CN104617831A - 单相串励换向器电动机的驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明的单相串励换向器电动机的驱动装置包括一对驱动开关，分别设置在电动机的励磁绕组的两端，并且能在驱动位置和制动位置之间切换，在驱动位置时，电动机旋转，在制动位置时，电动机制动；在制动位置时，从电枢的第一端起依次设置有：使制动电流单向地流过制动电流路径的二极管D1，和对制动电流路径进行导通或切断的开关元件Q1，驱动装置还包括用于切换开关元件Q1的导通、截止状态的时间控制器、电容C1和二极管D2，二极管D2通过开关元件Q1设置在电枢的两端。本发明驱动装置减小了电动机开关触点和碳刷处的火花，以及机器的振动和噪音，延长机器的使用寿命。

Description

单相串励换向器电动机的驱动装置

技术领域

本发明涉及单相串励换向器电动机的驱动装置。

背景技术

单相串励换向器电动机在直流、交流这两种电源中都能够旋转驱动，被称为交直流两用电动机。这种电动机由于能够高速旋转，受电源频率的影响很小，并且制作成本低，因此被广泛地应用于使用交流电源的电动工具。

单相串励换向器电动机包括串联连接的电枢绕组和励磁绕组，当电源与电枢绕组和励磁绕组串联连接时，电动机被驱动旋转。无论交流电源或直流电源的极性如何，电动机的转矩方向被固定为单向，除非改变电枢绕组或励磁绕组的连接方向。当反向连接电枢绕组或者励磁绕组时，可以切换转矩的方向，实现制动。

传统的单相串励换向器电动机的驱动装置通常在励磁绕组两端设置双极双掷开关来切换励磁绕组的连接方向，改变电动机的转矩方向，实现电动机的制动。常态下，电枢绕组和励磁绕组串联连接，再连接至电源。当电枢绕组或励磁绕组被反向连接时，串联连接的电枢绕组和励磁绕组被短路，形成一个电流回路，从而产生与常态下相反方向的转矩，实现制动。在制动过程中，与电动机转速相应的制动电流流过电流回路，因此，在制动开始时，制动电流过大，该过大的制动电流会导致电动机的换向器产生火花、容易损坏，机器产生强烈振动和噪音，缩短了机器的使用寿命以及降低了用户的操作舒适性。

对于上述出现的技术问题，现有技术中的单相串励换向器电动机的驱动装置，通常在制动回路中串联电阻来降低制动电流，而在机器内安装大功率的电阻，会导致机器的体积增大，不能满足操作者对机器具有外形小巧的需求。

发明内容

为解决现有技术中的问题，本发明提供了一种不会导致机器体积增大的单相串励换向器电动机的驱动装置。

本发明的单相串励换向器电动机的驱动装置包括电动机，其包括一对励磁绕组和电枢，一对驱动开关，该对驱动开关分别设置在电动机的励磁绕组的两端，并且能在驱动位置和制动位置之间切换，在驱动位置时，驱动开关将励磁绕组和电动机的电枢与外部电源串联连接来使电动机旋转，在制动位置时，驱动开关将励磁绕组和电枢在与电动机旋转驱动时的方向相反的方向连接来使电动机制动；在驱动开关位于制动位置时，由电枢和励磁绕组形成的制动电流路径上，从电枢的第一端起依次设置有：二极管D1，其使制动电流单向地流过制动电流路径；开关元件Q1，其对制动电流路径进行导通或切断，单相串励换向器电动机的驱动装置还包括时间控制器，其用于切换开关元件Q1的导通、截止状态，该时间控制器能自动调整开关元件Q1导通的占空比或者频率，并将制动电流和制动时间控制在预设范围内；用于积蓄电荷的电容C1，其设置在二极管D1和开关元件Q1之间的制动电流路径与电枢的另一端之间；二极管D2，其通过开关元件Q1设置在电枢的两端，从而在开关元件Q1为截止状态时使得制动电流继续流过励磁绕组。

本发明的单向串励换向器电动机的驱动装置，通过时间控制器自动调节电动机的制动电流，将制动电流和制动时间，控制在一个合理的范围内，减小开关触点和碳刷处的火花，以及机器的振动和噪音，延长机器的使用寿命。

