空调室内风扇调速控制系统设计

李晓萌

一、PG调速电机结构简介

分体壁挂式空调室内风扇采用PG塑封调速电机。该电动机结构简单，成本低，振动和噪声低，只需要单相供电，性价比高，因此被广泛应用于家电行业。 它主要由定子与转子两部分组成。PG电机有定子、转子、辅助绕组和主绕组组成，带霍尔反馈结构。

二、PG调速电机启动及调速原理

（一） PG交流电机启动原理

在实际电路中，启动电容器在启动绕组电路中串联连接，以获得电动机的启动转矩。电容器运行单相异步电动机定子辅助绕组（即起动绕组）电路串联电容器，该电容器参与电动机的启动和运行，由于电容器在电路中串联连接，辅助绕组环路是电容性的，因此辅助绕组电流相位超前于电压，主绕组电流滞后于电压（因为初级绕组环路是电感性的）。图1当理论设计和实验来获得电容器参数时，使两个绕组电流之间的相位差将接近90°，这样电机可以获得大的启动转矩和小的启动电流。

（二）PG交流电机调速原理

PG交流电机转速调节，是通过改变可控硅导通角度来改变PG电机驱动电压波形，从而改变电机驱动电压的有效值，达到PG电机调速目的。

当可控硅导通角α1=180°时，即可控硅处于直通状态，PG交流电机驱动电压波形为正弦波，;当可控硅导通角α1 <180°时，PG交流电机驱动电压波形如图实线所示，可控硅处于非全导通状态;导通角α1越小，可控硅导通状态越小，则驱动电压有效值越小，所产生的磁场越小，则电机的转速越低。由以上的分析可知，可控硅调速时PG交流电机转速可连续调节，但这时PG交流电机驱动电压和电流波形不连续，波形差，故电动机的噪音大，在电路设计时，需增加相应的滤波电路加以抑制。

三、PG交流电机调速控制系统设计

（一）PG交流电机驱动硬件电路系统设计（见图3）

1.采用MO3022实现PG电机隔离驱动，控制可控硅BT137导通与截止，各元器件作用如下

（1）R7、R8、Q2组成驱动信号放大电路，C1旁路掉驱动信号的杂波，R9对IF进行限流。

（2）R12、C9组成滤波电路，抑制可控硅导通与截止的dv/dt，解决EMI干扰问题;同时防止可控硅两端电压突变，造成无门极信号误导通。

（3）L3为扼流线圈，抑制可控硅回路中di/dt，对TR2进行保护;电感L3需放置在TR2后面，C为风机启动电容。

（4）为确保MOC3022可靠导通，流过LED侧的电流为10mA左右，R9取值应根据IC驱动电流而定。

（5）目前常用的风机每转一周，输出1个脉冲方波，风机内置霍尔电路输出波形通过一个限流电阻后，再通过103瓷片电容滤波，接单片机的输入口，芯片通过对输入脉冲方波频率的检测，来判断风机的转速。若转速低于目标转速，则加大可控硅导通角，提高风机电压的有效值，使风机转速增大;转速高于目标转速，则减小可控硅导通角，降低风机电压的有效值，使风机转速变低。

注意事项：

a.为可控硅可靠导通，需保可靠的触发可控硅，应此需注意R11的选型，保证可控硅驱动电流和电阻耐压。

b.双向可控硅TR2具有方向性，T1、T2接反后，电路不能正常工作。

c.本元器件选型适用于大功率的室内PG电机，如小功率PG电机，则直接使用AQH223固态继电器隔离驱动。

d.经实验验证：主控芯片输出可控硅（或者AQH223固态继电器）驱动脉宽（FANSpeed）建议不少于400uS。

2.带开关电源过零检测电路工作原理（见图4）

ACL和ACN为过零检测电路是市电进行采样的物理点，正半周通过R1，R2，R3降压后驱动光耦PC817，负半周通过R4，R5，R6降压后驱动光耦PC817，分别驱动三极管产生全周期的过零信号，接单片机的过零检测端（外部中斷端口）。三极管Q1导通时，为低电平;截止时，为高电平。若ACL和ACN物理采样点电压频率为F，过零信号的频率为2F。U1及U2点的电压波形如图5所示：

3.线性变压器过零检测原理

电网交流电源经变压器降压后，先经过D5，D6整流，形成脉动波形，经过三极管电路同相变换波形后，产生过零信号，接单片机外部中断口进行检测判定，注意C2电容不宜过大，否则会引起过零信号变形导致误判，增加R4保护芯片端口不被浪涌信号击穿。

四、软件系统设计

（一）软件控制算法原理

1.调速控制算法处理

PG交流电机根据风机霍尔传感器检测的脉冲反馈，算出实际的风机转速，在每个过零点之后延迟一段时间输出可控硅驱动触发信号。如果检测当前转速大于目标设定转速，加大驱动触发信号延迟时间;若检测当前转速小于目标设定转速，减小驱动触发信号延迟时间;若等于则保持驱动触发信号延迟时间不变。

2.無级调速控制算法处理

室内风机无级调速功能是，室内风机可以在当前模式的最低风速Fan_Min和最高风速Fan_Max之间进行调节，平均分为共分为若干级，假设设定为100级，级数用JSX表示，最小调节单位为1级，每一级调节的风速为（【FanMax】-【FanMin】）/100，可以滑动按键操作对风档进行调节。

注意：转速计算统一按直接取整的方法处理。

3.防共振处理

每一个空调结构系统都有自己的谐振频率，当室内风机运转时的振动频率与空调结构系统的谐振频率相同时便会产生共振，产生很大的噪音。为了减少噪音，并使电器系统稳定工作，室内风机运行时需要避开产生共振的转速范围。

（二）控制流程图

1.PG交流电机调速简要流程图

该流程图简要介绍PG电机软件控制逻辑的基本控制要点和处理方案，从整体认识PG交流电机调速控制流程。

2.电机转速反馈控制流程图

五、PG交流电机的广泛应用

PG交流电机能根据系统的要求较好地实现转速的调节，控制方法简单可靠，性能接近直流无刷电机，但成本远远低于直流无刷电机，是一种性价比极高的风机转速调节系统，在分体挂壁式空调上得到广泛应用，目前约70～80%分体挂壁式空调都在使用PG交流电机调速。PG电机较好的调速性能，连续转速变化曲线，超高的性价比获得家用电器设计师的青睐，使得PG交流电机在家电各领域普及应用，尤其是风扇、空气净化器等小功率，大风量的家电。

简单可靠的调速控制电路，直观的调速效果，也是电路控制专业教学很好的辅助教学手段，可以提高学生的兴趣和动手能力，使得教学能紧跟时代发展的潮流，最大程度提升学生的综合素质。

责任编辑 朱守锂