專利名稱：一種單相交流電機的數字控制器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及交流電機驅動控制領域技術，尤其是指一種單相交流電機的數字控制器。
背景技術：
交流電機以其結構簡單、低成本、性能優異且高可靠性和易維護等特點，被廣泛應用在各個行業，如家用電器(洗衣機、電冰箱、電風扇)、電動工具(如手電鉆)、醫療器械、自動化儀表等。在現有技術中，常用的交流電機驅動控制器有變頻控制方式和電壓控制方式。變頻控制方式是通過調整交變電流的頻率改變電機的轉速，變頻調速容易通過改變內部逆變管的開關順序實現電動機的正、反轉，而且加、減速時間可以任意設定，故加、減速時間比較平緩，起動電流較小，可以進行較高頻率的起停，變頻調速還能制動，利用內部的制動回路，·將機械負載的能量消耗在制動電阻上。但變頻控制方式只適用于三相交流電機，不適用于對廣泛應用的單相交流電機，而且需要的成本高，低速轉軌能力弱。電壓控制方式目前主要是通過模擬電路的方式控制可控硅的的通斷來改變電機的轉速。這種控制方式簡單，但是無法自動改變正、反轉，也無法實現急轉急停功能，只能單純的控制轉速，且速度控制精度不高，功能相對單一，無法滿足客戶的各種需求，采取模擬控制方式還使得強、弱電無法隔離，容易受到干擾，元器件容易損壞。
實用新型內容有鑒于此，本實用新型針對現有技術存在之缺失，其主要目的是克服目前電壓控制方式的技術缺陷，提供一種價格更加低廉，功能上有著變頻方式的優點，調速上采用更為精確單相交流電機數字控制器，其次要目的是強電與弱電之間進行隔離的更為穩定的單相交流電機數字控制器。為實現上述目的，本實用新型采用如下之技術方案一種單相交流電機的數字控制器，包括微處理機MCU、電源電路、信息顯示電路、信息輸入電路、速度反饋電路、過零檢測電路、電機執行電路；所述的電源電路，一端連接交流電源，另一端連接微處理機MCU的電源入口，電源電路將交流電經過隔離變壓器后，再經過整流后給微處理機MCU提供所需電源；所述的過零檢測電路，一端連接交流電源，另一端連接微處理機MCU的第一外部中斷口，給微處理機MCU提供標準的零點電壓即過零信號；所述的信息輸入電路，連接微處理機MCU的信息輸入口，用于給微處理機MCU設置各種控制參數信號；所述的信息顯示電路，連接微處理機MCU的信息輸出口，用于顯示單相交流電機轉速或功能參數；所述的速度反饋電路，一端連接單相交流電機，另一端連接微處理機MCU的第二外部中斷口，速度反饋電路將檢測單相交流電機的速度交流信號轉換成方波信號實時提供給微處理機MCU ；所述的電機執行電路，一端連接單相交流電機，另一端連接微處理機MCU的第二輸出口，電機執行電路接受來自微處理機MCU的脈沖信號控制單相交流電機的轉動或制動，電機執行電路還連接交流電源；所述的微處理機MCU，在單相交流電機執行轉動指令時，根據速度反饋電路得到的實時速度交流信號和設置的參考速度形成的閉環控制回路，結合過零檢測電路得到的過零信號，輸出一定占空比的脈沖信號控制電機執行電路，從而控制單相交流電機的轉速；當單相電機執行制動指令時，微處理機MCU根據設定的制動等級，等面積分配工頻電源半個周期的能量，結合過零檢測電路得到的過零信號，輸出一定占空比的脈沖信號控制電機執行電路，實現直流分量從而控制單相交流電機的制動。