用于单相异步电动机的可逆双电源空间矢量逆变电路及控制方法

摘要

用于单相异步电动机的可逆双电源空间矢量逆变电路及控制方法，属于电力电子应用技术领域，本发明为解决单相感应电机采用的逆变电源导致电机存在速度波动的问题。本发明包括直流电源DC1、DC2；和八个开关管，S1、S2、S5和S6为NMOS晶体管；S3、S4、S7和S8为PMOS晶体管；DC1的正极同时连接S1、S2源极；DC1的负极同时连接S3、S4源极；DC2的正极同时连接S5、S6源极；DC2的负极同时连接S7、S8源极；S1、S3漏极的公共节点连接主线圈LQ的一端；S6、S8漏极的公共节点连接辅助线圈LD的一端；S2、S4、S5和S7漏极的公共节点连接主线圈LQ与辅助线圈LD的公共连接点。

说明书

技术领域

本发明涉及用于单相异步电动机的可逆双电源空间矢量逆变电路，属于电力电子应用技术领域。

背景技术

单相异步电机的两组定子线圈（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。图1是单相异步电机的模型示意图，其中转子绕组用α和β表示。ω为转子角速度。θ为空间位移变量。

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。但是，单相感应电机的两个绕组都是不对称的，也就是不相等，这就会使单相感应电机的定子旋转磁动势的轨迹不是圆形的，而是椭圆形的，其结果是单相感应电机在运行时转一圈中的速度不相等，也就是单相感应电机运行时会有速度波动。

发明内容

本发明目的是为了解决单相感应电机采用的逆变电源导致电机存在速度波动的问题，提供了一种用于单相异步电动机的可逆双电源空间矢量逆变电路及控制方法。

本发明所述用于单相异步电动机的可逆双电源空间矢量逆变电路，它包括第一直流电源DC1、第二直流电源DC2、第一开关管S₁、第二开关管S₂、第三开关管S₃、第四开关管S₄、第五开关管S₅、第六开关管S₆、第七开关管S₇和第八开关管S₈，

第一开关管S₁、第二开关管S₂、第五开关管S₅和第六开关管S₆为NMOS晶体管；

第三开关管S₃、第四开关管S₄、第七开关管S₇和第八开关管S₈为PMOS晶体管；

第一直流电源DC1的正极同时连接第一开关管S₁源极和第二开关管S₂源极；

第一直流电源DC1的负极同时连接第三开关管S₃源极和第四开关管S₄源极；

第二直流电源DC2的正极同时连接第五开关管S₅源极和第六开关管S₆源极；

第二直流电源DC2的负极同时连接第七开关管S₇源极和第八开关管S₈源极；

第一开关管S₁漏极和第三开关管S₃漏极的公共节点连接单相异步电机主线圈L_Q的一端；

第六开关管S₆漏极和第八开关管S₈漏极的公共节点连接单相异步电机辅助线圈L_D的一端；

第二开关管S₂漏极、第四开关管S₄漏极、第五开关管S₅漏极和第七开关管S₇漏极的公共节点连接主线圈L_Q与辅助线圈L_D的公共连接点。

第一直流电源DC1两端的电压为U1，第二直流电源DC2两端的电压为U2，U1和U2的相位正交；

主线圈L_Q的电感量为L₁，辅助线圈L_D的电感量为L₂，且满足关系式L₁/L₂=|U1|/|U2|。

基于所述用于单相异步电动机的可逆双电源空间矢量逆变电路的控制方法，该方法涉及的控制电路包括单片机、第一光电耦合器O1、第二光电耦合器O2、第三光电耦合器O3、第四光电耦合器O4、第五光电耦合器O5、第六光电耦合器O6、第七光电耦合器O7和第八光电耦合器O8，

