專利名稱：低諧波交流電機控制器和控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種交流電機控制裝置和方法，特別是涉及一種用于電動工具中的低諧波交流電機功率控制器和控制方法。
背景技術(shù)：
目前常用的電機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，便可以對電機的交流電壓進行調(diào)節(jié)。在電源L端為正的半周內(nèi)，在控制角α的時刻觸發(fā)雙向可控硅T1正向?qū)?，電源電壓過零時雙向可控硅T1自行關(guān)斷；同理在下半周時電源L端為負，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M上得到與上半周對稱的缺角正弦波，電源電壓過零時雙向可控硅T1自行關(guān)斷。這樣在一個周期內(nèi)，雙向可控硅T1在正、負半周各被觸發(fā)導(dǎo)通一次，在電機上得到如圖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，輸出電壓值便由交流電源電壓Uo下降至零。加在電機上的交流電壓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現(xiàn)的電機功率控制，由于輸出的交流電壓在正、負半周完全對稱，用傅立葉級數(shù)對其展開，諧波成份主要表現(xiàn)為奇次波，在電機功率小于一定功率時，諧波值能達到EMC標(biāo)準(zhǔn)要求。但當(dāng)電機功率大于一定功率后，通過測試發(fā)現(xiàn)控制角α較小時，諧波值還能達到EMC標(biāo)準(zhǔn)要求，α增大時諧波值明顯加大，當(dāng)α達到90°時諧波值最大，嚴(yán)重超出EMC標(biāo)準(zhǔn)要求。
針對上述情況有人提出了一種對相鄰二個正弦波的導(dǎo)通角進行互補控制，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，對加在交流電機兩端的交流電壓以720°為一個控制周期，對前兩個180°半周和后兩個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)用傅立葉級數(shù)對上式展開，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度使其符合EMC標(biāo)準(zhǔn)要求，并使電機的輸出功率基本連續(xù)可調(diào)。該控制方法的優(yōu)點是不用改動電機結(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。這種交流電機的控制方法在歐洲已有一家德國公司申請了專利，其專利號為EP0859452A1。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對上述現(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)，對大功率電機(如最高2000W)穩(wěn)定地控制電機功率輸出。
可通過以下技術(shù)方案達到一種低諧波交流電機控制器，包括單片微處理機MCU、過零檢測電路、控制輸入電路、可控硅驅(qū)動電路、雙向可控硅及電源電路，其中，過零檢測電路、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)動電路、雙向可控硅；可控硅驅(qū)動電路包括電阻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；過零檢測電路包括二極管1V1、1V2和電阻1R3，其中二極管1V1的陽極、二極管1V2的陰極、電阻1R3的一端相聯(lián)后接單片微處理機MCU的一輸入口，二極管1V1的陰極接+5V電壓，二極管1V2的陽極接直流地，電阻1R3的另一端接交流地。
一種低諧波交流電機控制方法，用過零觸發(fā)的方法通過改變在設(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，可取四到六個周波時間為設(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控制方法包含以下步驟單片微處理機MCU初始化后讀取設(shè)定輸出功率；根據(jù)輸出功率設(shè)定值進行輸出功率控制運算；當(dāng)過零檢測電路檢測到交流過零信號后，單片微處理機MCU產(chǎn)生中斷，輸出觸發(fā)脈沖。其中輸出功率控制運算步驟，還包含以下步驟根據(jù)輸出功率設(shè)定值進行輸出功率判別；當(dāng)輸出功率小于原功率的50％時導(dǎo)通二個周波，并計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％時導(dǎo)通二個周波，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％時導(dǎo)通三個周波，并計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％時導(dǎo)通三個周波，并存貯控制數(shù)據(jù)；當(dāng)輸出功率大于原功率的75％時導(dǎo)通四個周波，并計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控制器和控制方法，用過零觸發(fā)的方法通過改變在設(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，不會產(chǎn)生高頻電磁波幅射的優(yōu)點，及移相控制電壓連續(xù)可調(diào)的長處，揚長避短，達到低諧波交流電機功率控制的目的。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(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)的電機輸出功率控制電路圖；圖7是現(xiàn)有技術(shù)的電機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。
具體實施例方式
參照附圖，將詳細敘述本發(fā)明的具體實施方案。
