CN107634683B - 同步电机驱动电路 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施例提供一种同步电机驱动电路，包括：与一外部交流电源串联于第一、第二节点之间的定子绕组；可控双向交流开关；与双向交流开关并联于第一、第二节点之间的交流‑直流转换电路，交流‑直流转换电路在可控双向交流开关导通时由于第一、第二节点被短路而无电流流过；位置传感器，用于检测永磁转子的磁极位置；以及开关控制电路，被配置为依据位置传感器检测的转子磁极位置信息和外部交流电源的极性信息，控制可控双向交流开关以预定方式在导通与截止状态之间切换，使定子绕组在电机起动阶段仅沿着起动方向拖动转子。本发明能够较大幅度地提高电能利用效率。

Description

同步电机驱动电路
技术领域
本发明涉及永磁同步电机的驱动电路，尤其适合于使用该电机驱动小功率负载(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。
图1示出现有技术中一种同步电机驱动电路，可使转子每次起动均沿同一个期望方向旋转。该电路中，电机定子绕圈1与双向可控硅T串联在交流电源VM的两端M、N之间，转换电路DC将交流电源转换为直流电并供给位置传感器H。位置传感器检测电机转子的磁极位置，其输出信号Vh连接到开关控制电路PC用以对双向可控硅T进行控制。图2示出该驱动电路的波形图。从图中可以看出，在该驱动电路中，无论双向可控硅T导通还是关断，交流电源始终给转换电路DC供电使转换电路DC持续输出并给位置传感器H供电(参见图2中的VH信号)。在小功率应用场合，若交流电源是二百多伏的商业用电，转换电路DC中两个电阻R2、R3所消耗的电能比电机本身消耗的电能还要多。
发明内容
本发明的实施例提供一种同步电机驱动电路，所述同步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绕组，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，以保证所述定子绕组每次通电时所述转子具有固定的起动方向。所述驱动电路包括：与一外部交流电源串联于第一、第二节点之间的定子绕组；可控双向交流开关；与所述双向交流开关并联于所述第一、第二节点之间的交流-直流转换电路；所述交流-直流转换电路在所述可控双向交流开关导通时由于所述第一、第二节点被短路而无电流流过；位置传感器，用于检测所述永磁转子的磁极位置；以及开关控制电路，被配置为依据所述位置传感器检测的转子磁极位置信息和所述外部交流电源的极性信息，控制所述可控双向交流开关以预定方式在导通与截止状态之间切换，使所述定子绕组在电机起动阶段仅沿着所述起动方向拖动所述转子。
本发明实施例中，利用三端双向晶闸管在导通后即使无驱动电流也可保持导通的特点，避免交流-直流转换电路中的电阻在三端双向晶闸管导通后仍然耗电，因此能够较大幅度地提高电能利用效率。
附图说明
附图中：
图1示出现有技术中一种同步电机驱动电路；
图2示出图1中驱动电路的波形图；
图3示意性地示出本发明中的同步电机；
图4示出本发明的同步电机驱动电路的结构框图；
图5示出依据本发明一实施例的同步电机驱动电路；
图6示出图5中驱动电路的波形图；
图7至图10分别示出依据本发明其他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3示意性地示出本发明中的同步电机。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绕组16。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。该配置可保证定子绕组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，例如四个、六个等。
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位置传感器20，位置传感器20相对定子的极轴S偏移一个角度，本例中较佳的偏移角也是α。位置传感器20较佳的可以为霍尔效应传感器。
