正、負(fù)半周完全對(duì)稱，用傅立葉級(jí)數(shù)對(duì)其展開，諧波成份主要表現(xiàn)為奇次波，在電機(jī)功率小于一定功率時(shí)，諧波值能達(dá)到EMC標(biāo)準(zhǔn)要求。但當(dāng)電機(jī)功率大于一定功率后，通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)控制角α較小時(shí)，諧波值還能達(dá)到EMC標(biāo)準(zhǔn)要求，α增大時(shí)諧波值明顯加大，當(dāng)α達(dá)到90°時(shí)諧波值最大，嚴(yán)重超出EMC標(biāo)準(zhǔn)要求。
針對(duì)上述情況有人提出了一種對(duì)相鄰二個(gè)正弦波的導(dǎo)通角進(jìn)行互補(bǔ)控制，避開產(chǎn)生高值諧波導(dǎo)通角的算法。這種控制算法的主要原理是，對(duì)加在交流電機(jī)兩端的交流電壓以720°為一個(gè)控制周期，對(duì)前兩個(gè)180°半周和后兩個(gè)180°半周分別采用不同的控制角，這樣得到的交流電壓波形如圖8所示，加在電機(jī)上的交流電壓Uo與控制角α、α1的關(guān)系如式(3)
(n＝0，1，2………)……………(3)用傅立葉級(jí)數(shù)對(duì)上式展開，其諧波既有奇次波又有偶次波，只不過隔值不同而已。如能控制好α與α1之間的關(guān)系，就能有效地降低諧波電流強(qiáng)度使其符合EMC標(biāo)準(zhǔn)要求，并使電機(jī)的輸出功率基本連續(xù)可調(diào)。該控制方法的優(yōu)點(diǎn)是不用改動(dòng)電機(jī)結(jié)構(gòu)，只要增加少許成本，就可有效地降低諧波電流值。但是它所采用的還是移相控制的方法，當(dāng)功率大到一定程度時(shí)還有可能產(chǎn)生高頻電磁波幅射給無線電或其他設(shè)備帶來干擾。這種交流電機(jī)的控制方法在歐洲已有一家德國(guó)公司申請(qǐng)了專利，其專利號(hào)為EP0859452A1。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足提供一種可大大減少諧波和電磁輻射的交流電機(jī)功率控制的方法和裝置，可以在規(guī)定的諧波限定值內(nèi)，對(duì)大功率電機(jī)(如最高2000W)穩(wěn)定地控制電機(jī)功率輸出。
可通過以下技術(shù)方案達(dá)到一種低諧波交流電機(jī)控制器，包括單片微處理機(jī)MCU、過零檢測(cè)電路、控制輸入電路、可控硅驅(qū)動(dòng)電路、雙向可控硅及電源電路，其中，過零檢測(cè)電路、控制輸入電路、分別與MCU的各輸入口相聯(lián)，在MCU的一輸出口依次串聯(lián)可控硅驅(qū)動(dòng)電路、雙向可控硅；可控硅驅(qū)動(dòng)電路包括電阻1R8、1R9、1R10和三極管1V5，其中電阻1R8的一端接MCU的一輸出口，另一端接三極管1V5的基極，三極管1V5的發(fā)射極接地，集電極經(jīng)電阻1R10接雙向可控硅1V4的控制極，電阻1R9的一端接220V電源，另一端接雙向可控硅1V4的控制極；過零檢測(cè)電路包括二極管1V1、1V2和電阻1R3，其中二極管1V1的陽(yáng)極、二極管1V2的陰極、電阻1R3的一端相聯(lián)后接單片微處理機(jī)MCU的一輸入口，二極管1V1的陰極接+5V電壓，二極管1V2的陽(yáng)極接直流地，電阻1R3的另一端接交流地。
