CN109672373A - 电机及其驱动电路与驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电机及其驱动电路及驱动方法，所述电机驱动电路包括可控双向交流开关及数据处理单元，可控双向交流开关与电机绕组串联连接于交流电源的两端；数据处理单元依据接收的电机转向控制信号，并根据转子的磁场及交流电源的极性控制可控双向交流开关的导通与截止状态以控制电机以预定方向旋转或者以与预定方向相反的方向旋转。所述电机驱动电路结构简单，变换电机转向时操作方便。

Description

电机及其驱动电路与驱动方法

技术领域

本发明涉及电机技术领域，尤其涉及电机的驱动电路及驱动方法。

背景技术

电机是指依据电磁感应定律实现电能的转换或传递的一种电磁装置。它的主要作用是产生驱动转矩，作为用电器或各种机械的动力源。单相永磁电机因操作简单、控制便捷被广泛应用于各种电器产品中，例如双向排风扇，用于建筑物室内温度控制；双向水泵，用于排水或水循环控制；双向管状马达，用于幕帘控制。但是目前市场上有些电机的正反转控制电路结构复杂，还有些电机通过设置于电机电路板上的跳线控制电机的正反转，操作起来不够方便。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种结构简单的控制电机正反转的电机驱动电路、具有该电机驱动电路的电机及电机驱动方法。

本发明的实施例提供一种电机驱动电路，用于驱动电机的转子相对于定子转动，所述电机驱动电路包括：

可控双向交流开关，与电机绕组串联连接于交流电源的两端；以及

数据处理单元，被配置为依据接收的电机转向控制信号，并根据转子的磁场及交流电源的极性控制可控双向交流开关的导通与截止状态以控制电机以预定方向旋转或者以与预定方向相反的方向旋转。

本发明的实施例还提供一种电机，包括如上所述的电机驱动电路。

本发明的实施例还提供一种电机驱动方法，包括以下步骤：

检测接收的电机转向控制信号以确定电机是以预定方向旋转还是以与预定方向相反的方向旋转；

当电机以预定方向旋转，仅在驱动电机的交流电源为正半周且转子的磁场为第一极性时、以及所述交流电源为负半周且所述转子的磁场为第二极性时使与电机绕组串联连接于驱动电机的交流电源两端的可控双向交流开关导通；

当电机以与预定方向相反的方向旋转，仅在所述交流电源为正半周且转子的磁场为第二极性时、以及所述交流电源为负半周且所述转子的磁场为第一极性时使所述可控双向交流开关导通。

本发明实施例中，通过微处理器控制电机的正反转，所述微处理器可以通过内部的程序控制电机的转向，无需像现有技术中需设计硬件电路来实现电机的转向控制，简化了电路设计，而且只需变更电机转向控制信号即可改变电机转向，操作简单方便。

附图说明

附图中：

图1示出本发明的第一实施方式的电机的电路框图；

图2A示出图1中当电机的负载为纯阻性负载时驱动电路的波形图；

图2B示出图1中当电机的负载为感性负载时驱动电路的波形图；

图3示出本发明的第二实施方式的电机的电路框图；

图4示出本发明的第三实施方式的电机驱动电路的电路图；

图5示出本发明的第四实施方式的电机驱动电路的电路图；

图6示出本发明的第五实施方式的电机驱动电路的电路图；

图7示出本发明的第六实施方式的电机驱动电路的电路图；

图8-图9示出依据本发明第七实施方式的电机驱动方法的流程图。

主要元件符号说明

电机	10
		定子磁芯	12
转子	14
		定子绕组	16、16a-16d
气隙	18
		位置传感器	20、20a-26d
可控双向交流开关	26
		三端双向晶闸管	26a-26d
微处理器	30、30a-30d
		保险丝	32、32a-32d
交流电源	24、24a-24d
		电源端	Vcc
电阻	34、36、34a-34d、35b、35d、42、44
		光耦合器	38

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。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。

需要说明的是，当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

图1示意性地示出本发明中的电机10的第一实施例的电路框图。所述电机10以同步电机为例进行说明，所述电机10包括定子、可旋转地设于定子的磁极之间的转子14及电机驱动电路，所述定子包括定子磁芯及缠绕于定子磁芯上的定子绕组16。转子14为永磁转子。

定子上或定子内靠近转子14的位置设有用于检测转子的磁场的位置传感器20。所述电机驱动电路包括可控双向交流开关26、微处理器30、位置传感器20、交直流转换器29及保险丝32。所述可控双向交流开关26与定子绕组16及所述保险丝32串联于一交流电源24的两端。所述交流电源24可以是市电交流电220伏、230伏等或者逆变器输出的交流电。

