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