一種低諧波交流電機(jī)控制方法，用過零觸發(fā)的方法通過改變?cè)谠O(shè)定的周期內(nèi)周波的導(dǎo)通數(shù)來控制雙向可控硅輸出的平均電壓，可取四到六個(gè)周波時(shí)間為設(shè)定的周期，雙向可控硅輸出的有效電壓值為Ud=(n÷(f×T))×U,]]>再結(jié)合移相控制，控制雙向可控硅的導(dǎo)通，其輸出的有效電壓值各為Ud=n÷(f×T)×U×1÷2π×sin2α+(π-α)÷π]]>其中Ud…………………輸出的有效電壓；n……………………設(shè)定周期內(nèi)的周波數(shù)；f……………………電源頻率；T……………………設(shè)定的周期；U……………………電源的有效電壓值。
所述低諧波交流電機(jī)控制方法包含以下步驟單片微處理機(jī)MCU初始化后讀取設(shè)定輸出功率；根據(jù)輸出功率設(shè)定值進(jìn)行輸出功率控制運(yùn)算；當(dāng)過零檢測(cè)電路檢測(cè)到交流過零信號(hào)后，單片微處理機(jī)MCU產(chǎn)生中斷，輸出觸發(fā)脈沖。其中輸出功率控制運(yùn)算步驟，還包含以下步驟根據(jù)輸出功率設(shè)定值進(jìn)行輸出功率判別；當(dāng)輸出功率小于原功率的50％時(shí)導(dǎo)通二個(gè)周波，并計(jì)算控制角后存貯控制數(shù)據(jù)；當(dāng)輸出功率等于原功率的50％時(shí)導(dǎo)通二個(gè)周波，并存貯控制數(shù)據(jù)；當(dāng)輸出功率大于原功率的50％，小于75％時(shí)導(dǎo)通三個(gè)周波，并計(jì)算控制角后存貯控制數(shù)據(jù)；當(dāng)輸出功率等于原功率的75％時(shí)導(dǎo)通三個(gè)周波，并存貯控制數(shù)據(jù)；當(dāng)輸出功率大于原功率的75％時(shí)導(dǎo)通四個(gè)周波，并計(jì)算控制角后存貯控制數(shù)據(jù)。
本發(fā)明所述的低諧波交流電機(jī)控制器和控制方法，用過零觸發(fā)的方法通過改變?cè)谠O(shè)定的周期內(nèi)周波的導(dǎo)通數(shù)，再結(jié)合移向觸發(fā)，來控制雙向可控硅的導(dǎo)通，使可控硅輸出連續(xù)可調(diào)的電壓。該控制器和控制方法充分利用過零觸發(fā)諧波干擾小，不會(huì)產(chǎn)生高頻電磁波幅射的優(yōu)點(diǎn)，及移相控制電壓連續(xù)可調(diào)的長(zhǎng)處，揚(yáng)長(zhǎng)避短，達(dá)到低諧波交流電機(jī)功率控制的目的。大大減小諧波和電磁波輻射，并在滿足EMC標(biāo)準(zhǔn)要求的諧波限定值內(nèi)，控制大功率交流電機(jī)(如2000W)輸出基本連續(xù)可調(diào)的功率。


圖1是本發(fā)明的電原理方框圖；圖2是本發(fā)明的電原理圖；圖3是本發(fā)明的主程序流程4是本發(fā)明的輸出功率控制運(yùn)算流程5是本發(fā)明的可控硅輸出波形圖；圖6是現(xiàn)有技術(shù)的電機(jī)輸出功率控制電路圖；圖7是現(xiàn)有技術(shù)的電機(jī)輸出功率控制電路的可控硅輸出波形圖。
圖8是現(xiàn)有技術(shù)的低諧波可控硅輸出波形圖。
具體實(shí)施例方式
參照附圖，將詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施方案。
