一般大众每天所使用的许多用具和设备，其实都装有单相感应电动机。在多数电动机控制运用上，最希望能有单相感应电动机的速度控制功能，除了能提供不同的速度，还可以降低能量消耗与噪音。

单相电动机大部分是单向性的，也就是在设计上只朝一个方向旋转。要改变旋转方向，便得藉由增加额外线圈、外接中继器与开关，不然就是要增加齿轮机件。而运用微控制器的控制系统，可增加系统的速度变化。除了可选择速度变化，还可改变旋转方向，依据的是所使用的电动机控制的演算法则。

固定串联电容（PSC）电动机是最受欢迎的单相感应电动机。本文将详细讨论用以控制PSC单相感应电动机的传动拓朴。同时用以除错和诊断错误的微控制器也会讨论。

介绍与分类

单相感应电动机被广泛使用是因为它们可在标准的单向AC电源供应器上操作，并可随时插在墙上的电源插座上。不过，它们并非自行启动。依据使用的启动机制，单相感应电动机可分成四个主要类别。 (表一)显示电动机型式以及其构造上的特性。

在(图一)中显示每一种单相感应电动机型式的速度对力矩特性图。电容启动和分相电动机型式在大约比率速度80％的位置有一急遽的力矩差异。在这两种电动机型式中并不建议使用一个可变速度传动器，因为当速度改变时，离心开关会将启动线圈开启和关闭。

《图一 单相感应电动机的速度－力矩特性》

可变频率（VF）控制理论

感应电动机依据感应原理来运作，而非传导。依交流电供应器连接到定子的气隙中产生一个磁场，这会扫过连接转子并引发出一电流，然后在转子中产生一磁场。转子磁场会与气隙中产生的不同磁场相反，依据楞次定律（Lenze's Law），会导致转子旋转的结果，转子速度会由三个因素所控制：供应频率、定子极的数量和滑动速度（或滑动频率）。而滑动频率就是在定子频率和感应电动机频率间的差异：

《公式一》

使用在钉子上的电压会与定子流量和角速度的成积成正比,这使得会与定子流量会与使用电压和供应频率的比率成正比。

如(公式一)所示，当供应频率降低时，定子线圈相对应的阻抗也会降低，这是由于定子的感应本性。这会导致由电源供应器上拉走一个较高的主动电流。若频率降低超过一特定界线，则磁性线路可能会达到饱和程度。为保持磁性流量固定，供应电压应与频率采相同的比率来减低。所以，藉由不同的供应电压和频率再相同比率，感应电动机速度会有所不同，这个关系显示在(公式二)中：

《公式二》

在(图二)中显示电压和力矩对频率之间的关系。可藉由增加频率超过比率值以驱动电动机超过额定速度。不过，使用的电压不能增加超越额定电压。因此，只有频率需要增加。这会减弱可用磁场及可用力矩。在超过基础速度时，力矩控管因素会变得复杂，因为摩擦和风力影响损失会在较高速度时明显增加，而其结果就是力矩曲线变得非线性并与速度或频率有关。

《图二 修正的速度-力矩特性》

控制拓朴

对于单向速度改变有许多的应用，像是在HVAC或冰箱中的压缩机控制器。不过，在像是车库门开关/大门开关，电动工具等的应用中，是需要双方向性的速度改变。在下列章节中将会看到不同的拓朴以在具有VF控制中以单一和两个方向来驱动一个PSC电动机。

硬体建构区块

硬体建构区块可大概区分为三个区域：输入转换器、输出转换器和控制诊断。 (图三)显示在这些建构区块之间相互连接的一个区块图代表。

输入转换器区域

这个区域的主要元件是一个输入整流桥接器，将来自墙壁上电源插座的AC电压转换成DC电压。可能会增加一个EMI控制区块，主要是根据应用而言，正常情形下，一个NTC电阻是用来保护侵入电流，而一个线压电阻（MOV）则用来抑制高压毛刺。而在二极体桥接器的输出侧，可使用一电容库来抑制DC涟波。

输出反相器区域

输出区域具有一个电压来源转换器。这包含了每一相位上的两个电源开关，并且在每个开关间具有飞轮二极体来连接，电动机线圈连接到开关的中央。来自「输入转换器区块」的DC电压会使用这个输出转换器来同步，以获得一个不同的电压和频率电源供应器到控制电动机上。

控制与诊断区域

一个微控制器（如PIC微控制器），或是一个数位信号控制器（如dsPIC DSC）是系统的大脑。通常，用于电动机控制应用的控制器具有像电动机控制PWM，高速类比到数位转换器（ADC）和诊断插脚的特殊周边。 Microchip的PIC18F243/和dsPIC30F2010都具有这些内建功能，并降低成本，占有电路板空间和元件数。