所述可控双向交流开关26较佳的为三端双向晶闸管(TRIAC)，可以理解，可控双向交流开关26并不限于三端双向晶闸管，也可例如由反向并联的两个硅控整流器实现。

所述交直流转换器29经所述保险丝32连接于交流电源24的第一端及第二端之间。所述微处理器30连接一直流电源端Vcc，该电源端Vcc提供的电压可由所述交直流转换器29将交流电源24提供的交流电转换为低压直流电获得。所述位置传感器20也连接至直流电源端Vcc，以接收工作电压，所述位置传感器20用于检测电机10的转子14的磁场，并输出表示磁场的磁极位置信号至所述微处理器30。可以理解，所述微处理器30的供电电压Vcc与位置传感器20的供电电压Vcc可以相等，也可以不相等，例如提供给所述微处理器30的供电电压Vcc可为3.3V，提供给所述位置传感器20的电压可以为5V或12V。

所述微处理器30还包括一转向控制端，所述转向控制端接收转向控制信号CTRL，所述微处理器30根据所述转向控制信号控制电机的正反转。根据电磁理论可知，对于单相永磁电机，通过改变定子绕组16的供电方式即可改变电机转子的转向。如果位置传感器20感测到的转子极性为N极，流过定子绕组16的交流电源为正半周，电机正转；可以理解，如果位置传感器20感测到的转子极性仍为N极，使流过定子绕组16的交流电源为负半周，电机转子将会反转。本发明的实施方式依据此原理设计，即根据位置传感器20感测到的转子的极性调整流过定子绕组16的电流方向实现对电机正转和反转的控制。

本实施方式中，正转指顺时针旋转，反转指逆时针旋转；所述转向控制信号CTRL为低电平时电机正转，所述转向控制信号CTRL为高电平时电机反转。其他实施方式中，正转可指逆时针旋转，反转可指顺时针旋转；所述转向控制信号CTRL为高电平时电机正转，所述转向控制信号CTRL为低电平时电机反转。

所述微处理器30获得所述位置传感器20输出的表示转子的磁场的磁极位置信号，还经一电阻34与所述可控双向交流开关26的控制极连接。所述微处理器30的过零检测端经一电阻36与所述交流电源24的第一端连接，所述电阻36为低成本的阻值为兆数量级欧姆的电阻，以检测交流电源的电压过零点。所述微处理器30的极性检测端经一电阻42与所述交流电源24的第一端连接，还经一电阻44接地，以检测交流电源的极性，还可以进一步检测交流电源的电压值。其他实施例中，所述过零检测端也可以不通过电阻36连接所述交流电源24的第一端，而是直接连接所述极性检测端。所述微处理器30也可以不包括过零检测端，所述极性检测端也作为过零检测端。所述微处理器30的过零检测端和极性检测端还具有电压钳位电路。所述微处理器30可以内置一波形转换单元(图未示)，实时对交流电压的幅值进行一定比例的缩小及偏移，转换为电压值在0～Vcc(一直流电压)之间的正弦波，如果转换后的电压值大于Vcc/2，则说明交流电源的电压为正极性；如果转换后的电压值小于Vcc/2，则说明交流电源的电压为负极性。所述微处理器30被配置为检测所述交流电源24的电压过零点及所述交流电源24的极性，并根据交流电源的极性及所述转子14的磁场以预定方式控制所述可控双向交流开关的导通与截止状态。

本实施方式中，设定电机正转时，只有转子的磁场为N极、所述交流电源的极性为正半周时，或者转子的磁场为S极、所述交流电源的极性为负半周时，所述微处理器30导通所述可控双向交流开关26；当所述转子14的磁场为N极而交流电源的极性为负半周，或者所述转子14的磁场为S极而交流电源的极性为正半周时，所述微处理器30不向所述可控双向交流开关26的控制极输出驱动脉冲。电机反转时，只有转子的磁场为N极、所述交流电源的极性为负半周时，或者转子的磁场为S极、所述交流电源的极性为正半周时，所述微处理器30导通所述可控双向交流开关26；当所述转子14的磁场为N极而交流电源的极性为正半周，或者所述转子14的磁场为S极而交流电源的极性为负半周时，所述微处理器30不向所述可控双向交流开关26的控制极输出驱动脉冲。本领域技术人员可以理解，其他实施方式中，电机正反转所对应的交流电源的极性、转子的磁场及可控双向交流开关的导通方式可按照相反的逻辑进行设定，在此不再赘述。