图4示出本发明的同步电机驱动电路的结构框图。在驱动电路22中，定子绕组16与交流电源24串联于两节点A、B之间。交流电源24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。可控双向交流开关26与串联的定子绕组16和交流电源24并联于两节点A、B之间。可控双向交流开关26较佳的为三端双向晶闸管(TRIAC)，其两个阳极分别连接两节点A和B。可以理解，可控双向交流开关26也可例如由反向并联的两个硅控整流器实现，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。交流-直流转换电路28与开关26并联于两节点A、B之间。交流-直流转换电路28将两节点A、B之间的交流电转换为低压直流电。位置传感器20可由交流-直流转换电路30输出的低压直流电供电，用于检测同步电机10的永磁转子14的磁极位置，并输出相应信号。开关控制电路30与交流-直流转换电路28、位置传感器20和可控双向交流开关26连接，被配置为依据位置传感器20检测的转子磁极位置信息和从交流-直流转换电路28获取的交流电源24的极性信息，控制可控双向交流开关26以预定方式在导通与截止状态之间切换，使定子绕组16在电机起动阶段仅沿着前述的固定起动方向拖动转子14旋转。本发明中，当可控双向交流开关26导通时，两个节点A、B被短路，交流-直流转换电路28因无电流流过而不再耗电，因此能够较大幅度地提高电能利用效率。
图5示出依据本发明一实施例的同步电机驱动电路40的电路图。其中，电机的定子绕组16与交流电源24串联于两个节点A、B之间。三端双向晶闸管26的第一阳极T1和第二阳极T2分别连接两节点A、B。交流-直流转换电路28与三端双向晶闸管26并联于两节点A、B之间。交流-直流转换电路28将两节点A、B之间的交流电转换为低压直流电(较佳的为3伏到18伏之间)。转换电路28包括分别经第一电阻R1和第二电阻R2反向并接于两节点A、B之间的第一稳压二极管Z1和第二稳压二极管Z2。第一电阻R1与第一稳压二极管Z1的阴极的连接点形成交流-直流转换电路28的较高电压输出端C，第二电阻R2与第二稳压二极管Z2的阳极的连接点形成交流-直流转换电路28的较低电压输出端D。电压输出端C和D分别连接位置传感器20的正、负电源端子。开关控制电路30通过三个端子分别连接交流-直流转换电路28的较高电压输出端C、位置传感器20的输出端H1以及三端双向晶闸管26的控制极G。开关控制电路30包括第三电阻R3、第五二极管D5、以及串联于位置传感器20的输出端H1与可控双向交流开关26的控制极G之间的第四电阻R4和第六二极管D6。第六二极管D6的阳极连接可控双向交流开关的控制极G。第三电阻R3一端连接交流-直流转换电路28的较高电压输出端C，另一端连接第五二极管D5的阳极。第五二极管D5的阴极连接可控双向交流开关26的控制极G。
结合图6，对驱动电路40的工作原理进行描述。图6中Vac表示交流电源24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。V1表示稳压二极管Z1两端的电压波形，V2表示稳压二极管Z2两端的电压波形，Vcd表示交流-直流转换电路28的两输出端C、D之间的电压波形，Ha表示位置传感器20的输出端H1的信号波形，Hb表示位置传感器20所检测的转子磁场。本例中，位置传感器20被正常供电的情况下，检测的转子磁场为北极(North)时其输出端H1输出逻辑高电平，检测到南极(South)时其输出端H1输出逻辑低电平。
位置传感器20检测的转子磁场Hb为North时，在交流电源的第一个正半周，从时间t0到t1电源电压逐渐增大，位置传感器20的输出端H1输出高电平，电流依次经过电阻R1、电阻R3、二极管D5、以及双向晶闸管26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26导通。双向晶闸管26导通后将A、B两个节点短路，因此电机的定子线圈16中电流逐渐增大，直至有较大的正向电流流过，驱动转子14沿图3所示的顺时针方向转动。由于A、B两点被短路，在时间t1与t2之间，交流-直流转换电路28中无电流流过，因此电阻R1和R2不耗电，位置传感器20因无供电电压而停止输出。而双向晶闸管26由于流过其两个阳极T1和T2之间的电流足够大(高于其维持电流Ihold)，因此，在控制极G与第二T2之间无驱动电流的情况下，双向晶闸管26仍保持导通。在交流电源的负半周，在时间点t3之后T1、T2之间的电流小于维持电流Ihold，双向晶闸管26关断，交流-直流转换电路28中开始有电流流过，位置传感器20的输出端H1重新输出高电平。因C点电位低于E点电位，双向晶闸管26的控制极G与第二阳极T2之间无驱动电流，因此双向晶闸管26保持关断。由于交流-直流转换电路28中电阻R1和R2的阻值远大于电机定子线圈16的电阻值，此时流过定子线圈16的电流值远小于时间段t1与t2之间流过定子线圈16的电流值，对转子14基本不产生驱动力，因此，转子14在惯性作用下继续沿顺时针方向转动。在交流电源的第二个正半周，与第一个正半周相同，电流依次经过电阻R1、电阻R3、二极管D5、以及双向晶闸管26的控制极G和第二阳极T2，双向晶闸管26重新导通，流过定子线圈16的电流继续驱动转子14沿顺时针方向转动，同样的，A、B两节点被短路因此电阻R1和R2不耗电；到电源负半周，双向晶闸管26的两个阳极T1、T2之间的电流小于维持电流Ihold时，双向晶闸管26再次关断，转子在惯性作用下继续沿顺时针方向转动。
