CN105375834B - 电机驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明的实施例提供一种电机驱动电路，所述电机包括定子和可相对定子旋转的永磁转子。所述驱动电路包括与所述定子线圈串联于一外部交流电源的两端之间的可控双向交流开关、用于检测所述永磁转子的磁极位置的第一、第二位置传感器；以及连接于所述交流电源与可控双向交流开关之间的电压调节电路。所述电压调节电路在所述交流电源的正半周期和负半周期分别供电给第一、第二位置传感器，使得所述交流开关以预定方式在导通与关断之间切换，从而使所述定子线圈在电机起动阶段仅沿着一个固定方向拖动所述转子。

Description

电机驱动电路

技术领域

本发明涉及永磁电机的驱动电路，尤其适合于如小功率风扇、水泵等的应用中。

背景技术

同步电机在起动过程中，定子的电磁体产生交变磁场，并拖动永磁转子发生振荡，如果转子获得足够动能，转子的振荡幅度将不断增加，最终使转子的旋转迅速加速至与定子的交变磁场同步。传统同步电机，为确保起动，电机的起动点设置通常较低，导致电机无法在工作点上运行，因此效率较低。另一方面，由于交流电的特性以及永磁转子停止位置不固定，无法保证转子每次起动都沿同一个方向定向旋转，因此，在风扇、水泵等应用中，受转子驱动的叶轮通常采用直型径向叶片，导致风扇、水泵等本身的运行效率也较低。

本发明旨在提供一种新型的电机驱动电路。

发明内容

本发明的实施例提供一种电机驱动电路，所述电机包括定子和可相对定子旋转的永磁转子。所述定子包括定子磁芯及缠绕于定子磁芯上的定子线圈。所述驱动电路包括：与所述定子线圈串联于一外部交流电源的两端之间的可控双向交流开关、用于检测所述永磁转子的磁极位置的第一、第二位置传感器、以及连接于所述交流电源与可控双向交流开关之间的电压调节电路，所述电压调节电路在所述交流电源的正半周期和负半周期分别供电给第一、第二位置传感器，使得所述交流开关以预定方式在导通与关断之间切换，从而使所述定子线圈在电机起动阶段仅沿着一个固定方向拖动所述转子。

较佳的，所述第一、第二位置传感器相对于所述永磁转子的磁极具有相同的磁场位置。

较佳的，还包括第一单向导通开关，所述第一单向导通开关的电流输出端连接所述可控双向交流开关的控制端。

较佳的，所述第一位置传感器的输出端连接所述第一单向导通开关的电流输入端，所述第二位置传感器的输出端通过一电阻连接到所述第一单向导通开关的电流输出端。

较佳的，所述电压调控电路包括至少分别通过第一、第二电阻反向并联于所述交流电源两端的第一、第二稳压二极管，所述第一位置传感器的正电源端子连接所述第一稳压二极管的阴极，所述第二位置传感器的负电源端子连接所述第二稳压二极管的阳极，所述第一位置传感器的负电源端子和所述第二位置传感器的正电源端子分别连接参考电压。

较佳的，所述第一稳压二极管的阳极、所述第二稳压二极管的阴极、所述第一位置传感器的负电源端子、以及所述第二位置传感器的正电源端子均连接所述交流电源的零线。

较佳的，所述电压调节电路还包括串接于所述第一电阻与第一稳压二极管之间的第二单向导通开关、以及串接于所述第二电阻与第二稳压二极管之间的第三单向导通开关，所述第二单向导通开关的电流输出端与所述第一稳压二极管的阴极连接，所述第三单向导通开关的电流输入端与所述第二稳压二极管的阳极连接。

较佳的，还包括连接于所述第一单向导通开关与所述可控双向交流开关的控制极之间的反相器。

较佳的，还包括与所述反相器并联于所述第一单向导通开关与可控双向交流开关的控制极之间的开关。

较佳的，所述可控双向交流开关为三端双向晶闸管。

较佳的，所述单向导通开关为二极管或三极管。

较佳的，所述可控双向交流开关与电压调节电路并联，使得所述可控双向交流开关导通时所述电压调节电路中无电流流过。

较佳的，所述定子与永磁转子之间形成不均匀气隙，使所述永磁转子在静止时其极轴相对于定子的极轴偏移一个角度。

较佳的，所述转子包括至少一块永磁铁，所述定子绕组与一交流电源串联时所述转子在稳态阶段以60f/p圈/分钟的转速恒速运行，其中f是所述交流电源的频率，p是所述转子的极对数。

