单相感应电机的独立电源式空间矢量逆变电路调制方法

摘要

单相感应电机的独立电源式空间矢量逆变电路调制方法，属于电机控制领域，本发明为解决现有单相感应电机进行PWM调制方式，形成的磁链轨迹是椭圆形，导致电机性能不好的问题。本发明方法包括以下步骤：步骤一、初始化设置；步骤二、单片机读取速度给定值，根据所述TST数组获取旋转磁场的周期T；步骤三、根据公式

说明书

技术领域

本发明涉及单相感应电机的独立电源式空间矢量逆变电路调制方法，属于电机控制领 域。

背景技术

单相感应电机是一类应用时间最早、应用范围最广的、单相电源供电和小功率应用的 单相感应电机。它的两组定子线圈(主线圈L_Q和辅助线圈L_D)通常以正交的方式放置， 加到两个线圈的定子电源应有90度的相位差，以保证形成定子旋转磁场使转子转动。

产生两线圈正交控制电压的方法有两种：第一种方法是辅助线圈L_D串联某些电气元 件再与主线圈L_Q并联，只需一个定子控制电压，因此可使用单相交流电源；第二种方法 是两个线圈分别加入正交的定子控制电压，这也就是两相交流电源分别控制。无论何种方 法，都要求定子绕组产生的旋转磁场是圆形的。

在单相异步电机的两相分别控制中，主要是采用空间矢量控制。如图1所示的三相逆 变桥中六个开关管能形成八种允许的开关组合情况，即T1、T4、T6导通，T1、T3、T6 导通，T2、T3、T6导通，T2、T3、T5导通，T2、T4、T5导通T1、T4、T5导通以及T1、 T3、T5导通和T2、T4、T6导通8种导通情况。如把上臂器件导通用数字1表示，下桥 臂器件导通用数字0表示，则上述八种工作状态按照ABC相序依次排列时可分别表示为 100，110，010，011，001，101以及000、111，各工作状态在坐标系中的分布情况参见 图2。单相感应电机中的所有状态通常用以其相邻的这些基本开关状态中的两个合成的方 式组成，形成空间矢量PWM逆变器控制。但是，值得注意的是，它们形成的磁链轨迹是 椭圆的，性能不是很好。总体来说，这种空间矢量逆变器的原理是，同一直流电压经过分 配网络，以PWM方式，分别输出幅值相同而相位正交的电压，产生不对称的磁链轨迹。

发明内容

本发明目的是为了解决现有单相感应电机进行PWM调制方式，形成的磁链轨迹是椭 圆形，导致电机性能不好的问题，提供了一种单相感应电机的独立电源式空间矢量逆变电 路调制方法。

本发明所述单相感应电机的独立电源式空间矢量逆变电路调制方法，该调制方法使用 的逆变电路包括第一直流电源U1、第二直流电源U2、第三直流电源U3、第四直流电源 U4、第一功率开关管S1、第二功率开关管S2、第三功率开关管S3和第四功率开关管S4，

第一直流电源U1和第一功率开关管S1串联后并联在单相感应电机主线圈L_Q的两 端；

第二直流电源U2和第二功率开关管S2串联后并联在单相感应电机主线圈L_Q的两 端；

第三直流电源U3和第三功率开关管S3串联后并联在单相感应电机辅助线圈L_D的两 端；

第四直流电源U4和第四功率开关管S4串联后并联在单相感应电机辅助线圈L_D的两 端；

第一直流电源U1的负极、第四直流电源U4的负极、第二直流电源U2的正极、第 三直流电源U3的正极同时与主线圈L_Q和辅助线圈L_D的公共点相连，该公共点作为电源 地；

$U1=-U2,U3=-U4,\frac{\left|U1\right|}{\left|U4\right|}=\frac{L_{\mathrm{LQ}}}{L_{\mathrm{LD}}},$|U1|为第一直流电源U1输出的电压幅值； |U4|为第四直流电源U4输出的电压幅值，L_LQ为主线圈L_Q的电感量；L_LD为辅助线圈L_D的电感量；