《图三 硬件方块图》 - BigPic:558x325

微控制器介面

如果可以存取到微控制器的特殊、晶片内建周边中便可让控制运算法则的执行更容易。 (图四)显示PIC18F2431或dsPIC30F2010的一个硬体介面范例。 APC通道用来量测电动机电流、电动机温度和热下沉温度（连接到电源开关）。第三个ADC通道可在最终应用上用来读取不同的侦测器，像是邻近开关、温度侦测器、水位与冷冻温度等。

《图四 微控制器接口范例》

在一项应用中通用目的输入和输出（I/O）可用来作为介面开关和显示之用。例如，在冰箱应用中，这些通用目的I/O可用以控制一个LCD显示器、7个区段的LCD显示器，或按钮介面等。而像是I2C或SPI的通信通则便可用来连接具有另一个电路板的电动机控制电路板以交换资料。

错误和诊断介面包括具有像是在系统中有激变错误时能关闭PWM能力之特殊功能。举例而言，在一部洗碗机中，若驱动器因为累积废弃物而堵塞，便可避免电动机继续旋转，这个堵塞可以在电动机控制系统中以电流过大的型式侦测到。使用诊断功能，这些型式的错误都可被记录和/或显示，或是转送到PC故障排除的服务人员。通常，这会避免严重故障并减少产品的停机时间，同时具有降低成本的结果。

PWM是用来控制电动机的主要周边装备。使用上述输入，微控制器的电动机控制法则会决定PWM的工作周期与输出样式。 PWM最价质的功能包括了具有可程式化的互补通道。 PWM可以用边缘或中间对正。中间对正的PWM具有降低由产品所产生电磁噪讯（EMI）的优点。

单向控制

VF控制在单一方向上让驱动拓朴和控制运算法则十分容易。它的工作是由一固定电压和频率电源供应（像是一个墙壁上的电源插座）上产生一可变电压与频率电源供应。 (图五)显示代表这个驱动拓朴的方块图，并具有稍早所讨论的三个基本建构区域。电动机线圈会连接到输出反相器区域每一半桥接器的中央位置上。

《图五 控制区域方块图》

在(图五)中显示的PIC82431MCU具有一个电源控制PWM（PCPWM）模组，它最高可输出三对PWM，并且在每一对之间具有无感带。无感带是一个电动机控制应用上的基本，以避免透过电源开关产生的PC汇流排交叉传导，而一个ON时另一个会OFF。诊断线路可能包括电动机电流监控、PC汇流排电压监控，以及连接到电源开关和电动机上热下沉的温度监控。

如图五所示，电动机连接到反相器时，PSC电动机的速度可在一个方向上来控制。在这个例子中，主要和启动线圈都会连接在一起，启动线圈具有一电容以串联方式连接，在这个构造下，电动机可能具有内部相互连接而且只有两条突出线路（M1或M2），如图五所示。

控制演算法

由DC汇流排产生一个可变电压，可变频率的一种电源供应需要使用PWM，来同步DC汇流排。为了产生一个正弦曲线（或其他）波形，会在程式记忆体中输入一表格，来对应所需的精确控制。在下列的例子中，会以每10个电子度数来输入一表格，由于正弦波信号在本质上对称的，所以对于正弦波的一半是由Sine(270°)到Sine(90°)的值来输入。而另一半则可藉由结束到开始来存取相同表格以获得。

PWM工作周期的计算是由一个表格值和所需电动机频率的组合而成。一时计器用以标记PWM工作周期的改变。时计器计数会决定表格存取时间和电动机频率。当时计器趋近时，来自表格的一个新值会被取代而且表格指标会增加。当抵达表格尾部，指标会由尾端移到开始点以开启正弦波的90度到270度。其结果如(图六)所示。

《图六 正弦波表格（Sine Table）方式。（图中以10为间隔单位）》

双向控制

大多数的PSC电动机设计上只在单一方向运转。不过，许多应用都需要双方向性电动机旋转。传统上，齿轮机键或外部中继器及开关都是用来达到双方向旋转。当使用机械齿轮时，电动机轴承会在单一方向运转，而齿轮会依据所需方向前或倒转结合与分离，使用中继器和开关、启动线圈的极性会依所需方向作电子式反转。

很不幸地，所有这些元件在两个方向的ON和OFF基本控制上增加系统不少成本。

在本章节中，将会讨论使用一微控制器为基础的传动来控制PSC电动机双向速度的不同方式。在这里所讨论的传动拓朴会产生有效电压，并在90度相位彼此改变下驱动主线圈和启动线圈。这可让系统设计者来移除电容，它会以串联方式连接启动线圈，并永不与线路连结以减低整体系统成本。

使用一个 H-Bridge 反相器

一开始的方式非常直接，只要是电源和控制线路连接时，在输入端，会使用一个电压加倍器；而在输出端则是使用一个H-bridge或两个相位反相器，如(图七)。在主要和启动线圈的尾端会连接到每一个半桥接器上；而另一端则与AC电源供应的中性点相连接，这也同时作为电压加倍器的中央点。