附图说明

附图中：

图1和图2示意性地示出本发明中的同步电机；

图3示出本发明一种同步电机驱动电路的结构框图；

图4示出依据本发明一实施例的同步电机驱动电路；

图5示出依据本发明另一实施例的同步电机驱动电路；

图6出图5中驱动电路的波形图；

图7示出依据本发明另一实施例的同步电机驱动电路；

图8示出本发明另一种同步电机驱动电路的结构框图；

图9示出依据本发明另一实施例的同步电机驱动电路。

具体实施方式

下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其他有益效果显而易见。可以理解，附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。附图中显示的尺寸仅仅是为便于清晰描述，而并不限定比例关系。

图1示出本发明中的同步电机的示意性。所述同步电机10包括定子12、可旋转地设于定子12的磁极之间的永磁转子14，定子12具有串联连接的定子线圈16。转子14包括至少一块永磁铁，定子绕组16与一交流电源串联时转子14在稳态阶段以60f/p圈/分钟的转速恒速运行，其中f是所述交流电源的频率，p是所述转子的极对数。定子12的磁极和转子14的磁极之间具有不均匀气隙18，使得转子14在静止时其极轴R相对于定子12的极轴S偏移一个角度α。该配置可保证定子线圈16每次通电时转子14具有固定的起动方向(本例中为沿顺时针方向)。图3中定子和转子均具有两个磁极。可以理解的，在更多实施例中，定子和转子也可以具有更多磁极，例如如图2所示，定子12和转子14均具有四个磁极，定子12上或定子内靠近转子的位置设有用于检测转子磁极位置的第一位置传感器20和第二位置传感器22。本例中，第一、第二位置传感器20和22沿对角线放置，相对于所述永磁转子的磁极具有相同的磁场位置，若两个位置传感器都通电，两者输出的检测信号是相同的。两个位置传感器20和22较佳的可以为霍尔效应传感器，并且相对定子的极轴S偏移一个角度，较佳的，该偏移角也是α。

图3示出本发明一种同步电机驱动电路的结构框图。所述驱动电路24由交流电源26供电。交流电源26较佳的可以是市电交流电源，具有例如50赫兹或60赫兹的固定频率，电流电压例如可以是110伏、220伏、230伏等。电机10的定子线圈16与可控双向交流开关28串联于两个节点A、B之间。节点A连接交流电源26的火线，节点B连接交流电源26的零线。较佳的，可控双向交流开关28为三端双向晶闸管(TRIAC)。交流电源26与可控双向交流开关之间设有电压调节电路30。电压调节电路30在交流电源的正半周期和负半周期分别供电给第一位置传感器20和第二位置传感器22，使得双向交流开关28以预定方式在导通与关断之间切换，从而使定子线圈16在电机起动阶段仅沿着一个固定方向拖动转子14,依据本发明，定子线圈通电后，转子只需旋转一圈即可加速至与定子磁场同步。较佳的，驱动电路24中设第一单向导通开关D1，第一、第二位置传感器20和22的信号输出端分别连接单向导通开关D1的电流输入端和电流输出端，可控双向交流开关28的控制端与单向导通开关D1的电流输出端连接，此配置可使得第一、第二位置传感器20和22的输出信号控制双向交流开关28。较佳的，第一单向导通开关D1为二极管，二极管的阳极为开关的电流输入端，阴极为开关的电流输出端。需要说明的是，本发明中提及两个电子元件连接时，既包括两个电子元件直接连接，也包括两个电子元件通过两者之间的其他电子元件或电路以不改变本发明所描述的工作原理的方式间接连接。

图4示出依据本发明一实施例的同步电机驱动电路32的电路图。其中，定子线圈16与三端双向晶闸管28串联于交流电源26的两端A和B之间。交流电源26与三端双向晶闸管28之间设有电压调节电路，包括分别通过第一电阻R1和第二电阻R2反向并联于两个节点A和B之间的第一稳压二极管Z1和第二稳压二极管Z2。节点A连接交流电源26的火线，节点B连接交流电源26的零线。较佳的，第一电阻R1一端连接节点A，另一端连接第一稳压二极管Z1的阴极和第一位置传感器20的正电源端子。第二电阻R2一端连接节点A，另一端连接第二位置传感器22的负电源端子和第二稳压二极管Z2的阳极，第一位置传感器20的负电源端子、第一稳压二极管Z1的阳极、第二位置传感器的正电源端子、以及第二稳压二极管Z2的阴极连接交连接节点B。第一位置传感器20的输出端H1经第三电阻连接第一位置传感器20的正电源端子，并经第四电阻R4连接到节点B。驱动电路32还设有第一单向导通开关D1，第一单向导通开关D1的电流输入端连接第一位置传感器20的输出端H1，电流输出端连接三端双向晶闸管28的控制极G，并经第五电阻R5连接第二位置传感器22的输出端H2。较佳的，第一单向导通开关D1为二极管，其阳极为电流输入端，阴极为电流输出端。