第一直流电源U1和第四直流电源U4的相位相同；第二直流电源U2和第三直流电 源U3的相位相同，且第一直流电源U1和第二直流电源U2的相位正交；

用型号为C8051F020的单片机控制第一功率开关管S1、第二功率开关管S2、第三功 率开关管S3和第四功率开关管S4的栅极驱动信号，来实现调制，所述调制方法包括以 下步骤：

步骤一、初始化设置：

设置电机转动周期值的TST数组：根据设定的速度给定值转换来获取；

设置开关数组DS：每个功率开关管的开关函数为S_i，i＝1，2，3，4，功率开关管导通， 记S_i＝1，否则记S_i＝0，四个功率开关管的开关状态构成开关数组DS＝[S₁S₂S₃S₄]，

四个功率开关管共有4种开关状态，对应的电压矢量共有4个，

设置组成一个控制周期的所有作用矢量数目为N，所述作用矢量取自4个电压矢量；

步骤二、单片机读取速度给定值，根据所述TST数组获取旋转磁场的周期T；

步骤三、根据公式确定每个象限作用矢量的数量N1；

步骤四、根据步骤二获取的周期T和步骤三获取的每个象限作用矢量的数量N1，生 成用于四个功率开关管栅极的驱动信号，所述驱动信号包括每个象限作用矢量、作用矢量 发送顺序和每个作用矢量的作用时间；实现调制。

该方法还可以进一步包括以下步骤：

步骤五、判断单片机的P1.0读入的数值是否为0，

如果是0，则表明单片机接到的是正转指令，执行步骤六；如果为1，则表明单片机 接到的是反转指令，执行步骤七；

步骤六、按正转指令所要求的作用矢量发送顺序，把一个周期T内所有的作用矢量 的数字控制信号通过单片机的P0.0、P0.2、P0.1和P0.3依次发送给四个功率开关管的栅 极；

步骤七、按反转指令所要求的作用矢量发送顺序，把一个周期T内所有的作用矢量 的数字控制信号通过单片机的P0.0、P0.3、P0.1和P0.2依次发送给四个功率开关管的栅 极。

本发明的优点：

1、单独产生，避免了分配网络切换的换相相互影响。

2、按主线圈L_Q和辅助线圈L_D参数情况分别加电压，能保证两个绕组电流的一致， 进而使两个绕组产生的磁动势幅值一样。

3、所产生的基本空间矢量有公共参考点。

附图说明

图1是控制单相感应电机的传统逆变电路图；

图2是单相感应电机的传统控制方式下产生的空间矢量及磁链轨迹图；

图3是本发明所述单相感应电机的独立电源式空间矢量逆变电路图；

图4是本发明所述单相感应电机的独立电源式空间矢量逆变电路的控制电路图；

图5是空间电压分布图，为|U1|大于|U2|的情况；

图6是空间电压分布图，为|U1|小于|U2|的情况；

图7是本发明所述单相感应电机的独立电源式空间矢量逆变电路调制方法流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图3至图7说明本实施方式，本实施方式所述单相感应电 机的独立电源式空间矢量逆变电路调制方法，该调制方法使用的逆变电路包括第一直流电 源U1、第二直流电源U2、第三直流电源U3、第四直流电源U4、第一功率开关管S1、 第二功率开关管S2、第三功率开关管S3和第四功率开关管S4，

第一直流电源U1和第一功率开关管S1串联后并联在单相感应电机主线圈L_Q的两 端；

第二直流电源U2和第二功率开关管S2串联后并联在单相感应电机主线圈L_Q的两 端；

第三直流电源U3和第三功率开关管S3串联后并联在单相感应电机辅助线圈L_D的两 端；

第四直流电源U4和第四功率开关管S4串联后并联在单相感应电机辅助线圈L_D的两 端；

第一直流电源U1的负极、第四直流电源U4的负极、第二直流电源U2的正极、第 三直流电源U3的正极同时与主线圈L_Q和辅助线圈L_D的公共点相连，该公共点作为电源 地；

$U1=-U2,U3=-U4,\frac{\left|U1\right|}{\left|U4\right|}=\frac{L_{\mathrm{LQ}}}{L_{\mathrm{LD}}},$|U1|为第一直流电源U1输出的电压幅值； |U4|为第四直流电源U4输出的电压幅值，L_LQ为主线圈L_Q的电感量；L_LD为辅助线圈L_D的电感量；