作為本實用新型的一項改進，所述的電機執行電路包括制動控制單元、正轉控制單元和反轉控制單元，該制動控制單元、正轉控制單元和反轉控制單元均包括有光電耦合器、可控制硅驅動電路和可控硅，其中光電耦合器、可控制硅驅動電路和可控硅依次連接； 該正轉控制單元的光電耦合器接收來自連接微處理機MCU的第二輸出口的正轉信號，正轉控制單元的可控硅還分別連接單相交流電機正繞組U2和交流電源的L端；該反轉控制單元的光電耦合器接收來自連接微處理機MCU的第二輸出口的反轉信號，反轉控制單元的可控硅還分別連接交流電機副繞組Z2和交流電源的L端；而制動控制單元的光電耦合器接收來自連接微處理機MCU的第二輸出口的制動信號，制動控制單元的可控硅一端連接交流電源的L端，另一端分兩路分別串接二級管后連接交流電機正繞組U2和交流電機副繞組Z2，且制動信號由制動控制單元的可控硅一端向交流電機正繞組U2和交流電機副繞組Z2方向順向輸出，從而實現直流制動的功能。作為本實用新型的一項改進，所述的速度反饋電路包括依次連接的全橋整流器和放大電路，單相交流電機的交流速度信號經過全橋整流器后，再經過放大電路轉換成方波速度信號，進入微處理機MCU的第二外部中斷口。作為本實用新型的一項改進，所述的過零信號檢測電路包括依次連接的雙向光電耦合器和放大電路，交流電源經過雙向光電耦合器后，再經過放大電路轉換成方波信號，進入微處理機MCU的第一外部中斷口。優選的，所述的信息顯示電路包括依次連接的數碼顯示燈譯碼器和數碼顯示燈，微處理機MCU通過控制數碼顯示燈譯碼器驅動數碼顯示燈顯示交流電機的功能參數或轉動速度。優選的，所述的信息輸入電路包括正轉、反轉、停止、速度調節、菜單設置上鍵和菜單設置下鍵共6個按鈕，還包括有配合所述的按鈕共同向微處理機MCU輸入控制參數信號的電子開關電路。優選的，所述的電源電路包括有依次連接的隔離變壓器和整流電路，交流電源經過隔離變壓器后，再經過整流電路，提供微處理機MCU所需電源。本實用新型與現有技術相比具有明顯的優點和有益效果，具體而言，由上述技術方案可知，其主要是通過采集單相交流電機的實時速度，與參考速度形成閉環控制回路，結合采集到的交流電源過零信號，輸出一定占空比的脈沖信號來控制可控硅的通斷，這樣的閉環控制方式使得對單相交流電機的轉速控制更為精確，穩定，并通過輸出一定占空比的脈沖信號控制可控硅通斷，實現直流分量給單相交流電機以實現制動；在信息輸入電路里面有正轉、反轉、停止、速度調節、菜單設置(上下復合鍵)等共6個按鈕，可以輕松控制單相交流電機的正轉、反轉、啟動加速時間、停止方式(自由減速、減速停止、快速停止)、最高轉速、最低轉速等功能，而且通過速度調節按鈕，可以實現單相交流電機在極限速度內的無極速度調節，滿足不同的使用需求；信息顯示電 路可以顯示各功能的參數信息及當前的實時速度。強電與弱電之間利用過零檢測電路的雙向光電耦合、電源電路的變壓器進行隔離，執行電路的光電耦合器，使其互不干擾，保證回路更加穩定。為更清楚地闡述本實用新型的結構特征和功效，
以下結合附圖與具體實施例來對本實用新型進行詳細說明。
圖I是本實用新型之實施例的整體結構原理框圖；圖2是本實用新型之實施例中電源電路的結構原理框圖；圖3是本實用新型之實施例中信息顯示電路的結構原理框圖；圖4是本實用新型之實施例中過零檢測電路的結構原理框圖；圖5是交流電源工頻信號與經過零檢測電路處理后進入MCU信號的波形圖；圖6是本實用新型之實施例中速度反饋電路的結構原理框圖；圖7是單相交流電機的交流速度信號、全橋整流器整流后的波形圖及入MCU信號的波形圖；圖8是本實用新型之實施例中電機執行電路的結構原理框圖；圖9是電源工頻信號、轉動時可控硅兩端信號及制動時可控硅兩端信號的波形圖。