单片机P2.0通过第一光电耦合器O1输出第一开关管S₁栅极的驱动信号；

单片机P2.1通过第二光电耦合器O2输出第二开关管S₂栅极的驱动信号；

单片机P2.2通过第三光电耦合器O3输出第三开关管S₃栅极的驱动信号；

单片机P2.3通过第四光电耦合器O4输出第四开关管S₄栅极的驱动信号；

单片机P2.4通过第五光电耦合器O5输出第五开关管S₅栅极的驱动信号；

单片机P2.5通过第六光电耦合器O6输出第六开关管S₆栅极的驱动信号；

单片机P2.6通过第七光电耦合器O7输出第七开关管S₇栅极的驱动信号；

单片机P2.7通过第八光电耦合器O8输出第八开关管S₈栅极的驱动信号；

单片机P3.0读入转动方向标志位F，F=1表示单相异步电动机顺时针转动，F=0表示单相异步电动机逆时针转动；

单片机AIN0.0口读入速度给定值SF；

所述控制方法包括以下步骤：

步骤一、单片机P3.0读入转动方向标志位F，单片机AIN0.0口读入速度给定值SF；

若F=1，执行步骤二；若F=0，执行步骤三；

步骤二、控制单相异步电动机顺时针转动，四个基本空间电压矢量V1～V4按V1→V2→V3→V4→V1的顺序加载，四个基本空间电压矢量加载的周期

其中：VF表示满量程电压，SFF表示满量程速度；

V1=U1，V2=U2，V3=-U1，V4=-U2；

步骤三、控制单相异步电动机逆时针转动，四个基本空间电压矢量V1～V4按V1→V4→V3→V2→V1的顺序加载，四个基本空间电压矢量加载的周期

本发明的优点：

1、使用的电源数量相对较少。

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。

4、使用光电耦合器进行驱动控制，能够抗干扰和隔离。

附图说明

图1是背景技术中单相感应电机绕组结构示意图；

图2是本发明所述用于单相异步电动机的可逆双电源空间矢量逆变电路图；

图3是四个基本空间电压矢量的空间分布图；

图4是本发明所述用于单相异步电动机的可逆双电源空间矢量逆变电路的控制电路图；

图5是总体流程图；

图6是速度控制子流程图；

图7是电动机转动方向控制子流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式所述用于单相异步电动机的可逆双电源空间矢量逆变电路，它包括第一直流电源DC1、第二直流电源DC2、第一开关管S₁、第二开关管S₂、第三开关管S₃、第四开关管S₄、第五开关管S₅、第六开关管S₆、第七开关管S₇和第八开关管S₈，

第一开关管S₁、第二开关管S₂、第五开关管S₅和第六开关管S₆为NMOS晶体管；

第三开关管S₃、第四开关管S₄、第七开关管S₇和第八开关管S₈为PMOS晶体管；

第一直流电源DC1的正极同时连接第一开关管S₁源极和第二开关管S₂源极；

第一直流电源DC1的负极同时连接第三开关管S₃源极和第四开关管S₄源极；

第二直流电源DC2的正极同时连接第五开关管S₅源极和第六开关管S₆源极；

第二直流电源DC2的负极同时连接第七开关管S₇源极和第八开关管S₈源极；

第一开关管S₁漏极和第三开关管S₃漏极的公共节点连接单相异步电机主线圈L_Q的一端；

第六开关管S₆漏极和第八开关管S₈漏极的公共节点连接单相异步电机辅助线圈L_D的一端；

第二开关管S₂漏极、第四开关管S₄漏极、第五开关管S₅漏极和第七开关管S₇漏极的公共节点连接主线圈L_Q与辅助线圈L_D的公共连接点。

第一直流电源DC1两端的电压为U1，第二直流电源DC2两端的电压为U2，U1和U2的相位正交；

主线圈L_Q的电感量为L₁，辅助线圈L_D的电感量为L₂，且满足关系式L₁/L₂=|U1|/|U2|。

用两个独立电源U1和U2分别给单相异步电机的两个绕组供电，这两个电源分别用四个场效应管进行可逆控制。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L₁大于L₂，则|U1|大于|U2|，且L₁/L₂=|U1|/|U2|，如L₁小于L₂，则|U1|小于|U2|， 且L₁/L₂=|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，可以通过控制各个开关的分别导通，而对单相异步电动机的绕组分别加上一个电压，最后对单相异步电动机会形成空间电压形式控制方式，如图3所示。四个基本空间电压矢量与开关状态的对应关系参见表1。

表1

基本空间电压矢量开关状态所加电压状态V1S1和S4导通,其余开关管关断纵轴(Q轴)U1V2S5和S8导通,其余开关管关断横轴(D轴)U2V3S2和S3导通,其余开关管关断纵轴(Q轴)-U1V4S6和S7导通,其余开关管关断横轴(D轴)-U2