附图说明

图1是单相串励换向器电动机的驱动装置的电路图；

图2是驱动装置的时间控制器的电路图；

图3是通过时间控制器控制开关元件导通时的电流路径示意图；

图4是通过时间控制器控制开关元件截止时的电流路径示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述。

本发明的单相串励换向器电动机的驱动装置适用于多种电动工具，例如电圆锯、电动螺丝刀、砂光机等。

如图1所示，本发明的单相串励换向器电动机的驱动装置用于将外部电源10的电能提供给单相串励换向器电动机20，电动机20包括一对串联的励磁绕组21、22和电枢25，其中，电枢25为转子，其包括换向器。单相串励换向器电动机的驱动装置还包括一对驱动开关23、24，其分别设置励磁绕组21、22的两端。

驱动开关23、24与电动工具的操作开关联动。在操作开关被操作时，驱动开关23、24被切换到图1中的接点a上，此为驱动位置，励磁绕组21经由驱动开关23与外部电源10连接，励磁绕组22经由驱动开关24与电枢25连接。在该驱动位置时，电动机的驱动装置形成由外部电源10、电枢25、励磁绕组21、22构成的电动机20的驱动电流路径，驱动电流流过电枢25和励磁绕组21、22，电动机20单向旋转。

在操作开关未被操作时，驱动开关23、24切换到图1中接点b上，此为制动位置，励磁绕组21、22沿与电动机20驱动时相反的方向连接至电枢25上，也即，励磁绕组22通过驱动开关24连接至电枢25上与外部电源10连接的第一端，励磁绕组21通过驱动开关31连接至电枢25的第二端。

本发明的单相串励换向器电动机的驱动装置还包括连接于电枢25的第一端和驱动开关24的接点b的电流路径上，且从电枢25的第一端起顺序连接的二极管D1、用于对该电流路径进行导通、截止的开关元件Q1。优选地，开关元件Q1为FET（场效应管），本领域的普通技术人员应该可以想到，其他的开关元件也可适用。

二极管D1和开关元件Q1之间的电流路径经由用于电荷积蓄的电容C1与电枢25的第二端连接，该电枢25的第二端经由二极管D2连接于开关元件Q1和驱动开关24之间的电流路径上，二极管D2的阳极与电枢25的第二端直接连接，阴极直接连接于开关元件Q1和驱动开关24之间的电流路径上。在二极管D1和开关元件Q1之间的电流路径，以及开关元件Q1与驱动开关24之间的电流路径之间，连接有用于切换开关元件导通、截止的时间控制器30，该时间控制器30根据制动时间的变化，自动调整开关元件Q1导通的占空比或者频率，将制动电流和制动时间控制在一个合理的预设范围内。以电圆锯为例，制动电流被控制在10A以下，制动时间被控制在2S以内。

如图2所示，在本实施方式中，时间控制器30采用NE555时基芯片U2实现，时基芯片U2的电源正极Vcc，即引脚8与放电端引脚7之间并联连接有：电阻R14、串联连接的电容C7和电阻R16、串联连接的电容C8和电阻17、串联连接的电容C9和电阻R18，电阻R14与引脚7连接的一端通过电阻R15和电容C6接地，高触发端引脚6连接于电阻R15和电容C6之间的电流路径，引脚7通过二极管D5连接于电阻R15和电容C6之间的电流路径，基准电压引脚5通过电容C5接地。在其他实施方式中，NE555时基芯片U2也可以用运放、比较器、MCU或其它逻辑IC等代替；引脚8与放电端引脚7之间仅并联一组电容C7和电阻R16也能实现相同的功能。

以下通过时间控制器30详细说明电动机20的驱动开关23、24切换到制动位置后，驱动装置的动作。

在电动机20被驱动旋转时，将驱动开关23、24切换到制动位置，电容C1向时间控制器30供电，经过稳压电路后稳定在15V左右。Vcc经过电阻R14和二极管D5向电容C6充电，当电容C6的电压上升到大于1/3Vcc时，NE555 U2的引脚3输出高电平，开关元件Q1导通，图3所示的制动电流路径中的制动电流开始流动，电动机20产生与旋转方向反向的转矩（即制动转矩），电动机20的旋转速度降低。在此状态下，电动机20起到发电机作用，因此制动电流上升。

