如何在车库门应用中使用单相交流感应电机和8位单片机完成低成本设计和分析

对用于开启车库门等应用的小型交流感应电机而言，使用三相逆变器电路可以极低的成本实现速度控制和软启动。这些固定分相电容式(PSC)电机在所有电机类型中可谓是最简单的，也是上述应用领域使用最广泛的电机类型。它们的启动转矩和启动电流都小，但可能会因为采用无极性电容而效率低下，这些电容往往在电机中最先损坏。

如果两个绕组之间的相位差不足，这类单相电机就无法运行，因此它们也常被称为双相电机。而在输入信号和绕组之间放置一个电容便可以产生接近90˚的相位差。

开关通常使用继电器来代替，通过交换两个相位(超前变为滞后，滞后变为超前)来实现方向控制。电容值通常由电机制造商规定，对功率低于0.75 kW也就是我们正在讨论的这种电机类型而言，电容值一般介于5至50 µF范围内。应慎重选择电容，以便修正功率因数来获取最大的功率效率。图1展示的是一个传统交流感应电机的拓扑结构。

图 1：传统交流感应电机的拓扑结构;电容提供所需相位差以产生旋转磁场。

额定电压通常很高，大约为220至450V，具体取决于输入电压。由于两端接的是交流电压，因而不允许电容有极性。如果电容出现故障，电机也会随之停止转动。因此，能否选择正确的电容也是至关重要的。

在实际情况下，电容也是具有电阻的，当RMS交流纹波电流流过时，由于电容的等效串联电阻，会产生热量。在选择固定电容时，我们应权衡静止状态的启动转矩性能和运行时的转矩波动抑制性能。由于电容的额定伏安值较高，它通常会被选择来满足最低的启动性能要求，但这也导致了运行效率低下。

对于两个绕组不同的电机，就需要给两个相位提供不同的电压。这种不对称是由于电容和电机的电感形成了谐振电路。这样就造成了其中一个绕组电压升高，导致了电流不平均。

然而，三相逆变器可以被用来代替固定电容，如图2所示。这使得我们可以通过给各个绕组施加适量的电压来调整电机的转速，从而避免有些较弱的绕组出现过载现象。

图 2：配有三个半桥的单相逆变器;6个PWM信号被用于驱动相连的鼠笼式PSC电机

若异步驱动线圈，即使没有电容电机也仍然可以旋转。这可以通过在软件中创建三个相位来实现。这些三相电压可以互为基准，由此分别在两个电机绕组上产生两个波形。只需取其中一个的相位作为基准或中性相位，即可创建两个波形。这三个相位的创建可以借助PWM技术在软件中轻松实现。

比较

我们可以进行下面这些测试将PSC运行方法和不带运行电容的逆变器方法做比较。它们是：转矩测试，描述电机变频驱动的效果;加速和速度测试，确定哪种方法可以使电机轴转动最快以及负载加速到底有多快;效率测试，比较输出功率和输入功率的实际分量并测量功率因数和其它导致低效的因素。

这三个测试涵盖了电机控制领域最广泛的设计考量。所有测试都无需使用有别于其他测试的特殊装置。针对三个独立测试所做的各个分析可以使用相同的数据子集。测试装置如图3所示。

图3：测功机上的测试装置

该测试使用0.19 kW、布线配置均衡的单相电机。两个绕组具有相同的电阻和电感。一个霍尔效应传感器被用于测量电机轴的转速。输入是单相两线制220V/60Hz电源。输出被馈送到逆变器上的两个端子。

PC接口运行Magtrol的M-Test 7软件。可编程控制器把软件中的测试设置应用到测功机上，并读取所施加的转矩。功率分析仪读取和记录所有其它读数。