时间点t4，位置传感器20所检测的转子磁场Hb由North变为South，此时交流电源仍在其正半周，且双向晶闸管26已经导通，将A、B两点短路，交流-直流转换电路28中无电流流过。交流电源进入负半周后，流过双向晶闸管26的两个阳极T1、T2的电流逐渐减小，在时间点t5，双向晶闸管26被关断。随后电流依次流过双向晶闸管26的第二阳极T2和控制极G、二极管D6、电阻R4、位置传感器20、电阻R2和定子线圈16。随着驱动电流逐渐增大，在时间点t6，双向晶闸管26重新导通，将A、B两个节点再次短路，电阻R1和R2不耗电，位置传感器20因无供电电压而停止输出。定子线圈16中有较大反向电流流过，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。在时间点t5与t6之间，第一稳压二极管Z1和第二稳压二极管Z2导通，因此交流-直流转换电路28的两输出端C、D之间有电压输出。在时间点t7，交流电源再次进入正半周，双向晶闸管26电流过零关断，在这之后控制电路电压逐渐增加。随着电压逐渐增大，交流-直流转换电路28中开始有电流流过，位置传感器20的输出端H1输出为低电平，双向晶闸管26的控制极G与第二阳极T2之间无驱动电流，因此双向晶闸管26关断。由于流过定子线圈16的电流很小，因此对转子14基本不产生驱动力。在时间点t8，电源为正，位置传感器输出低电平，双向晶闸管26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。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。。
本发明实施例利用三端双向晶闸管在导通后即使无驱动电流也可保持导通的特点，避免交流-直流转换电路28的电阻R1和R2在三端双向晶闸管导通后仍然耗电，因此能够较大幅度地提高电能利用效率。
图7示出依据本发明另一实施例的同步电机驱动电路42的电路图。其中，电机的定子绕组16与交流电源24串联于两个节点A、B之间。三端双向晶闸管26的第一阳极T1和第二阳极T2分别连接两节点A、B。交流-直流转换电路28与三端双向晶闸管26并联于两节点A、B之间。交流-直流转换电路28将两节点A、B之间的交流电转换为低压直流电，较佳的为3伏到18伏之间。交流-直流转换电路28串联于两节点A、B之间的第一电阻R1和全波整流桥。所述全波整流桥包括并联的两个整流支路，其中一个整流支路包括反向串联的第一二极管D1和第三二极管D3，另一个整流支路包括反向串联的第稳压二极管Z2和第四稳压二极管Z4，所述第一二极管D1的阴极和第三二极管D3的阴极的连接点形成交流-直流转换电路28的较高电压输出端C，第二稳压二极管Z2的阳极和第四稳压二极管Z4的阳极的连接点形成交流-直流转换电路28的较低电压输出端D。两个输出端C和D分别连接位置传感器20的电源正端和电源负端。开关控制电路30包括第三电阻R3、第四电阻R4、以及反相串联于位置传感器20的输出端H1与可控双向交流开关26的控制极G之间的第五二极管D5和第六二极管D6。第五二极管D5和第六二极管D6的阴极分别连接位置传感器的输出端H1和可控双向交流开关的控制极G。第三电阻R3一端连接交流-直流转换电路的较高电压输出端C，另一端连接第五二极管D5和第六二极管D6的阳极的连接点。第四电阻R4的两端分别连接第五二极管D5和第六二极管D6的阴极。
图8示出依据本发明另一实施例的同步电机驱动电路44的电路图。驱动电路44与前一实施例中驱动电路42相似，区别之处在于，驱动电路44的整流器中由普通二极管D1和D4代替驱动电路42中的稳压二极管Z1和Z4。此外，驱动电路44中，交流-直流转换电路28的两输出端C、D之间接有稳压二极管Z7。