图5示出依据本发明另一实施例的同步电机驱动电路34的电路图。本实施例的驱动电路34与上一实施例的驱动电路32相似，区别之处在于，驱动电路34的电压调节电路中还具有第二单向导通开关D2和第三单向导通开关D3，第二单向导通开关D2设于第一电阻R1与第一稳压二极管Z1之间，与第一稳压二极管Z1反向串联，即第二单向导通开关D2的电流输入端连接第一电阻R1，电流输出端连接第一稳压二极管Z1的阴极。第三单向导通开关D3设于第二电阻R1与第二稳压二极管Z2之间，与第二稳压二极管Z2反向串联，即第三单向导通开关D3的电流输出端连接第二电阻R2，电流输入端连接第二稳压二极管Z1的阳极。较佳的，第二、第三单向导通开关D2和D3为二极管，二极管的阳极为电流输入端，阴极为电流输出端。

下面结合图6，对驱动电路34的工作原理进行描述。图6中Vac表示交流电源26的电压波形，Iac表示流过定子线圈16的电流波形。由于定子线圈16的电感性，电流波形Iac滞后于电压波形Vac。St表示三端双向晶闸管28的通断状态。Ha表示双向晶闸管28的导通由第一、第二位置传感器20和22中哪一个控制，其中的Ha为Hall1表示双向晶闸管28在第一位置传感器20的输出信号控制下导通，Ha为Hall2表示双向晶闸管28在第二位置传感器22的输出信号控制下导通，Hb表示位置传感器所检测的转子磁场的磁性。本例中，第一、第二位置传感器20和22被正常供电的情况下，检测的转子磁场为北极(North)时输出逻辑高电平，检测到南极(South)时输出逻辑低电平。

首先，位置传感器检测的转子磁场为North时，在交流电源的第一个正半周，随着电压逐渐增大，第二二极管D2导通，第一稳压二极管Z1将第一位置传感器20的正电源端子处的电压稳定在一个预定的正电压值附近，使第一位置传感器20正常工作，其输出端H1输出逻辑高电平。电压调节电路的另一支路上的第三二极管D3关断，第二稳压二极管Z2也关断，第二位置传感器22无工作电压，因此其输出端H2无输出。第一二极管D1导通，驱动电流依次经过第一电阻R1、第二二极管D2、电阻R3、第一二极管D1、以及双向晶闸管28的控制极G和第二阳极T2。当流过控制极G与电极T2的驱动电流大于门极触发电流Ig时，双向晶闸管28导通，正向电流流过电机的定子线圈16，驱动转子沿顺时针方向旋转。在交流电源的负半周，双向晶闸管28在电流Iac过零前关断，随后第一稳压二极管Z1关断，第一位置传感器20无工作电压，其输出端H1无输出，第一二极管D1关断。在另一支路，第二稳压二极管Z2提供的稳定电压使第二位置传感器22正常工作，其输出端H2输出逻辑高电平，因此无驱动电流流过双向晶闸管28的控制极G和第二阳极T2，双向晶闸管28保持关断，转子靠惯性沿顺时针方向转动。在交流电源的第二个正半周，与第一个正半周相同，第一位置传感器20的输出端H1输出逻辑高电平，第二位置传感器22无输出，双向晶闸管28在电流Iac过零关断后重新导通，流过定子线圈18的正向电流继续驱动转子14沿顺时针方向转动，同样的，到交流电源的下一个负半周，第二位置传感器22输出逻辑高电平，第一位置传感器20则无输出，双向晶闸管28在电流Iac过零后维持关断，转子在惯性作用下继续沿顺时针方向转动。