附圖標識說明100、驅動控制器10、MCU (微控制器)101、電源入口102信號輸出口103、第一外部中斷口104、第二外部中斷口105、第二輸出口106、信息輸入口20、電源電路21、隔離變壓器22、整流電路30、過零檢測電路31、雙向光電耦合器32、放大電路40、信息顯示電路41、數碼顯示燈譯碼器42、數碼顯示燈50、信息輸入電路60、速度反饋電路61、全橋整流器62、放大電路70、電機執行電路71、制動控制單元、72、正轉控制單元73、反轉控制單元71-1、72-1、73_1、光電耦合器71-2、72-2、73-2、可控制硅驅動電路71-3、72-3、73_3、可控硅74、二級管[0047]200、單相交流電機U2、電機正繞組Z2、電機副繞組。
具體實施方式
首先，本實施例以控制單相交流電機為例進行說明，請參照圖I所示，其顯示出了本實用新型之較佳實施例的具體結構，該單相交流電機200的數字控制器100包括有微處理機MCU (以下用簡寫為MCU 10)和提供電源的電源電路20、過零檢測電路30、信息顯示電路40、信息輸入電路50、速度反饋電路60及電機執行電路70 ;電源電路20、過零檢測電路30和電機執行電路70分別連接輸入交流電源的L端；并且，該速度反饋電路60及電機執行電路70還分別接到單相交流電機200上。具體而言，如圖I、2所示，該電源電路20連接MCUlO的電源入口 101包括有依次連接的隔離變壓器21和整流電路22，交流電源經過隔離變壓器21后，再經過整流電路22，給MCU 10供電，本實施例中，由于MCU 10的正常工作電壓是2. 5 5. 5 V的直流電，因此， 該隔離變壓器21將輸入電源降至5V，另外，由于輸入電源為交流電，因此，該整流電路22起到將交流電變換成直流電，以滿足MCU 10的用電要求。如圖I所示，信息輸入電路5，連接MCUlO的信息輸入口 106，信息輸入電路50包括正轉、反轉、停止、速度調節、菜單設置上鍵和菜單設置下鍵共6個按鈕(未視出)，用于給MCUlO設置各種控制參數信號，還包括有配合所述的按鈕共同向MCUlO輸入控制參數信號的電子開關電路。如圖1、3所示，該信息顯示電路40連接MCU的信號輸出口 102包括依次連接的數碼顯示燈譯碼器41和數碼顯示燈42，MCU 10通過控制數碼顯示燈譯碼器41驅動數碼顯示燈42，以顯示控制功能參數信號或轉動速度。本實施例中，數碼顯示燈42設置了四個，根據不同的信息要求將四個顯示燈與單相交流電機的多種狀態對應顯示出來。該信息顯示電路40還可以包括顯示單相交流電機轉動狀態的LED燈或者出錯報警閃爍的LED燈等等。如圖1、4所示，所述過零檢測電路30的連接MCUlO的第一外部中斷口 103目的是為了給MCU 10提供一個標準，這個標準的起點是零電壓，下述可控硅73-1、73-2、73-3導通角的大小就是依據這個標準，也就是說交流電機高、中、低、微轉速都對應一個導通角，而每個導通角的導通時間是從零電壓開始計算的，導通時間不一樣，導通角度的大小就不一樣，因此電機的轉速就不一樣。本實施例中，過零檢測電路30包括依次連接的雙向光電耦合器31和放大電路32。結合圖I來看，交流電源經過雙向光電耦合器31后，再經過放大電路32轉換成方波信號，進入MCU 10的第一外部中斷口 103。輸入的波形與進入MCU 10的波形圖如圖5所繪。當方波信號下降沿產生時，記錄此時的時間tl，緊接著當第二方波信號上升沿產生時，記錄此時的時間t2，計算At = t2-tl ;當第三個方波信號下降沿再產生時，t3+ Δ t/2即為此時刻的過零點。