圖1給出了本發(fā)明的電原理框圖，所述低諧波交流電機(jī)控制器由交流電源供電，經(jīng)電源電路輸出+5V的直流電，為控制器提供直流工作電壓，過零檢測(cè)電路、控制輸入電路分別與單片微處理機(jī)MCU相應(yīng)的輸入口相聯(lián)，可控硅驅(qū)動(dòng)電路、雙向可控硅依次與MCU的一輸出口相串聯(lián)。其中過零檢測(cè)電路將交流正弦波轉(zhuǎn)換成方波信號(hào)輸入到MCU外中斷口，當(dāng)交流電壓過零時(shí)，使MCU產(chǎn)生中斷；控制輸入電路將接收到的電機(jī)輸出功率設(shè)定值傳送給MCU，控制輸入電路可接收三種輸入信號(hào)，分別是按鍵信號(hào)、紅外遙控信號(hào)和電位器設(shè)定信號(hào)；MCU中斷后，按電機(jī)輸出功率設(shè)定值的要求，通過運(yùn)算由輸出口輸出相應(yīng)的控制觸發(fā)脈沖，經(jīng)可控硅驅(qū)動(dòng)電路，控制雙向可控硅通、斷，以達(dá)到控制電機(jī)輸出功率的目的。
如圖2所示，過零檢測(cè)電路由二極管1V1、1V2和電阻1R3組成，二極管1V1的陽(yáng)極、二極管1V2的陰極、電阻1R3的一端相聯(lián)后接單片微處理機(jī)MCU的7腳，二極管(1V1)的陰極接+5V電壓，二極管(1V2)的陽(yáng)極接直流地，電阻(1R3)的另一端接交流地。開關(guān)1S1、1S2分別接MCU的15、14腳，紅外接收頭N1的輸出腳接MCU的6腳，構(gòu)成控制輸入電路。MCU的11腳接由電阻1R8、1R9、1R10和三極管1V5構(gòu)成的可控硅驅(qū)動(dòng)電路，其中電阻1R8的一端接MCU的11腳，另一端接三極管1V5的基極，三極管1V5的發(fā)射極接地，集電極經(jīng)電阻1R10接雙向可控硅1V4的控制極，電阻1R9的一端接220V電源，另一端接雙向可控硅1V4的控制極。電阻1R11、1R12，電容1C6、1C7、1C8、1C9，二極管1V6、1V7和1V8組成電源電路；1D1為單片微處理機(jī)MCU，其它電路為MCU的外圍電路。
圖3是本發(fā)明的主程序流程圖，單片微處理機(jī)MCU初始化后讀取設(shè)定輸出功率，再根據(jù)輸出功率設(shè)定值進(jìn)行輸出功率控制運(yùn)算，當(dāng)過零檢測(cè)電路檢測(cè)到交流過零信號(hào)后，單片微處理機(jī)MCU產(chǎn)生中斷，輸出觸發(fā)脈沖。
圖4是本發(fā)明的輸出功率控制運(yùn)算流程圖，程序開始后根據(jù)輸出功率設(shè)定值進(jìn)行輸出功率判別；當(dāng)輸出功率小于原功率的50％時(shí)導(dǎo)通二個(gè)周波，并計(jì)算控制角后存貯控制數(shù)據(jù)；當(dāng)輸出功率等于原功率的50％時(shí)導(dǎo)通二個(gè)周波，并存貯控制數(shù)據(jù)；當(dāng)輸出功率大于原功率的50％，小于75％時(shí)導(dǎo)通三個(gè)周波，并計(jì)算控制角后存貯控制數(shù)據(jù)；當(dāng)輸出功率等于原功率的75％時(shí)導(dǎo)通三個(gè)周波，并存貯控制數(shù)據(jù)；當(dāng)輸出功率大于原功率的75％時(shí)導(dǎo)通四個(gè)周波，并計(jì)算控制角后存貯控制數(shù)據(jù)。