位置传感器检测转子磁场Hb由North变为South后，在交流电源的负半周，第一位置传感器20无工作电压，其输出端H1无输出，第二稳压二极管Z2提供的稳定电压使第二位置传感器22正常工作，其输出端H2输出逻辑低电平，第三二极管D3导通，驱动电流依次经过双向晶闸管28的第二阳极T2和控制极G、第五电阻R5、第二位置传感器22、第三二极管D3、以及第二电阻R2。当流过T2和控制极G的驱动电流大于门极触发电流Ig时，双向晶闸管28导通，反向电流流过电机的定子线圈16，由于此时转子磁场为South，因此转子14继续沿着顺时针方向被驱动。驱动转子沿顺时针方向旋转。在交流电源的正半周，双向晶闸管28在电流Iac过零时关断，第二二极管D2导通，第一位置传感器20正常工作，其输出端H1输出逻辑低电平。另一支路上的第三二极管D3关断，第二位置传感器22无工作电压，因此其输出端H2无输出。此时第一二极管D1关断，因此无驱动电流流过双向晶闸管28的控制极G和第二阳极T2，双向晶闸管28保持关断，转子靠惯性继续沿顺时针方向转动。在接下来的负半周，与前一个负半周相同，第一位置传感器20输出端H1无输出，第二位置传感器22输出逻辑低电平，第三二极管D3导通，流过T2和控制极G的驱动电流大于门极触发电流Ig时，双向晶闸管28导通，反向电流流过电机的定子线圈16，转子14继续沿着顺时针方向被驱动。到电源正半周，第一位置传感器20输出低电平，第二位置传感器22无输出，第一二极管D1关断，双向晶闸管28电流过零后维持关断状态，转子在惯性作用下继续沿顺时针方向转动。

图4的驱动电路32与驱动电路34的原理基本相同，区别之处在于，在交流电源的正半周，第二位置传感器22无输出但第二稳压二极管Z2导通，在正向电流流过定子线圈的同时，第二电阻R2和第二稳压二极管Z2形成的支路中也有电流通过。类似的，在交流电源的负半周，第一位置传感器20无输出但第一稳压二极管Z1导通，在反向电流流过定子线圈的同时，第一电阻R1和第一稳压二极管Z1形成的支路中也有电流通过。

本发明实施例具有电路简单、起动速度快、效率较高等优点。本发明实施例的驱动电路中，采用两个位置传感器，分别在交流电源的正半周期和负半周期产生输出信号，使得所述交流开关以预定方式在导通与关断之间切换，从而使定子线圈在电机起动阶段仅沿着一个固定方向拖动电机转子。依据本发明，定子线圈通电后，转子只需旋转一圈即可加速至与定子磁场同步。此外，对于驱动电路34，由于设置了第二、第三二极管D2和D3，同一时刻电压调节电路中只有一个支路中有电流通过，即在电源正半周，第三二极管D3关断，阻止电流流过第二电阻R2和第二稳压二极管Z2，在电源负半周，第二二极管D2导通，阻止电流流过第一稳压二极管Z1和第一电阻R1，因此电源效率较高。

图7示出依据本发明另一实施例的同步电机驱动电路36的电路图。驱动电路36与前一实施例中驱动电路34相似，区别之处在于，驱动电路36中，第一单向导通开关D1与双向晶闸管28之间设有转向预设电路38。转向预设电路38包括并联于第一单向导通开关D1的电流输出端与双向晶闸管28的控制极G之间的反相器NG和开关J1。当开关J1导通时，与前面的实施例一样，转子14仍沿顺时针方向起动，当开关J2关断时，可使转子14变更为沿逆时针方向起动。这样，通过选择开关J1的通断，可以选择电机转子的起动方向，而无需对驱动电路做其他修改，因此本实施例的驱动电路具有较好的通用性。

图8示出本发明另一种同步电机驱动电路的结构框图。所述驱动电路38与图4所示的驱动电路24相似，区别之处在于，驱动电路38中，交流电源26与电机的定子绕组16串联于节点A、B之间，电压调节电路30与双向晶闸管28并联。本实施例中，当双向晶闸管28导通时，电压调节电路30中无电流流过，可以避免电压调节电路30中的电阻在双向晶闸管28导通时仍然耗电，因此能够较大幅度地提高电能利用效率。

图9示出本发明另一实施例的同步电机驱动电路40的电路图。驱动电路40与驱动电路34相似，区别之处在于，驱动电路40中，电机定子线圈16与交流电源26串联于两节点A、B之间。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

例如，可控双向交流开关28也可例如由反向并联的两个硅控整流器(SCR)实现，并设置对应的控制电路以按照预定方式控制这两个硅控整流器。

例如，所述单向导通开关例如还可以是三极管。例如，本发明的驱动电路不仅适用于同步电机，也适用于其他类型的永磁电机如直流无刷电机。

Claims (13)