电机中，反电动势乘以定子绕组电流正是电机产生机械功的手段，如果反电动势与定子绕组电流的乘积小于0，例如，当反电动势与定子绕组电流不同相，电机中将产生与正转矩相反的负转矩，这将会降低电机的功率效率。本发明的实施例中，在电机运行阶段，在交流电源的极性与转子的磁场对应时，在交流电源过零后延迟一定时间发送驱动脉冲至所述可控双向交流开关，依据这样的控制方式，使电机尽量产生预期中的转矩，减少正负转矩相互抵抗的耗电情况，因此能够较大幅度地提高电能利用效率。但是在电机起动阶段，为获得最大的起动转矩使电机克服转轴与轴套之间的摩擦以及电机负载的惯性而顺利起动，在交流电源的极性与转子的磁场对应时不采用延迟的方式而直接发送驱动脉冲触发可控双向交流开关。本实施方式中，通过判断磁极位置信号是否变换的形式确定电机是否已经启动或在运行；如果磁极位置信号交替变换，判断电机已经启动或进入运行阶段；如果磁极位置信号不改变，判断电机处于停止状态。

本实施方式中，所述微处理器30实时检测转向控制端接收的转向控制信号CTRL的状态，微处理器30根据转向控制信号CTRL的状态控制电机正转或者反转。在电机起动阶段，所述微处理器30在交流电源的极性与转子的磁场对应时在交流电源电压过零点后立刻发送驱动脉冲至可控双向交流开关26使可控双向交流开关26导通以驱动转子开始运转。电机运行阶段，在交流电源的极性与转子的磁场对应时，在交流电源的电压过零点后延迟一定时间控制所述可控双向交流开关导通。如果在电机运行阶段需变换电机的运转方向，所述微处理器30先停止向可控双向交流开关26输出驱动脉冲而使电机停止，再判断磁极位置信号是否停止切换以确定电机是否停止转动，在电机停止转动后，再控制电机变换运转方向。

电机运行阶段，电压过零点至发送驱动脉冲至所述可控双向交流开关26的延迟时间可根据所述交流电源24的电压值、交流电源24的频率、定子绕组16的电感值、定子绕组的内阻、所述电机的温度或者所述电机周边环境的温度、所述微处理器的温度中至少一项来确定。而且，所述交流电源24的电压值越大，所述延迟时间越长；或所述交流电源的电压值分为多个电压值区间，每一电压值区间对应一延迟时间，所在区间的电压值越大，所述延迟时间越长。

所述交流电源24的频率越低，所述延迟时间越长；或所述交流电源的频率分为多个频率区间，每一频率区间对应一延迟时间，所在区间的频率越低，所述延迟时间越长。

所述定子绕组16的电感值越小，所述延迟时间越长；或所述定子绕组的电感值分为多个电感值区间，每一电感值区间对应一延迟时间，所在区间的电感值越小，所述延迟时间越长。所述定子绕组16的内阻越小，所述延时时间越长。

根据所述定子绕组16的内阻确定延迟时间可以依靠在电机驱动电路中设置温度传感器(图未示)感测所述电机或者电机周边环境的温度实现，因为电机工作后会升温，定子绕组16的内阻和电感值、磁感应强度等参数会随温度发生变化。定子绕组16的内阻随温度变化的强度比电感值大。例如温度增加时，内阻和电感值会增加，磁感应强度减弱；温度降低时，内阻和电感值会降低，磁感应强度增强。而内阻、电感值、磁感应强度等参数的变化最终会导致定子绕组的电流与反电动势的相位差增加或者减小。所以设置用于实时感测所述电机温度或者电机周边环境的温度传感器，所述延时时间随所述电机的温度的变化而变化。由于不同参数随温度变化对定子绕组的电流与反电动势的相位差的影响可能相反，例如内阻和电感值随温度变化对定子绕组的电流与反电动势的相位差的影响和磁感应强度随温度变化对定子绕组的影响是相反的，所以延时时间与所述感测的温度的关系需根据实际情况设置。例如设置所述感测的温度越低，所述延时时间越长；或所述感测的温度分为多个温度区间，每一温度区间对应一延迟时间，所在区间的温度越低，所述延迟时间越长。