當然，過零檢測電路30的實現有很多種，通過全橋整流器后，再經過單向光電耦合器，再經過放大電路亦可，或者經過變壓器后通過運放電路亦可，不以此為限。如圖1、6所示,所述速度反饋電路60 —端連接單相交流電機200,另一端連接MCUlO的第二外部中斷口 104，速度反饋電路60包括依次連接的全橋整流器61和放大電路62，其工作原理是單相交流電機的交流速度信號經過全橋整流器61后，再經過放大電路62轉換成方波信號，進入MCU 10的第二外部中斷ロ 104。輸入的波形與進入MCU 10的波形圖如圖7所繪。計算兩個相鄰的方波上升沿之間的時間AT，為當前速度脈沖的半個周期。由于單相交流電機200旋轉一周會發出12個正弦信號。所以根據Λ T我們可得當前単相交電機 200 的速度(取Λ T 的單位為 IOOus.) S (min/r)= (60*1000*10/12) / (2* Δ T)=25000/AT。當然，速度反饋電路60有很多種，通過運放電路直接檢測交流信號的過零點亦可，或者通過光電耦合器后在經過放大電路亦可，不以此為限。如圖I和圖8所示，所述電機執行電路70—端連接單相交流電機200，另一端連接MCUlO的第二輸出ロ 105包括制動控制單元71、正轉控制單元72和反轉控制單元73，制動控制單元71、正轉控制單元72和反轉控制單元73均包括有光電耦合器71-1、72-1、73-1、可控制硅驅動電路71-2、72-2、73-2和可控硅71-3、72_3、73_3、，光電耦合器71_1、72_1、73-1、可控制硅驅動電路71-2、72-2、73-2和可控硅71-3、72_3、73_3分別依次連接，該正轉控制單元72的光電耦合器72 — I接收來自MCUlO的第二輸出口 105的正轉信號，正轉控 制単元72的可控硅72-3分別連接単相交流電機正繞組U2和交流電源的L端；該該反轉控制單元73的光電耦合器73 — I接收來自MCUlO的第二輸出口 105的反轉信號，反轉控制単元73的可控硅73-3兩端分別連接単相交流電機副繞組Z2和交流電源的L端；而而制動控制單元71的光電耦合器71 一 I接收來自MCUlO的第二輸出ロ 105的制動信號，制動控制単元71的可控硅71-3 —端連接交流電源的L端，另一端分別串接ニ級管74后連接単相交流電機正繞組U2和副繞組Z2，、制動信號由制動控制単元71的可控硅71-3 —端向単相交流電機正繞組U2和副繞組Z2方向順向輸出；這樣，就只能向単相交流電機要么輸入上半周期的部分能量，要么輸入下半周期的部分能量，即直流分量給單相交流電機200，從而實行制動功能。結合圖I、圖8和圖9來看，當單相交流電機200執行轉動指令(如正轉、反轉、啟動加速、自由減速、減速停止等)吋，MCU 10根據速度反饋電路60得到的信號計算所得的速度和客戶設定的速度構成ー個閉環控制回路，得到第一時間差Λ Tl，MCU 10再根據過零檢測電路30得到的信號計算所得的過零點開始，當需要正轉時，MCU 10經過Λ Tl時刻發出一定占空比的脈沖(保證可控硅的開通時間長度)正轉信號給光電耦合器72-1，再經過可控硅驅動電路72-2，控制可控硅72-3的開通，從而控制単相交流電機200的正轉速。當需要反轉時，MCU 10經過Λ Tl時刻發出一定占空比的脈沖(保證可控硅的開通時間長度)反轉信號給光電耦合器73-3，再經過可控硅驅動電路73-2，控制可控硅73-3的開通，從而控制単相交流電機200的反轉速。如果客戶設置了啟動加速時間，那么MCU 10將根據設置讓Λ Tl從最大位置開始，每經過IOms周期不斷減小，直到達到設定速度為止。