图9示出依据本发明另一实施例的同步电机驱动电路46的电路图。其中，电机的定子绕组16与交流电源24串联于两个节点A、B之间。三端双向晶闸管26的第一阳极T1和第二阳极T2分别连接两节点A、B。交流-直流转换电路28与三端双向晶闸管26并联于两节点A、B之间。交流-直流转换电路28将两节点A、B之间的交流电转换为低压直流电，较佳的为3伏到18伏之间。交流-直流转换电路28包括串联于两节点A、B之间的第一电阻R1和全波整流桥。所述全波整流桥包括并联的两个整流支路，其中一个整流支路包括反向串联的两个硅控整流器S1和S3，另一个整流支路包括反向串联的第二二极管D2和第四二极管D4。两个硅控整流器S1和S3的阴极的连接点形成交流-直流转换电路28的较高电压输出端C，第二二极管D2的阳极和第四二极管D4的阳极的连接点形成交流-直流转换电路28的较低电压输出端D。两个输出端C和D分别连接位置传感器20的正、负电源端子。开关控制电路30包括第三电阻R3、NPN三极管T6、以及串联于位置传感器20的输出端H1与可控双向交流开关26的控制极G之间的第四电阻R4和第五二极管D5。第五二极管D5的阴极连接位置传感器的输出端H1。第三电阻R3一端连接交流-直流转换电路的较高电压输出端C，另一端连接位置传感器的输出端H1。NPN三极管T6的基极连接位置传感器的输出端H1，发射极连接第五二极管D5的阳极，集电极连接交流-直流转换电路的较高电压输出端C。
本实施例中，可以通过端子SC1给两个硅控整流器S1和S3的阴极输入一个参考电压，通过端子SC2给S1和S3的控制端输入控制信号。当端子SC2输入的控制信号为高电平时，S1和S3导通，当端子SC2输入的控制信号为低电平时，S1和S3关断。依据这一配置，在电路正常工作情况下，可使端子SC2输入高电平使S1和S3按预定方式在导通和关断之间切换。当发生故障需要停止电机时，可将端子SC2输入的控制信号由高电平变为低电平，使S1和S3保持关断，此时，双向晶闸管26、转换电路28、以及位置传感器20均断电，保证整个电路处于零耗电状态。
图10示出依据本发明另一实施例的同步电机驱动电路48的电路图。驱动电路48与前一实施例中驱动电路46相似，区别之处在于，驱动电路48的整流器中由普通二极管D1和D3代替驱动电路46中的硅控二极管S1和S3，并且，交流-直流转换电路28的两输出端C、D之间连接有稳压二极管Z7。此外，本实施例的驱动电路48中，开关控制电路30与双向晶闸管26之间设有转向预设电路50。转向预设电路50包括设于第一跳线开关J1、第二跳线开关J2、以及与第二跳线开关J2串联的反相器NG。与驱动电路46类似，本实施例中开关控制电路30包括电阻R3、电阻R4、NPN三极管T5、以及二极管D6。电阻R4一端连接三极管T5的发射极和二极管D6的阳极的连接点，另一端与第一跳线开关J1的一端，第一跳线开关J1的另一端连接双向晶闸管26的控制极G，串联的第二跳线开关J2和反相器NG并联于第一跳线开关J1的两端之间。本实施例中，当选择跳线开关J1导通而J2关断时，与前面的实施例一样，转子14仍沿顺时针方向起动，当选择跳线开关J2导通而J1关断时，可使转子14变更为沿逆时针方向起动。这样，通过选择两个跳线开关中一个导通，另外一个关断，可以选择电机转子的起动方向。因此，在需要为具有相反旋转方向的不同应用提供驱动电机时，只需相应选择两个跳线开关J1、J2中一个导通，另外一个关断即可，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。
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。

Claims (14)

1.一种同步电机驱动电路，所述同步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绕组，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，以保证所述定子绕组每次通电时所述转子具有固定的起动方向；所述驱动电路包括：
与一外部交流电源串联于第一、第二节点之间的定子绕组；
可控双向交流开关；
与所述双向交流开关并联于所述第一、第二节点之间的交流-直流转换电路；所述交流-直流转换电路在所述可控双向交流开关导通时由于所述第一、第二节点被短路而无电流流过；
位置传感器，用于检测所述永磁转子的磁极位置；以及
开关控制电路，被配置为依据所述位置传感器检测的转子磁极位置信息和所述外部交流电源的极性信息，控制所述可控双向交流开关以预定方式在导通与截止状态之间切换，使所述定子绕组在电机起动阶段仅沿着所述起动方向拖动所述转子；所述开关控制电路包括三个端子，其中第一端子连接所述交流-直流转换电路的较高电压输出端，第二端子连接所述位置传感器的输出端，第三端子连接所述可控双向交流开关的控制极；所述交流-直流转换电路的较高电压输出端和较低电压输出端分别连接所述位置传感器的正、负电源端子。