圖5是本發(fā)明的可控硅輸出波形圖。本發(fā)明是用過零觸發(fā)的方法，通過改變?cè)谠O(shè)定的周期內(nèi)周波的導(dǎo)通數(shù)來改變雙向可控硅輸出的平均電壓。在設(shè)定的周期內(nèi)導(dǎo)通的周波數(shù)愈多，則輸出的平均電壓愈高，反之則愈小。用這種方法控制雙向可控硅輸出的有效電壓值如式(4)Ud=(n÷(f×T))×U---(4)]]>Ud…………………輸出的有效電壓；n……………………設(shè)定周期內(nèi)的周波數(shù)；f……………………電源頻率；T……………………設(shè)定的周期；U……………………電源的有效電壓值；從式(1)分析可知設(shè)定的周期愈長(zhǎng)則調(diào)節(jié)愈細(xì)，但設(shè)定的周期過長(zhǎng)會(huì)引起調(diào)節(jié)靈敏度降低，因此一般取四到六個(gè)周波時(shí)間為設(shè)定的周期，然而這樣調(diào)節(jié)輸出的電壓值是不連續(xù)的，因此用過零觸發(fā)控制雖然能有效地解決諧波干擾，但要達(dá)到輸出功率基本連續(xù)可調(diào)還很困難。從前面的分析我們可以發(fā)現(xiàn)，在移相控制中當(dāng)控制角α較小時(shí)，諧波值還是能達(dá)到EMC標(biāo)準(zhǔn)要求，因此我們將過零觸發(fā)控制和移相控制兩者結(jié)合起來，充分利用過零觸發(fā)諧波干擾小，不會(huì)產(chǎn)生高頻電磁波幅射的優(yōu)點(diǎn)與移相控制電壓連續(xù)可調(diào)的長(zhǎng)處，揚(yáng)長(zhǎng)避短，達(dá)到低諧波交流電機(jī)功率控制的目的。根據(jù)此原理得到的輸出電壓波形如圖5所示，其輸出的有效電壓值分別對(duì)應(yīng)如下Ud=2÷(f×T)×U×1÷2π×sin2α+(π-α)÷π---5-a]]>Ud=2÷(f×T)×U---5-b]]>Ud=3÷(f×T)×U×1÷2π×sin2α+(π-α)÷π---5-c]]>Ud=3÷(f×T)×U---5-d]]>Ud=U×1÷2π×sin2α+(π-α)÷π---5-e]]>Ud＝U……………………………………………………………………5-f
權(quán)利要求
1.一種低諧波交流電機(jī)控制器，包括單片微處理機(jī)MCU(1D1)、過零檢測(cè)電路、控制輸入電路、可控硅驅(qū)動(dòng)電路、雙向可控硅及電源電路，其中，過零檢測(cè)電路、控制輸入電路、分別與MCU的各輸入口相聯(lián)，在MCU的一輸出口依次串聯(lián)可控硅驅(qū)動(dòng)電路、雙向可控硅，其特征在于所述可控硅驅(qū)動(dòng)電路包括電阻(1R8、1R9、1R10)和三極管(1V5)，其中電阻(1R8)的一端接MCU的一輸出口，另一端接三極管(1V5)的基極，三極管(1V5)的發(fā)射極接地，集電極經(jīng)電阻(1R10)接雙向可控硅(1V4)的控制極，電阻(1R9)的一端接(220V)電源，另一端接雙向可控硅(1V4)的控制極。
2.如權(quán)利要求1所述的一種低諧波交流電機(jī)控制器，其特征在于所述過零檢測(cè)電路包括二極管(1V1、1V2)和電阻(1R3)，其中二極管(1V1)的陽(yáng)極、二極管(1V2)的陰極、電阻(1R3)的一端相聯(lián)后接單片微處理機(jī)MCU的一輸入口，二極管(1V1)的陰極接+5V電壓，二極管(1V2)的陽(yáng)極接直流地，電阻(1R3)的另一端接交流地。