如果客戶選擇自由減速，那么MCU 10將不送任何脈沖信號給電機執行電路70，讓単相交流電機200自己停止。如果客戶選擇減速停止，那么MCU 10將根據客戶設定的減速時間從當前的Λ Tl時刻，每經過IOms周期不斷的加大，直到最大位置，即單相交流電機200停止。當単相交流電機200執行制動指令吋，MCU 10根據設定的制動等級(客戶可根據需要設置快速停止強度)，根據能量守恒原則等面積分配Λ Τ2的值，Δ Τ2越大，直流分量越弱，制動能力越弱，Λ Τ2越小，直流分量越強，制動能力越強。MCU 10根據過零檢測電路30得到的信號計算所得的過零點開始，經過Λ Τ2時刻發出轉動信號給光電耦合器71-1，再經過可控硅驅動電路71-2，控制可控硅71-3的開通，從而控制単相交流電機200的制動；這是因為輸入給単相交流電機200的電源波形，要么只是上半周期的部分能量，要么只是下半周期的部分能量，即直流分量給單相交流電機200，從而實行制動功能的控制原理。綜上所述，本實用新型的設計重點在于，其主要是通過采集單相交流電機的實時速度，與參考速度形成閉環控制回路，結合采集到的電源過零信號，輸出一定占空比的脈沖信號來控制可控硅的通斷，這樣的閉環控制方式使得単相交流電機轉速更為精確，穩定；在信息輸入電路里面有正轉、反轉、停止、速度調節、菜單設置上鍵和菜單設置下鍵等共6個按鈕，可以輕松控制單相交流電機的正轉、反轉、啟動加速時間、停止方式(自由減速、減速停止、快速停止)、最高轉速、最低轉速等轉動功能，而且通過速度調節按鈕，可以實現単相交流電機在極限速度內的無極速度調節(任意的速度設定都可以)，滿足不同的使用需求；信息顯示電路可以顯示各功能的參數信息及當前的實時速度。強電與弱電之間過零檢測電路的雙向光電耦合、電源電路的變壓器進行隔離，執行電路的光電耦合器，使其互不干擾，保證回路更加穩定。 以上所述，僅是本實用新型的較佳實施例而已，并非對本實用新型的技術范圍作任何限制，故凡是依據本實用新型的技術實質對以上實施例所作的任何細微修改、等同變化與修飾，均仍屬于本實用新型技術方案的范圍內。
權利要求1.一種單相交流電機的數字控制器，其特征在于包括微處理機MCU、電源電路、信息顯示電路、信息輸入電路、速度反饋電路、過零檢測電路和電機執行電路； 所述的電源電路，一端連接交流電源，另一端連接微處理機MCU的電源入口，電源電路將交流電經過隔離變壓器后，再經過整流后給微處理機MCU提供所需電源； 所述的過零檢測電路，一端連接交流電源，另一端連接微處理機MCU的第一外部中斷口，給微處理機MCU提供標準的零點電壓即過零信號； 所述的信息輸入電路，連接微處理機MCU的信息輸入口，用于給微處理機MCU設置各種控制參數信號； 所述的信息顯示電路，連接微處理機MCU的信息輸出口，用于顯示單相交流電機轉速或功能參數； 所述的速度反饋電路，一端連接單相交流電機，另一端連接微處理機MCU的第二外部中斷口，速度反饋電路將檢測單相交流電機的速度交流信號轉換成方波信號實時提供給微處理機MCU ； 所述的電機執行電路，一端連接單相交流電機，另一端連接微處理機MCU的第二輸出口，電機執行電路接受來自微處理機MCU的脈沖信號控制單相交流電機的轉動或制動，電機執行電路還連接交流電源； 所述的微處理機MCU，在單相交流電機執行轉動指令時，根據速度反饋電路得到的實時速度交流信號和設置的參考速度形成的閉環控制回路，結合過零檢測電路得到的過零信號，輸出一定占空比的脈沖信號控制電機執行電路，從而控制單相交流電機的轉速；當單相電機執行制動指令時，微處理機MCU根據設定的制動等級，等面積分配工頻電源半個周期的能量，結合過零檢測電路得到的過零信號，輸出一定占空比的脈沖信號控制電機執行電路，實現直流分量從而控制單相交流電機的制動。
