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
兆驰股份回购公司股份 成交总金额达人民币9797万元
保时捷Taycan并不满足极致的性能 变速箱的关键原因
蜂巢式通讯技术对物联网仍然重要？
AC352直升机PT02架已完成了复工后的首次飞行
12v开关电源电路图
基于ML4421的单相电机变频调整器的设计
磁响应材料和双稳态Kresling型折纸结构构成了一种新型的多功能驱动器
LTC4040 具 4.22V PFI 门限的 4.5V 备份应用 (充电电流设置：1A，输入电流限制设置：2A)
英特尔联手展讯、瑞芯微开始对战联发科
区块链有可能改变所有产业的商业模式
双11爆款出炉！海尔全空间保鲜系列冰箱30分钟破亿
光学滤波系统借助新的检测器设计，可进一步增强测量信号的精度
为什么视在功率不守恒
HALCON机器视觉算法包解析
选用焊锡膏时应注意哪些问题？
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窗型检知器电路 (Window detector)
保护路由器和其他网络设备
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寻因生物宣布完成过亿元人民币A轮融资
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。
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ir2118引脚图如图9所示。
?驱动电路原理图如图10所示。?
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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
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