《图七 使用一个H-Bridge的双向控制》

控制线路需要四个PWM并具有两个互补的配对，以及在互补的输出之间足够的无感带。 PWM 0-PWM 1和PWM 2 –PWM 3是PWM配对并具有无感带，使用PWM，DC汇流排会同步来提供两个正弦波电压并有90度的相位差，以及不同的震幅和频率，这是依据稍早因单向控制中所讨论的VF资料而定。若用在主线圈的电压比启动线圈延迟90度，则电动机以向前方向运转，要逆转旋转方向，则提供给主线圈的电压应优先施加于启动线圈上的电压。(图八)(a)和(图八)(ab)分别显示主要与启动线圈向前与反转的情形。

《图八 图左和图右分别代表电动机在向前及后退方向运转时的相位电压.》

这种以H-bridge反相器来控制一个PSC型式电动机的方式尚有缺点。主要缺点就是主要和启动线圈具有不同的电子特性。因此，流经每个开关的电流会不平衡。这可能导致在反相器中的开关装置的过早损坏。此外，线圈的共通点是直接到中性电源供应上。这可能增加开关信号渐渐进入主电源供应器中，而增加在线路中的噪音。接着，这也会限制产品的EMI程度，而违反了特定的设计目标与规定。有效的DC电压处理是非常地高，这是因为输入电压加倍器线路的原因。而且，电压加倍器线路本身成本也高，因为有两个较大的电源电容，至于使用一个三向反相接器的解决方案，则会在下文中讨论，并减少这些问题。

使用一个三相反相桥接器

输入区域会用一个标准的二极体桥接整流器所取代。输出区域具有一个三向反相桥接器。它与前一个架构上的主要差异是用来连接电动机线圈到反相器上方式，主要和启动线圈的一端会连接到每一个桥接器的一半上。另一端则接在一起并连接到第三个半桥接器上，如(图九)所示。

《图九 使用三相反相网桥来控制 PSC 电动机》

藉由这个驱动拓朴，控制上变得更多效率。不过，控制演算变得更复杂，线圈电压Va，Vb和Vc应被控制来在主要和启动线圈之间的有效电压上达成相位的差异，以能够具有每一个之间的90度相位差。

控制理论

在一个PSC电动机中，主要线圈设计上是处理大多数的负载电流，而剩下的电流则流经器动线圈。因此，启动线圈与主线圈相比较具有不同的电子特性。为了产生由启动线圈靠近主线圈所制造出的MMF，器动线圈必须有额外的圈数，更高的阻抗，并减低电流流过，因此，电动机线圈不对称的。

启动线圈对主要线圈的圈数比是由(公式三)所定义。

《公式三》

为了在所有装置上有相等的电压压，就要改善装置的运用并提供最大可能输出电压来供一特定DC汇流排电压使用，所有三个反相器一相位电压会保持相同的振幅，如(公式四)所示。

《公式四》

主要线圈与启动线圈之间的有效电压是公式五所获得。

《公式五》

电压会显示在如(图十)所示的相位图中。

《图十 电压相位图》

如图十所示，在相位A和相位B之间的电压是异相。而在相位A和相位C之间的相位差是θ角度，藉由使用基本三角函数，θ可由(公式六)求得：

《公式六》

藉由套用毕氏定理,电压向量V1可由所提供的(公式七)计算而得:

《公式七》

对特定电动机而言，圈数比会维持为常数，因此，α可被计算作为一个编辑时间选择，以这种方式，θ和V1可在一特定电动机上市先计算出来，这可简化运转时间计算，依据相位角、相位电压Va、Vb和Vc可如(公式八)所示计算出来。

《公式八》

藉由在Vb计算中增加θ便可轻易地控制旋转的方向,而非扣除。

在(图十一)(a)中显示相位电压Va、Vb和Vc，而图十一(b)则显示在主要线圈（Vmain）和启动线圈（Vstart）之间的有效电压。图十一(b)显示在电压之间的有效相位差是90度，以及有效电压比是α。

《图十一 相位电压与相位角关系图》

另一个使用三相控制方式的优点就是相同的驱动拓朴可用来控制一个三相感应电动机。在这个场景中，微控制器应事先程式化以输出具有彼此间120度相位差的正弦波电压，以驱动一个三相感应电动机，这可缩短产品研发与上市时间。

结语

单相感应电动机在装置和商业及消费者应用上非常受欢迎，而PSC是单相感应电动机中最受欢迎的形式。控制电动机速度有许多优点，像是电源效率，降低音响噪音和在应用上较佳的控制，在本文中，讨论不同的速度控制方式可用在具有单像和双向的PSC电动机上。使用一个三相反相器拓朴来控制PSC电动机可提供在所讨论三种方式中最佳的结果。

---作者为Microchip Technology资深应用工程师---