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，過零檢測電路、控制輸入電路分別與單片微處理機MCU相應(yīng)的輸入口相聯(lián)，可控硅驅(qū)動電路、雙向可控硅依次與MCU的一輸出口相串聯(lián)。其中過零檢測電路將交流正弦波轉(zhuǎn)換成方波信號輸入到MCU外中斷口，當(dāng)交流電壓過零時，使MCU產(chǎn)生中斷；控制輸入電路將接收到的電機輸出功率設(shè)定值傳送給MCU，控制輸入電路可接收三種輸入信號，分別是按鍵信號、紅外遙控信號和電位器設(shè)定信號；MCU中斷后，按電機輸出功率設(shè)定值的要求，通過運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)動電路，控制雙向可控硅通、斷，以達到控制電機輸出功率的目的。
如圖2所示，過零檢測電路由二極管1V1、1V2和電阻1R3組成，二極管1V1的陽極、二極管1V2的陰極、電阻1R3的一端相聯(lián)后接單片微處理機MCU的7腳，二極管(1V1)的陰極接+5V電壓，二極管(1V2)的陽極接直流地，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)定值進行輸出功率控制運算，當(dāng)過零檢測電路檢測到交流過零信號后，單片微處理機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算流程圖，程序開始后根據(jù)輸出功率設(shè)定值進行輸出功率判別；當(dāng)輸出功率小于原功率的50％時導(dǎo)通二個周波，并計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％時導(dǎo)通二個周波，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％時導(dǎo)通三個周波，并計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％時導(dǎo)通三個周波，并存貯控制數(shù)據(jù)；當(dāng)輸出功率大于原功率的75％時導(dǎo)通四個周波，并計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，通過改變在設(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)定的周期愈長則調(diào)節(jié)愈細，但設(shè)定的周期過長會引起調(diào)節(jié)靈敏度降低，因此一般取四到六個周波時間為設(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，諧波值還是能達到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，不會產(chǎn)生高頻電磁波幅射的優(yōu)點與移相控制電壓連續(xù)可調(diào)的長處，揚長避短，達到低諧波交流電機功率控制的目的。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控制器，包括單片微處理機MCU(1D1)、過零檢測電路、控制輸入電路、可控硅驅(qū)動電路、雙向可控硅及電源電路，其中，過零檢測電路、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)動電路、雙向可控硅，其特征在于所述可控硅驅(qū)動電路包括電阻(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控制器，其特征在于所述過零檢測電路包括二極管(1V1、1V2)和電阻(1R3)，其中二極管(1V1)的陽極、二極管(1V2)的陰極、電阻(1R3)的一端相聯(lián)后接單片微處理機MCU的一輸入口，二極管(1V1)的陰極接+5V電壓，二極管(1V2)的陽極接直流地，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)的方法通過改變在設(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控制方法，其特征在于可取四到六個周波時間為設(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控制方法，其特征在于包含以下步驟單片微處理機MCU初始化后讀取設(shè)定輸出功率；根據(jù)輸出功率設(shè)定值進行輸出功率控制運算；當(dāng)過零檢測電路檢測到交流過零信號后，單片微處理機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控制方法，其特征在于所述輸出功率控制運算步驟包含以下步驟根據(jù)輸出功率設(shè)定值進行輸出功率判別；當(dāng)輸出功率小于原功率的50％時導(dǎo)通二個周波，并計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％時導(dǎo)通二個周波，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％時導(dǎo)通三個周波，并計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％時導(dǎo)通三個周波，并存貯控制數(shù)據(jù)；當(dāng)輸出功率大于原功率的75％時導(dǎo)通四個周波，并計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控制器和控制方法，該控制器包括單片微處理機MCU、過零檢測電路、控制輸入電路、可控硅驅(qū)動電路、雙向可控硅及電源電路。采用過零觸發(fā)的方法通過改變在設(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)定值進行輸出功率控制運算；當(dāng)過零檢測電路檢測到交流過零信號后，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，大大減小諧波和電磁波輻射，控制大功率交流電機(如2000W)輸出基本連續(xù)可調(diào)的功率。
文檔編號H02M5/02GK1487664SQ0314210
公開日2004年4月7日 申請日期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 申請人:王躍旦