2.如权利要求1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，所述三端双向晶闸管的第一阳极和第二阳极分别连接所述第一、第二节点，所述三端双向晶闸管的控制极连接所述开关控制电路。
3.如权利要求1或2所述的驱动电路，其特征在于，所述交流-直流转换电路包括全波整流电路，所述全波整流电路具有较高电压输出端和较低电压输出端。
4.如权利要求3所述的驱动电路，其特征在于，所述较高电压输出端和较低电压输出端之间连有稳压二极管。
5.如权利要求3所述的驱动电路，其特征在于，所述交流-直流转换电路包括分别经第一电阻和第二电阻反向并接于所述第一、第二节点之间的第一二极管和第二二极管，所述第一电阻与第一二极管的阴极的连接点形成所述交流-直流转换电路的较高电压输出端，第二电阻与第二二极管的阳极的连接点形成所述交流-直流转换电路的较低电压输出端，所述第一二极管和第二二极管为稳压二极管。
6.如权利要求3所述的驱动电路，其特征在于，所述交流-直流转换电路包括串联于所述第一、第二节点之间的第一电阻和全波整流桥。
7.如权利要求6所述的驱动电路，其特征在于，所述全波整流桥包括并联的两个整流支路，其中一个整流支路包括反向串联的第一二极管和第三二极管，另一个整流支路包括反向串联的第二极管和第四二极管，所述第一二极管的阴极和第三二极管的阴极的连接点形成交流-直流转换电路的较高电压输出端，第二二极管的阳极和第四二极管的阳极的连接点形成交流-直流转换电路的较低电压输出端。
8.如权利要求7所述的驱动电路，其特征在于，所述第二二极管和第四二极管为稳压二极管。
9.如权利要求6所述的驱动电路，其特征在于，所述全波整流桥包括并联的两个整流支路，其中一个整流支路包括反向串联的两个硅控整流器，另一个整流支路包括反向串联的第二二极管和第四二极管，所述两个硅控整流器的阴极的连接点形成交流-直流转换电路的较高电压输出端，所述第二二极管的阳极和第四二极管的阳极的连接点形成交流-直流转换电路的较低电压输出端。
10.如权利要求9所述的驱动电路，其特征在于，所述驱动电路还包括连接所述两个硅控整流器的阴极的第一信号端子和连接所述两个硅控整流器的控制端的第二信号端子，所述第一信号端子连接参考电压；在电路正常工作情况下所述第二信号端子输入的控制信号保证所述两个硅控整流器依预定方式在导通和关断之间切换，发生故障时所述第二信号端子输入的控制信号使所述两个硅控整流器保持关断。
11.如权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，所述开关控制电路的第三端子与所述可控双向交流开关的控制极之间设有转向预设电路，所述转向预设电路包括连接于所述第三端子与所述可控双向交流开关的控制极之间的第一跳线开关，以及与所述第一跳线开关并联于所述第三端子和控制极之间的串联的第二跳线开关和反相器。
12.如权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，所述开关控制电路还包括第三电阻、第四电阻、以及反相串联于位置传感器的输出端与可控双向交流开关的控制极之间的第五二极管和第六二极管；所述第五二极管和第六二极管的阴极分别连接位置传感器的输出端与可控双向交流开关的控制极；所述第三电阻一端连接交流-直流转换电路的较高电压输出端，另一端连接第五二极管和第六二极管的阳极的连接点；所述第四电阻的两端分别连接第五二极管和第六二极管的阴极。
13.如权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，所述开关控制电路还包括第三电阻、第五二极管、以及串联于位置传感器的输出端与可控双向交流开关的控制极之间的第四电阻和第六二极管；所述第六二极管的阳极连接可控双向交流开关的控制极；所述第三电阻一端连接交流-直流转换电路的较高电压输出端，另一端连接第五二极管的阳极和位置传感器的输出端；第五二极管的阴极连接可控双向交流开关的控制极。
14.如权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，所述开关控制电路还包括第三电阻、NPN三极管、以及串联于位置传感器的输出端与可控双向交流开关的控制极之间的第四电阻和第五二极管；所述第五二极管的阴极连接位置传感器的输出端；所述第三电阻一端连接交流-直流转换电路的较高电压输出端，另一端连接位置传感器的输出端；所述NPN三极管的基极连接位置传感器的输出端，发射极连接第五二极管的阳极，集电极连接交流-直流转换电路的较高电压输出端。
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