一般大眾每天所使用的許多用具和設備，其實都裝有單相感應電動機。在多數電動機控制運用上，最希望能有單相感應電動機的速度控制功能，除了能提供不同的速度，還可以降低能量消耗與噪音。

單相電動機大部分是單向性的，也就是在設計上只朝一個方向旋轉。要改變旋轉方向，便得藉由增加額外線圈、外接中繼器與開關，不然就是要增加齒輪機件。而運用微控制器的控制系統，可增加系統的速度變化。除了可選擇速度變化，還可改變旋轉方向，依據的是所使用的電動機控制的演算法則。

固定串聯電容（PSC）電動機是最受歡迎的單相感應電動機。本文將詳細討論用以控制PSC單相感應電動機的傳動拓樸。同時用以除錯和診斷錯誤的微控制器也會討論。

介紹與分類

單相感應電動機被廣泛使用是因為它們可在標準的單向AC電源供應器上操作，並可隨時插在牆上的電源插座上。不過，它們並非自行啟動。依據使用的啟動機制，單相感應電動機可分成四個主要類別。(表一)顯示電動機型式以及其構造上的特性。

在(圖一)中顯示每一種單相感應電動機型式的速度對力矩特性圖。電容啟動和分相電動機型式在大約比率速度80％的位置有一急遽的力矩差異。在這兩種電動機型式中並不建議使用一個可變速度傳動器，因為當速度改變時，離心開關會將啟動線圈開啟和關閉。

《圖一　單相感應電動機的速度－力矩特性》

可變頻率（VF）控制理論

感應電動機依據感應原理來運作，而非傳導。依交流電供應器連接到定子的氣隙中產生一個磁場，這會掃過連接轉子並引發出一電流，然後在轉子中產生一磁場。轉子磁場會與氣隙中產生的不同磁場相反，依據楞次定律（Lenze’s Law），會導致轉子旋轉的結果，轉子速度會由三個因素所控制：供應頻率、定子極的數量和滑動速度（或滑動頻率）。而滑動頻率就是在定子頻率和感應電動機頻率間的差異：

《公式一》

使用在定子上的電壓會與定子流量和角速度的成積成正比，這使得會與定子流量會與使用電壓和供應頻率的比率成正比。

如(公式一)所示，當供應頻率降低時，定子線圈相對應的阻抗也會降低，這是由於定子的感應本性。這會導致由電源供應器上拉走一個較高的主動電流。若頻率降低超過一特定界線，則磁性線路可能會達到飽和程度。為保持磁性流量固定，供應電壓應與頻率採相同的比率來減低。所以，藉由不同的供應電壓和頻率再相同比率，感應電動機速度會有所不同，這個關係顯示在(公式二)中：

《公式二》

在(圖二)中顯示電壓和力矩對頻率之間的關係。可藉由增加頻率超過比率值以驅動電動機超過額定速度。不過，使用的電壓不能增加超越額定電壓。因此，只有頻率需要增加。這會減弱可用磁場及可用力矩。在超過基礎速度時，力矩控管因素會變得複雜，因為摩擦和風力影響損失會在較高速度時明顯增加，而其結果就是力矩曲線變得非線性並與速度或頻率有關。

《圖二　修正的速度-力矩特性》

控制拓樸

對於單向速度改變有許多的應用，像是在HVAC或冰箱中的壓縮機控制器。不過，在像是車庫門開關/大門開關，電動工具等的應用中，是需要雙方向性的速度改變。在下列章節中將會看到不同的拓樸以在具有VF控制中以單一和兩個方向來驅動一個PSC電動機。

硬體建構區塊

硬體建構區塊可大概區分為三個區域：輸入轉換器、輸出轉換器和控制診斷。(圖三)顯示在這些建構區塊之間相互連接的一個區塊圖代表。

輸入轉換器區域

這個區域的主要元件是一個輸入整流橋接器，將來自牆壁上電源插座的AC電壓轉換成DC電壓。可能會增加一個EMI控制區塊，主要是根據應用而言，正常情形下，一個NTC電阻是用來保護侵入電流，而一個線壓電阻（MOV）則用來抑制高壓毛刺。而在二極體橋接器的輸出側，可使用一電容庫來抑制DC漣波。

輸出反相器區域

輸出區域具有一個電壓來源轉換器。這包含了每一相位上的兩個電源開關，並且在每個開關間具有飛輪二極體來連接，電動機線圈連接到開關的中央。來自「輸入轉換器區塊」的DC電壓會使用這個輸出轉換器來同步，以獲得一個不同的電壓和頻率電源供應器到控制電動機上。

控制與診斷區域

一個微控制器（如PIC微控制器），或是一個數位信號控制器（如dsPIC DSC）是系統的大腦。通常，用於電動機控制應用的控制器具有像電動機控制PWM，高速類比到數位轉換器（ADC）和診斷插腳的特殊周邊。Microchip的PIC18F243/和dsPIC30F2010都具有這些內建功能，並降低成本，佔有電路板空間和元件數。

