基于ML4421的单相电机变频调整器的设计

介绍了利用Micro Linear的专用单相电机控制器ML4421和三相桥进行单相交流电机变频控制的方案，并对其工作原理进行了分析。?
    关键词：单相电机, 三相桥，变频调速器，ML4421

1 引 言
    单相交流电机结构简单、功率小、造价低，被广泛应用于家用电器和小功率工业装置。常用的单相交流电机，使用电容分相，采用市电直接作为其驱动电源，其起动力矩小，起动电流大，从而造成较大的能量损耗。频繁起动时电流冲击大，减少了电机寿命，易造成系统稳定性差。本文基于Micro Linear公司的专用芯片ML4421提出了一种低成本单相变频调速器的设计方案。

2 主回路设计及分析
    单相电机的工作绕组分为主绕组和辅助绕组，因此，有时也称为两相电机，其绕组接线如图1所示。为使电机气隙内产生旋转的磁场，必须保证两绕组中的电流互差90°。这样，才能产生椭圆度较小的旋转磁场，产生较大的起动力矩。利用变频技术对电机进行调速时，若采用电容分相的方法，由于电容的容抗随频率变化而变化，不能保证主绕组和辅助绕组的电流严格互差90°，从而使电机出力不足。若采用双半桥式的单相变频调速器主回路结构，对于每个绕组，相当于一个半桥逆变器，由于这种结构对于直流母线电压利用不充分，在高频时电机难以达到额定的输出功率和力矩，不能保证正常工作。
    为克服上述缺点，本设计采用三相逆变桥作为单相电机变频器的主回路，每个绕组都相当于一个独立的全桥逆变器，取消了分相电容，克服了由分相电容引起的频率不稳定的缺点，并且具有较高的直流母线电压利用率。理论上，调速范围可达10：1。主回路如图2所示。

    图2中，将单相电机的主、辅绕组L1、L2分别联入AC、BC两点之间，取图中O点为电压参考点。只要保证UAC与UBC之间互差90°就可实现辅助组电流if与主绕组电流iz严格互差90°。设A、B、C三点正弦电压矢量为UA、UB、UC，则主绕组L1两端电压UAC＝UA－UC,辅助绕组L2两端电压UBC＝UB－UC，且UAC垂直于UBC。由电路的特点可知，每一管导通时，UA=UB＝UC=UD/2。以UC为参考向量，可得如图3所示的关系，由图3的矢量图可以看出：

    由上述分析，只要控制三个桥臂的开关信号调制波相位互差90°，就可实现用三相桥变频调速驱动单相电机。
3 控制电路设计
    根据主回路设计，可得开关波形产生电路框图如图4所示。

    在设计中，我们采用了Micro linear公司的ML4421芯片作为主控制器。该芯片是单相电机变频控制的专用芯片，内部自带两路互差90°的波形发生器、PWM调制器和转差控制模块，集成度高。根据工作电压不同，芯片分为5V（ML4421-5）和12V（ML4421-12）两种，ML4421-12引脚图如图5所示。?

    引脚说明如下：1、2：电流反馈输入。ISA，ISB[FL(2K2]共同构成微分输入，检测A相的电流、电压和电流的相位差，然后与前端电压反馈共同决定给定相位角。（精密转差控制时才有效）。3： 转差角设定（精密转差控制时才有效）。4： 精密转差控制时微调正弦波的幅值。该脚接地时，不进行精密转差控制。6： 通过调节该脚的输入电压可以控制正弦波的幅值，频率。7： 提供8V的参考电压。8： 死区时间设置。9、10：正弦波发生器起振电容。11：复位时间设置。12：PWM载波频率设置。13：正反转选择。14：制动时间选择。15：过流保护输入。16、25：正弦波测试点。18～23：驱动波形输出。26～28：电压反馈输入。
    在应用中，选择不同的参数，就可以达到不同的控制效果。参数计算如下：

    图6中，IFEED为电流相位反馈（精密转差控制时使用），VFEED为电压反馈，DRIVER为驱动电路输入，IPORT为过流保护输入。调节电位器R-5的大小，就可改变调制波频率幅值。改变12脚上的电容值，就可以改变载波频率。
    由于ML4421是专用芯片，不能工作在开环状态下，而本设计中，变频器为电压开环，于是给芯片加入“伪反馈”，直接由驱动信号进行反馈，其原理图如图7所示。每路上管与下管的驱动信号相加后，送入senseA，senseB，senseC。电压跟随器给出一个6V的模拟地，作为反馈输入地。

    进行精密转差控制时，须接入电流相位检测回路，原理图如图8所示。?

    A相电流经由电流互感器，得到反馈电流（本设计中，电流互感器设计匝比1：200）。反馈电流经过I/V变换，送入ISA，电压跟随器给出6V模拟地送ISB。
4 驱动电路设计
    本设计中采用低成本驱动电路方案，高端（图2中的Q1，Q3，Q5）采用集成自举电路IR2118，低端（图2中的Q4，Q6，Q2）由对管组成图腾柱输出。IR2118是国际整流器公司生产的专用MOSFET、IGBT驱动器，最高偏置电压可达600V，输出10V～20V电压信号。为防止驱动信号输入电流太小，IR2118前级输入也采用了图腾柱式扩流电路。
    IR2118引脚图如图9所示。

  ?驱动电路原理图如图10所示。?

    在驱动电路中，低端图腾输出直接接低端MOSFET的G级，低端MOSFET的S级接地。IR2118第7脚输出经由缓冲电阻后接高端MOSFET的G级，第6脚输出接高端MOSFET的S级，它经由负载接地。
5 仿真及测试
    在系统设计过程中，我们运用了Matlab作为其仿真平台，得到如图11所示的波形。
    在仿真中，设置一路标准正弦波，分别经由积分器和微分器，加上幅度补偿后，得到如图12所示的三路互差波形，再将这三路波形做矢量相减，得到矢量和波形如图12所示。

    实验中，将对应驱动信号引出，经过RC滤波，得到模拟的相电流波形如图13所示。?

    主回路以IRF840作为开关管，将普通风扇40W 0.5A单相电容分相电机拆去分相电容作为负载。受条件限制，在绕组引出线上串入小电阻对相电流采样。由于采样电阻的存在，所得相电流波形谐波较大，正弦性受到影响，失真度较大，效果不如模拟的相电流波形。
6 结束语
    以三相桥作为逆变主回路可节省元件，配以功能强大、价格低廉的ML4421作为控制器，实现了对电机的变频调速控制，克服了电机低频出力不足，调速范围不宽等缺点，达到了良好的控制效果。为我们制造低成本单相变频器提供了一个思路。

参考文献

1 张淼.单相电容分相式电机的变频调速器设计.电气自动化,1996(6):25～26