2.根據權利要求I所述的交流電機的數字控制器，其特征在于所述的電機執行電路包括制動控制單元、正轉控制單元和反轉控制單元，該制動控制單元、正轉控制單元和反轉控制單元均包括有光電耦合器、可控制硅驅動電路和可控硅，其中光電耦合器、可控制硅驅動電路和可控硅依次連接；該正轉控制單元的光電耦合器接收來自連接微處理機MCU的第二輸出口的正轉信號，正轉控制單元的可控硅還分別連接單相交流電機正繞組U2和交流電源的L端；該反轉控制單元的光電耦合器接收來自連接微處理機MCU的第二輸出口的反轉信號，反轉控制單元的可控硅還分別連接交流電機副繞組Z2和交流電源的L端；而制動控制單元的光電耦合器接收來自連接微處理機MCU的第二輸出口的制動信號，制動控制單元的可控硅一端連接交流電源的L端，另一端分兩路分別串接二級管后連接交流電機正繞組U2和交流電機副繞組Z2，且制動信號由制動控制單元的可控硅一端向交流電機正繞組U2和交流電機副繞組Z2方向順向輸出，從而實現直流制動的功能。
3.根據權利要求I所述的單相交流電機的數字控制器，其特征在于所述的速度反饋電路包括依次連接的全橋整流器和放大電路，單相交流電機的交流速度信號經過全橋整流器后，再經過放大電路轉換成方波速度信號，進入微處理機MCU的第二外部中斷口。
4.根據權利要求I所述的單相交流電機的數字控制器，其特征在于所述的過零信號檢測電路包括依次連接的雙向光電耦合器和放大電路，交流電源經過雙向光電耦合器后，再經過放大電路轉換成方波信號，進入微處理機MCU的第一外部中斷口。
5.根據權利要求I所述的單相交流電機的數字控制器，其特征在于所述的信息顯示電路包括依次連接的數碼顯示燈譯碼器和數碼顯示燈，微處理機MCU通過控制數碼顯示燈譯碼器驅動數碼顯示燈顯示交流電機的功能參數或轉動速度。
6.根據權利要求I所述的單相交流電機的數字控制器，其特征在于所述的信息輸入電路包括正轉、反轉、停止、速度調節、菜單設置上鍵和菜單設置下鍵共6個按鈕，還包括有配合所述的按鈕共同向微處理機MCU輸入控制參數信號的電子開關電路。
7.根據權利要求I所述的單相交流電機的數字控制器，其特征在于所述的電源電路包括有依次連接的隔離變壓器和整流電路，交流電源經過隔離變壓器后，再經過整流電路，提供微處理機MCU所需電源。
專利摘要本實用新型公開一種單相交流電機的數字控制器，包括微處理機MCU和與微處理機MCU相連的電源電路、過零檢測電路、信息顯示電路、信息輸入電路、速度反饋電路、電機執行電路，其中電源電路、過零檢測電路、電機執行電路還連接交流電源，速度檢測電路、電機執行電路與單相交流電機相連。通過采集單相交流電機的實時速度與設定的參考速度形成閉環控制回路，結合采集到的交流電源過零信號，輸出一定占空比的脈沖信號來控制可控硅的通斷，控制單相交流電機的各種轉動如正轉、反轉、停止，輸出一定占空比的脈沖信號控制可控硅通斷，實現直流分量給單相交流電機以實現制動；強電與弱電之間利光耦、變壓器進行隔離，使其互不干擾，保證回路穩定。
文檔編號H02P3/24GK202602589SQ201220217260
公開日2012年12月12日 申請日期2012年5月15日 優先權日2012年5月15日
發明者任培堅, 肖天順 申請人:廈門精研自動化元件有限公司