如果制动电流过度上升，则会产生换向器恶化的不良情况，因此，当电容C6的电压继续上升至大于2/3Vcc时，NE555 U2的引脚3输出低电平，开关元件Q1截止，于是，从电枢25经由二极管D1和开关元件Q1的制动电流路径被切断，形成从励磁绕组21经由二极管D2至励磁绕组22的电流路径，即回流路径，如图4所示的制动电流路径。NE555 U2的引脚7输出低电平，电容C6通过电阻R15放电；当电容C6的电压小于1/3Vcc时，NE555 U2的引脚3输出高电平，开关元件Q1再次导通，同时，NE555 U2的引脚7开路，停止对电容C6的放电，Vcc再次给电容C6充电，重复上面的制动过程。

因此，开关元件Q1的导通时间等于电容C6的充电时间，而开关元件Q1截止时间等于电容C6的放电时间。由于电容C6的放电时间只与电阻R15的大小相关，因此，开关元件Q1的截止时间是固定的。

当制动电路刚开始工作时，由于电容C7、C8、C9没有被充电，在电容C6充电时，会有电流流过电容C7、C8、C9和电阻R16、R17、R18，此时，电容C6的充电电流最大，充电时间最短，即开关元件Q1的导通时间最短，随着电容C7、C8、C9被充电，流过电容C7、C8、C9的电流会越来越小，即电容C6的充电电流越来越小，充电时间越来越长，开关元件Q1的导通时间也越来越长，开关元件Q1导通的占空比越来越大，频率越来越低。在制动过程中，电动机的转速逐渐下降，电动机发电的电压或功率，也逐渐降低，时间控制电路根据制动时间的变化，自动调整（逐渐增加）FET（Q1）导通的占空比或频率，实现将制动电流和制动时间，控制在一个合理的预设范围内。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种单相串励换向器电动机的驱动装置，其特征在于，包括：

电动机（20），其包括一对励磁绕组（21、22）和电枢（25）；

一对驱动开关（23、24），该对驱动开关（23、24）分别设置在励磁绕组（21、22）的两端，并且能在驱动位置和制动位置之间切换，在驱动位置时，驱动开关（23、24）将励磁绕组（21、22）和电枢（25）与外部电源（10）串联连接来使电动机（20）旋转，在制动位置时，驱动开关（23、24）将励磁绕组（21、22）和电枢（25）在与电动机（20）旋转驱动时的方向相反的方向连接来使电动机（20）制动；

在所述驱动开关（23、24）位于制动位置时，由电枢（25）和励磁绕组（21、22）形成的制动电流路径上，从电枢（25）的第一端起依次设置有：

二极管D1，其使制动电流单向地流过制动电流路径；

开关元件Q1，其对制动电流路径进行导通或切断，

所述单相串励换向器电动机的驱动装置还包括：

时间控制器（30），其用于切换开关元件Q1的导通、截止状态，所述时间控制器（30）能自动调整开关元件Q1导通的占空比或者频率，并将制动电流和制动时间控制在预设范围内；

用于积蓄电荷的电容C1，其设置在二极管D1和开关元件Q1之间的制动电流路径与电枢（25）的第二端之间；以及

二极管D2，其通过开关元件Q1设置在电枢（25）的两端，从而在开关元件Q1为截止状态时使得制动电流继续流过励磁绕组（21、22）。

2. 如权利要求1所述的单相串励换向器电动机的驱动装置，其特征在于，当所述一对驱动开关（23、24）切换至制动位置时，电容C1向时间控制器（30）供电。

3. 如权利要求2所述的单相串励换向器电动机的驱动装置，其特征在于，所述时间控制器（30）包括时基芯片U2和电容C6，开关元件Q1的导通时间等于电容C6的充电时间，截止时间等于电容C6的放电时间。

4. 如权利要求3所述的单相串励换向器电动机的驱动装置，其特征在于，所述电容C6的放电时间是固定的。

5.如权利要求4所述的单相串励换向器电动机的驱动装置，其特征在于，所述时基芯片U2为NE555。

6.如权利要求5所述的单相串励换向器电动机的驱动装置，其特征在于，所述时间控制器（30）还包括电阻R14、电阻R15、电阻R16 、电容C7、二极管D5，电阻R16 与电容C7串联连接，电阻R14与串联连接的电容C7和电阻R16并联连接在时基芯片U2的电源正极Vcc引脚8与放电端引脚7之间，电阻R14与放电端引脚7连接的一端通过电阻R15和电容C6接地，时基芯片U2的高触发端引脚6连接于电阻R15和电容C6之间的电流路径上，放电端引脚7通过二极管D5连接于电阻R15和电容C6之间的电流路径上。