通过控制四个基本空间电压矢量来控制单相异步电动机转动方向，通过控制开关而使V1、V2、V3、V4这样加到单相异步电动机，则会使磁链轨迹顺时针旋转，使电动机顺时针转动；而通过控制开关而使V1、V4、V3、V2这样加到单相异步电动机，则会使磁链轨迹逆时针旋转，使电动机逆时针转动。改变四个基本空间电压矢量循环导通的周期，就能改变磁链轨迹旋转周期，就能改变电动机的转速。

具体实施方式二：下面结合图2至图7说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，基于权利要求1所述用于单相异步电动机的可逆双电源空间矢量逆变电路的控制方法，该方法涉及的控制电路如图2所示，它包括单片机、第一光电耦合器O1、第二光电耦合器O2、第三光电耦合器O3、第四光电耦合器O4、第五光电耦合器O5、第六光电耦合器O6、第七光电耦合器O7和第八光电耦合器O8，

单片机P2.0通过第一光电耦合器O1输出第一开关管S₁栅极的驱动信号；

单片机P2.1通过第二光电耦合器O2输出第二开关管S₂栅极的驱动信号；

单片机P2.2通过第三光电耦合器O3输出第三开关管S₃栅极的驱动信号；

单片机P2.3通过第四光电耦合器O4输出第四开关管S₄栅极的驱动信号；

单片机P2.4通过第五光电耦合器O5输出第五开关管S₅栅极的驱动信号；

单片机P2.5通过第六光电耦合器O6输出第六开关管S₆栅极的驱动信号；

单片机P2.6通过第七光电耦合器O7输出第七开关管S₇栅极的驱动信号；

单片机P2.7通过第八光电耦合器O8输出第八开关管S₈栅极的驱动信号；

单片机P3.0读入转动方向标志位F，F=1表示单相异步电动机顺时针转动，F=0表示单相异步电动机逆时针转动；

单片机AIN0.0口读入速度给定值SF；

所述控制方法包括以下步骤：

步骤一、单片机P3.0读入转动方向标志位F，单片机AIN0.0口读入速度给定值SF；

若F=1，执行步骤二；若F=0，执行步骤三；

步骤二、控制单相异步电动机顺时针转动，四个基本空间电压矢量V1～V4按V1→V2→V3→V4→V1的顺序加载，四个基本空间电压矢量加载的周期

其中：VF表示满量程电压，SFF表示满量程速度；

V1=U1，V2=U2，V3=-U1，V4=-U2；如图3所示

步骤三、控制单相异步电动机逆时针转动，四个基本空间电压矢量V1～V4按V1→V4→V3→V2→V1的顺序加载，四个基本空间电压矢量加载的周期

单片机选择型号为C8051F040的单片机。

步骤二中控制单相异步电动机顺时针转动的过程为：

步骤二一、第一开关管S₁和第四开关管S₄导通，其它开关管关断，并延时TC时间；

其中：TC为单个基本空间电压矢量持续时间，且TC=T/4；

步骤二二、第五开关管S₅和第八开关管S₈导通，其它开关管关断，并延时TC时间；

步骤二三、第二开关管S₂和第三开关管S₃导通，其它开关管关断，并延时TC时间；

步骤二四、第六开关管S₆和第七开关管S₇导通，其它开关管关断，并延时TC时间；然后返回执行步骤二一。

步骤三中控制单相异步电动机逆时针转动的过程为：

步骤三一、第一开关管S₁和第四开关管S₄导通，其它开关管关断，并延时TC时间；

其中：TC为单个基本空间电压矢量持续时间，且TC=T/4；

步骤三二、第六开关管S₆和第七开关管S₇导通，导通，其它开关管关断，并延时TC时间；

步骤三三、第二开关管S₂和第三开关管S₃导通，其它开关管关断，并延时TC时间；

步骤三四、第五开关管S₅和第八开关管S₈其它开关管关断，并延时TC时间；然后返回执行步骤三一。

本实施方式中，给出了单相异步电动机的可逆双电源空间矢量逆变电路的控制电路，如图4所示，图4是图3的控制电路，输出驱动信号给八个开关管的栅极。

图5则是该控制方法的总体流程图，图6是速度控制子流程图；图7是电动机转动方向控制子流程图。

通过加载基本空间电压矢量的顺序不同来决定电动机的转动方向，通过四个基本空间电压矢量循环导通的周期不同，来改变改变磁链轨迹旋转周期，进而改变了电动机的转速。