《圖三　硬體方塊圖》 - BigPic:558x325

微控制器介面

如果可以存取到微控制器的特殊、晶片內建週邊中便可讓控制運算法則的執行更容易。(圖四)顯示PIC18F2431或dsPIC30F2010的一個硬體介面範例。APC通道用來量測電動機電流、電動機溫度和熱下沉溫度（連接到電源開關）。第三個ADC通道可在最終應用上用來讀取不同的偵測器，像是鄰近開關、溫度偵測器、水位與冷凍溫度等。

《圖四　微控制器介面範例》

在一項應用中通用目的輸入和輸出（I/O）可用來作為介面開關和顯示之用。例如，在冰箱應用中，這些通用目的I/O可用以控制一個LCD顯示器、7個區段的LCD顯示器，或按鈕介面等。而像是I2C或SPI的通信通則便可用來連接具有另一個電路板的電動機控制電路板以交換資料。

錯誤和診斷介面包括具有像是在系統中有激變錯誤時能關閉PWM能力之特殊功能。舉例而言，在一部洗碗機中，若驅動器因為累積廢棄物而堵塞，便可避免電動機繼續旋轉，這個堵塞可以在電動機控制系統中以電流過大的型式偵測到。使用診斷功能，這些型式的錯誤都可被記錄和/或顯示，或是轉送到PC故障排除的服務人員。通常，這會避免嚴重故障並減少產品的停機時間，同時具有降低成本的結果。

PWM是用來控制電動機的主要周邊裝備。使用上述輸入，微控制器的電動機控制法則會決定PWM的工作週期與輸出樣式。PWM最價質的功能包括了具有可程式化的互補通道。PWM可以用邊緣或中間對正。中間對正的PWM具有降低由產品所產生電磁噪訊（EMI）的優點。

單向控制

VF控制在單一方向上讓驅動拓樸和控制運算法則十分容易。它的工作是由一固定電壓和頻率電源供應（像是一個牆壁上的電源插座）上產生一可變電壓與頻率電源供應。(圖五)顯示代表這個驅動拓樸的方塊圖，並具有稍早所討論的三個基本建構區域。電動機線圈會連接到輸出反相器區域每一半橋接器的中央位置上。

《圖五　控制區域方塊圖》

在(圖五)中顯示的PIC82431MCU具有一個電源控制PWM（PCPWM）模組，它最高可輸出三對PWM，並且在每一對之間具有無感帶。無感帶是一個電動機控制應用上的基本，以避免透過電源開關產生的PC匯流排交叉傳導，而一個ON時另一個會OFF。診斷線路可能包括電動機電流監控、PC匯流排電壓監控，以及連接到電源開關和電動機上熱下沉的溫度監控。

如圖五所示，電動機連接到反相器時，PSC電動機的速度可在一個方向上來控制。在這個例子中，主要和啟動線圈都會連接在一起，啟動線圈具有一電容以串聯方式連接，在這個構造下，電動機可能具有內部相互連接而且只有兩條突出線路（M1或M2），如圖五所示。

控制演算法

由DC匯流排產生一個可變電壓，可變頻率的一種電源供應需要使用PWM，來同步DC匯流排。為了產生一個正弦曲線（或其他）波形，會在程式記憶體中輸入一表格，來對應所需的精確控制。在下列的例子中，會以每10個電子度數來輸入一表格，由於正弦波信號在本質上對稱的，所以對於正弦波的一半是由Sine(270°)到Sine(90°)的值來輸入。而另一半則可藉由結束到開始來存取相同表格以獲得。

PWM工作週期的計算是由一個表格值和所需電動機頻率的組合而成。一時計器用以標記PWM工作週期的改變。時計器計數會決定表格存取時間和電動機頻率。當時計器趨近時，來自表格的一個新值會被取代而且表格指標會增加。當抵達表格尾部，指標會由尾端移到開始點以開啟正弦波的90度到270度。其結果如(圖六)所示。

《圖六　正弦波表格（Sine Table）方式。（圖中以10為間隔單位）》

雙向控制

大多數的PSC電動機設計上只在單一方向運轉。不過，許多應用都需要雙方向性電動機旋轉。傳統上，齒輪機鍵或外部中繼器及開關都是用來達到雙方向旋轉。當使用機械齒輪時，電動機軸承會在單一方向運轉，而齒輪會依據所需方向前或倒轉結合與分離，使用中繼器和開關、啟動線圈的極性會依所需方向作電子式反轉。

很不幸地，所有這些元件在兩個方向的ON和OFF基本控制上增加系統不少成本。

在本章節中，將會討論使用一微控制器為基礎的傳動來控制PSC電動機雙向速度的不同方式。在這裡所討論的傳動拓樸會產生有效電壓，並在90度相位彼此改變下驅動主線圈和啟動線圈。這可讓系統設計者來移除電容，它會以串聯方式連接啟動線圈，並永不與線路連結以減低整體系統成本。

使用一個 H-Bridge 反相器

一開始的方式非常直接，只要是電源和控制線路連接時，在輸入端，會使用一個電壓加倍器；而在輸出端則是使用一個H-bridge或兩個相位反相器，如(圖七)。在主要和啟動線圈的尾端會連接到每一個半橋接器上；而另一端則與AC電源供應的中性點相連接，這也同時作為電壓加倍器的中央點。