第一直流电源U1和第四直流电源U4的相位相同；第二直流电源U2和第三直流电 源U3的相位相同，且第一直流电源U1和第二直流电源U2的相位正交；

用型号为C8051F020的单片机控制第一功率开关管S1、第二功率开关管S2、第三功 率开关管S3和第四功率开关管S4的栅极驱动信号，来实现调制，所述调制方法包括以 下步骤：

步骤一、初始化设置：

设置电机转动周期值的TST数组：根据设定的速度给定值转换来获取；

设置开关数组DS：每个功率开关管的开关函数为S_i，i＝1，2，3，4，功率开关管导通， 记S_i＝1，否则记S_i＝0，四个功率开关管的开关状态构成开关数组DS＝[S₁S₂S₃S₄]，

四个功率开关管共有4种开关状态，对应的电压矢量共有4个，

设置组成一个控制周期的所有作用矢量数目为N，所述作用矢量取自4个电压矢量；

步骤二、单片机读取速度给定值，根据所述TST数组获取旋转磁场的周期T；

步骤三、根据公式确定每个象限作用矢量的数量N1；

步骤四、根据步骤二获取的周期T和步骤三获取的每个象限作用矢量的数量N1，生 成用于四个功率开关管栅极的驱动信号，所述驱动信号包括每个象限作用矢量、作用矢量 发送顺序和每个作用矢量的作用时间；实现调制。

该方法还可以进一步包括以下步骤：

步骤五、判断单片机的P1.0读入的数值是否为0，

如果是0，则表明单片机接到的是正转指令，执行步骤六；如果为1，则表明单片机 接到的是反转指令，执行步骤七；

步骤六、按正转指令所要求的作用矢量发送顺序，把一个周期T内所有的作用矢量 的数字控制信号通过单片机的P0.0、P0.2、P0.1和P0.3依次发送给四个功率开关管的栅 极；

步骤七、按反转指令所要求的作用矢量发送顺序，把一个周期T内所有的作用矢量 的数字控制信号通过单片机的P0.0、P0.3、P0.1和P0.2依次发送给四个功率开关管的栅 极。

四个功率开关管共有4种开关状态，由单片机的P0.0、P0.1、P0.2和P0.3输出驱动 信号给S1、S2、S3、S4来实现，在某一开关状态下，只有一个开关管导通，其余三个开 关管都关闭。

单片机C8051F020的通过A/D转换器AIN0端子读入转速给定值。

本发明提出一种新的逆变电路，硬件电路示意图见图3。用四个独立电源以两个一组 的方式分别给单相异步电机的两个绕组供电，这四个电源分别用IGBT加以控制。连到L_Q绕组的两个电源的电压幅值相等，都为|U1|，但方向相反。连到L_D绕组的两个电源的电压 幅值相等，都为|U2|，但方向相反。在主线圈L_Q和辅助线圈L_D参数不相等时，分别连接 到两个绕组的电源的电压幅值与两个绕组的电感量成正比，如L_Q大于L_D，则|U1|大于 |U2|，且L_Q/L_D＝|U1|/|U2|；，如L_Q小于L_D，则|U1|小于|U2|，且L_Q/L_D＝|U1|/|U2|；且 分别连接到两个绕组的电源的电压的相位正交。这样，可以通过控制S1、S2、S3、S4的 分别导通，而对单相异步电动机的绕组分别加上一个电压，最后会形成如图5或图6所示 的空间电压形式。图5是|U1|大于|U2|的情况；图6是|U1|小于|U2|小于的情况。由图5 和图6可知，这就是用于电机驱动控制的电压空间矢量方式，形成逆变控制，使电动机上 实际产生的磁链是圆形的。以图5为例，如使各个IGBT的循环导通顺序为S1、S3、S2、 S4，则会使磁链轨迹顺时针旋转(正转)，使电动机向一个方向转动；而如使各个IGBT 的循环导通顺序为S1、S4、S2、S3，则会使磁链轨迹逆时针旋转(反转)，使电动机向另 一个方向转动。改变四个开关的循环导通的周期，就能改变磁链轨迹旋转周期，就能改变 电动机的转速。

据此，可以得到控制这个逆变器工作的单片机的软件流程图见图7。