3.一種低諧波交流電機(jī)控制方法，包括過零觸發(fā)和移相控制，其特征在于用過零觸發(fā)的方法通過改變?cè)谠O(shè)定的周期內(nèi)周波的導(dǎo)通數(shù)來控制雙向可控硅輸出的平均電壓，雙向可控硅輸出的有效電壓值為Ud=(n÷(f×T))×U,]]>再結(jié)合移相控制，控制雙向可控硅的導(dǎo)通，其輸出的有效電壓值各為Ud=n÷(f×T)×U×1÷2π×sin2α+(π-α)÷π]]>其中Ud…………………輸出的有效電壓；n……………………設(shè)定周期內(nèi)的周波數(shù)；f……………………電源頻率；T……………………設(shè)定的周期；U……………………電源的有效電壓值。
4.如權(quán)利要求3所述的一種低諧波交流電機(jī)控制方法，其特征在于可取四到六個(gè)周波時(shí)間為設(shè)定的周期。
5.如權(quán)利要求3所述的一種低諧波交流電機(jī)控制方法，其特征在于包含以下步驟單片微處理機(jī)MCU初始化后讀取設(shè)定輸出功率；根據(jù)輸出功率設(shè)定值進(jìn)行輸出功率控制運(yùn)算；當(dāng)過零檢測(cè)電路檢測(cè)到交流過零信號(hào)后，單片微處理機(jī)MCU產(chǎn)生中斷，輸出觸發(fā)脈沖。
6.如權(quán)利要求5所述的一種低諧波交流電機(jī)控制方法，其特征在于所述輸出功率控制運(yùn)算步驟包含以下步驟根據(jù)輸出功率設(shè)定值進(jìn)行輸出功率判別；當(dāng)輸出功率小于原功率的50％時(shí)導(dǎo)通二個(gè)周波，并計(jì)算控制角后存貯控制數(shù)據(jù)；當(dāng)輸出功率等于原功率的50％時(shí)導(dǎo)通二個(gè)周波，并存貯控制數(shù)據(jù)；當(dāng)輸出功率大于原功率的50％，小于75％時(shí)導(dǎo)通三個(gè)周波，并計(jì)算控制角后存貯控制數(shù)據(jù)；當(dāng)輸出功率等于原功率的75％時(shí)導(dǎo)通三個(gè)周波，并存貯控制數(shù)據(jù)；當(dāng)輸出功率大于原功率的75％時(shí)導(dǎo)通四個(gè)周波，并計(jì)算控制角后存貯控制數(shù)據(jù)。
全文摘要
一種低諧波交流電機(jī)控制器和控制方法，該控制器包括單片微處理機(jī)MCU、過零檢測(cè)電路、控制輸入電路、可控硅驅(qū)動(dòng)電路、雙向可控硅及電源電路。采用過零觸發(fā)的方法通過改變?cè)谠O(shè)定的周期內(nèi)周波的導(dǎo)通數(shù)，再結(jié)合移向觸發(fā)，來控制雙向可控硅的導(dǎo)通，使可控硅輸出連續(xù)可調(diào)的電壓。包含以下步驟初始化后讀取設(shè)定輸出功率；根據(jù)輸出功率設(shè)定值進(jìn)行輸出功率控制運(yùn)算；當(dāng)過零檢測(cè)電路檢測(cè)到交流過零信號(hào)后，MCU產(chǎn)生中斷，輸出觸發(fā)脈沖。該控制器和控制方法充分利用過零觸發(fā)及移相控制優(yōu)點(diǎn)，大大減小諧波和電磁波輻射，控制大功率交流電機(jī)(如2000W)輸出基本連續(xù)可調(diào)的功率。
文檔編號(hào)H02M5/02GK1487664SQ0314210
公開日2004年4月7日 申請(qǐng)日期2003年8月8日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月8日
發(fā)明者徐宏, 徐 宏 申請(qǐng)人:王躍旦