1.一种电机驱动电路，所述电机包括定子和可相对定子旋转的永磁转子，所述定子包括定子磁芯及缠绕于定子磁芯上的定子线圈；所述驱动电路包括：

与所述定子线圈串联于一外部交流电源的两端之间的可控双向交流开关；

用于检测所述永磁转子的磁极位置的第一、第二位置传感器，所述第一、第二位置传感器沿对角线且相对所述定子的极轴偏移一定角度设置；以及

连接于所述交流电源与可控双向交流开关之间的电压调节电路，所述电压调节电路在所述交流电源的正半周期和负半周期分别供电给第一、第二位置传感器，使得所述交流开关以预定方式在导通与关断之间切换，从而使所述定子线圈在电机起动阶段仅沿着一个固定方向拖动所述转子；

所述电压调控电路包括至少分别通过第一、第二电阻反向并联于所述交流电源两端的第一、第二稳压二极管，所述第一位置传感器的正电源端子连接所述第一稳压二极管的阴极，所述第二位置传感器的负电源端子连接所述第二稳压二极管的阳极，所述第一位置传感器的负电源端子和所述第二位置传感器的正电源端子分别连接参考电压。

2.如权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，所述第一、第二位置传感器相对于所述永磁转子的磁极具有相同的磁场位置，当检测的转子磁场为北极，且交流电源在正半周时，第一位置传感器正常工作，第二位置传感器无工作电压，所述交流开关导通；当检测的转子磁场为北极，且交流电源在负半周时，第一位置传感器无工作电压，第二位置传感器正常工作，所述交流开关关断；当检测的转子磁场为南极，且交流电源在负半周时，第一位置传感器无工作电压，第二位置传感器正常工作，所述交流开关导通；当检测的转子磁场为南极，且交流电源在正半周时，第一位置传感器正常工作，第二位置传感器无工作电压，所述交流开关关断。

3.如权利要求2所述的驱动电路，其特征在于，还包括第一单向导通开关，所述第一单向导通开关的电流输出端连接所述可控双向交流开关的控制端。

4.如权利要求3所述的驱动电路，其特征在于，所述第一位置传感器的输出端连接所述第一单向导通开关的电流输入端，所述第二位置传感器的输出端通过一电阻连接到所述第一单向导通开关的电流输出端。

5.如权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，所述第一稳压二极管的阳极、所述第二稳压二极管的阴极、所述第一位置传感器的负电源端子、以及所述第二位置传感器的正电源端子均连接所述交流电源的零线。

6.如权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，所述电压调节电路还包括串接于所述第一电阻与第一稳压二极管之间的第二单向导通开关、以及串接于所述第二电阻与第二稳压二极管之间的第三单向导通开关，所述第二单向导通开关的电流输出端与所述第一稳压二极管的阴极连接，所述第三单向导通开关的电流输入端与所述第二稳压二极管的阳极连接。

7.如权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，还包括第一单向导通开关和一反相器，所述第一单向导通开关的电流输出端连接所述可控双向交流开关的控制端，所述反相器连接于所述第一单向导通开关与所述可控双向交流开关的控制极之间。

8.如权利要求7所述的驱动电路，其特征在于，还包括与所述反相器并联于所述第一单向导通开关与可控双向交流开关的控制极之间的开关。

9.如权利要求1至8任一项所述的驱动电路，其特征在于，所述可控双向交流开关为三端双向晶闸管。

10.如权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，还包括第一单向导通开关，所述第一单向导通开关的电流输出端连接所述可控双向交流开关的控制端，所述第一单向导通开关为二极管或三极管。

11.如权利要求1至8任一项所述的驱动电路，其特征在于，所述可控双向交流开关与电压调节电路并联，使得所述可控双向交流开关导通时所述电压调节电路中无电流流过。

12.如权利要求1至8任一项所述的驱动电路，其特征在于，所述定子与永磁转子之间形成不均匀气隙，使所述永磁转子在静止时其极轴相对于定子的极轴偏移一个角度。

13.如权利要求1至8任一项所述的驱动电路，其特征在于，所述转子包括至少一块永磁铁，所述定子绕组与一交流电源串联时所述转子在稳态阶段以60f/p圈/分钟的转速恒速运行，其中f是所述交流电源的频率，p是所述转子的极对数。

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