《圖七　使用一個H-Bridge的雙向控制》

控制線路需要四個PWM並具有兩個互補的配對，以及在互補的輸出之間足夠的無感帶。PWM 0-PWM 1和PWM 2 –PWM 3是PWM配對並具有無感帶，使用PWM，DC匯流排會同步來提供兩個正弦波電壓並有90度的相位差，以及不同的震幅和頻率，這是依據稍早因單向控制中所討論的VF資料而定。若用在主線圈的電壓比啟動線圈延遲90度，則電動機以向前方向運轉，要逆轉旋轉方向，則提供給主線圈的電壓應優先施加於啟動線圈上的電壓。(圖八)(a)和(圖八)(b)分別顯示主要與啟動線圈向前與反轉的情形。

《圖八　圖左和圖右分別代表電動機在向前及後退方向運轉時的相位電壓.》

這種以H-bridge反相器來控制一個PSC型式電動機的方式尚有缺點。主要缺點就是主要和啟動線圈具有不同的電子特性。因此，流經每個開關的電流會不平衡。這可能導致在反相器中的開關裝置的過早損壞。此外，線圈的共通點是直接到中性電源供應上。這可能增加開關信號漸漸進入主電源供應器中，而增加在線路中的噪音。接著，這也會限制產品的EMI程度，而違反了特定的設計目標與規定。有效的DC電壓處理是非常地高，這是因為輸入電壓加倍器線路的原因。而且，電壓加倍器線路本身成本也高，因為有兩個較大的電源電容，至於使用一個三向反相接器的解決方案，則會在下文中討論，並減少這些問題。

使用一個三向反相橋接器

輸入區域會用一個標準的二極體橋接整流器所取代。輸出區域具有一個三向反相橋接器。它與前一個架構上的主要差異是用來連接電動機線圈到反相器上方式，主要和啟動線圈的一端會連接到每一個橋接器的一半上。另一端則接在一起並連接到第三個半橋接器上，如(圖九)所示。

《圖九　使用三相反相橋接器來控制 PSC 電動機》

藉由這個驅動拓樸，控制上變得更多效率。不過，控制演算變得更複雜，線圈電壓Va，Vb和Vc應被控制來在主要和啟動線圈之間的有效電壓上達成相位的差異，以能夠具有每一個之間的90度相位差。

控制理論

在一個PSC電動機中，主要線圈設計上是處理大多數的負載電流，而剩下的電流則流經器動線圈。因此，啟動線圈與主線圈相比較具有不同的電子特性。為了產生由啟動線圈靠近主線圈所製造出的MMF，器動線圈必須有額外的圈數，更高的阻抗，並減低電流流過，因此，電動機線圈不對稱的。

器動線圈對主要線圈的圈數比是由(公式三)所定義。

《公式三》

為了在所有裝置上有相等的電壓壓，就要改善裝置的運用並提供最大可能輸出電壓來供一特定DC匯流排電壓使用，所有三個反相器一相位電壓會保持相同的振幅，如(公式四)所示。

《公式四》

主要線圈和啟動線圈之間的有效電壓是公式五所獲得。

《公式五》

電壓會顯示在如(圖十)所示的相位圖中。

《圖十　電壓相位圖》

如圖十所示，在相位A和相位B之間的電壓是異相。而在相位A和相位C之間的相位差是θ角度，藉由使用基本三角函數，θ可由(公式六)求得：

《公式六》

藉由套用畢式定理，電壓向量V1可由所提供的(公式七)計算而得：

《公式七》

對特定電動機而言，圈數比會維持為常數，因此，α可被計算作為一個編輯時間選擇，以這種方式，θ和V1可在一特定電動機上市先計算出來，這可簡化運轉時間計算，依據相位角、相位電壓Va、Vb和Vc可如(公式八)所示計算出來。

《公式八》

藉由在Vc計算中增加θ便可輕易地控制旋轉的方向，而非扣除。

在(圖十一)(a)中顯示相位電壓Va、Vb和Vc，而圖十一(b)則顯示在主要線圈（Vmain）和啟動線圈（Vstart）之間的有效電壓。圖十一(b)顯示在電壓之間的有效相位差是90度，以及有效電壓比是α。

《圖十一　相位電壓與相位角關係圖》

另一個使用三相控制方式的優點就是相同的驅動拓樸可用來控制一個三相感應電動機。在這個場景中，微控制器應事先程式化以輸出具有彼此間120度相位差的正弦波電壓，以驅動一個三相感應電動機，這可縮短產品研發與上市時間。

結語

單相感應電動機在裝置和商業及消費者應用上非常受歡迎，而PSC是單相感應電動機中最受歡迎的形式。控制電動機速度有許多優點，像是電源效率，降低音響噪音和在應用上較佳的控制，在本文中，討論不同的速度控制方式可用在具有單像和雙向的PSC電動機上。使用一個三相反相器拓樸來控制PSC電動機可提供在所討論三種方式中最佳的結果。

---作者為Microchip Technology資深應用工程師---