作为变更实施例，所述温度传感器也可以集成于所述微处理器内，用于感测所述微处理器的温度或电机周边环境的温度。所述微处理器的温度越低，所述延时时间越长；或所述微处理器的温度分为多个温度区间，每一温度区间对应一延迟时间，所在区间的温度越低，所述延迟时间越长。

优选的，所述微处理器30中存储所述交流电源24的电压值、交流电源24的频率、定子绕组16的电感值、所述电机的温度(电机周边环境的温度或者所述微处理器的温度)与导通所述可控双向交流开关26的延迟时间的查找表(见表1)，所述微处理器30实时检测交流电源24的电压值或频率，获取温度传感器感测的所述电机、所述电机周边环境的温度或者所述微处理器的温度，因所述定子绕组16的电感值是确定值所以无需实时读取，可预先存储于微处理器中，电机启动后获取一次所述定子绕组16的电感值即可，所述微处理器30根据这些参数从查找表中找出相应的所述可控双向交流开关26的延迟时间。

表1导通可控双向交流开关的延迟时间的查找表

其他实施方式中，可根据设计需要，电压过零点至发送驱动脉冲至所述可控双向交流开关26的延迟时间可根据所述交流电源24的电压值、交流电源24的频率、定子绕组16的电感值、定子绕组的内阻、所述电机的温度或者所述电机周边环境的温度、所述微处理器的温度中的一项或者几项的组合来确定，每个参数还可以分成不同区间，根据这些参数所在的区间确定所述延迟时间。

在图1所述实施方式中，所述微处理器30被配置为检测所述交流电源24的电压值、电压过零点及所述交流电源24的极性，并依据与所述交流电源24的电压值所对应的可控双向交流开关26的延迟时间或触发角(firing angle)、电压过零点、交流电源的极性及所述转子14的磁场，控制所述可控双向交流开关26以预定方式在导通与截止状态之间切换使电机10在运转过程中尽量只产生预期中的转矩，以大幅度地提高电能利用效率。该触发角可根据延迟时间及交流电源的幅值电源的频率换算得出。

虽然图示的实施例中以微处理器30作为数据处理单元，但是可以理解，所述微处理器30可以被包括任何适合于执行上述操作的电气或半导体器件替代。例如，所述数据处理单元可以为专用集成电路(ASIC)，该ASIC为根据用户需要定制，还可进一步包括霍尔传感器的功能，但该ASIC体积更小、速度更快、制造及支持费用低。或者所述位置传感器设于第一裸片上，所述数据处理单元设于第二裸片上，所述第一及第二裸片集成于同一IC封装内。所述数据处理单元还可以由分立元件如可编程逻辑器件(Programmable LogicDevice，PLD)或可编程阵列逻辑器(Programmable Array Logic，PAL)替换。

结合图2A，对驱动电路的工作原理进行描述。图2A中Vac表示交流电源24的电压波形，Hb表示位置传感器20所检测的转子的磁场，Triac’s Gate trigger pulse表示所述可控双向交流开关26的控制极的驱动脉冲，Triac表示所述可控双向交流开关26的导通和截止状态，on为导通，off为截止(对应斜划线波形部分)。

所述交流电源24可以是从电网里面提取的电力资源，如果电网负载出现较大的增加或减少常常会引起电网电压的波动，即所述交流电源24提供电压是波动的，而且，全世界不同国家市电有不相同的电压标准，如有的国家标准为220伏，有的国家标准为110伏，这些电压值的大小及发生的波动都会对电机的工作产生影响。逆变器输出的交流电源也有可能存在波动。本实施方式中，所述微处理器30中存储一交流电源的幅值或者有效值与所述可控双向交流开关26的触发角的查找表(见表2)，所述微处理器30实时检测交流电源24的当前电压值，根据当前电压值和当前电压值对应的角度(这里的角度是指每个交流电源的周期0度到360度中的某个角度，例如90度对应的电压幅值)，计算出交流电源的幅值或者有效电压值，并根据交流电源24的幅值或者有效电压值从查找表中找出相应的所述可控双向交流开关26的触发角。具体于本实施方式，将交流电源24的电压值分为多个区间，每一区间对应一触发角，所述微处理器30判断检测到的交流电源的电压值所处的电压区间，并根据查找表确定对应的触发角。在其他实施方式中，所述微处理器30中也可以存储某些预定角度(例如选择0度到360度中的30度、60度等)对应的交流电源的电压值与所述可控双向交流开关26的触发角的查找表。所述微处理器30实时检测上述预定角度对应的交流电源的电压值，并根据此电压值从查找表中找出相应的所述可控双向交流开关26的触发角。

表2交流电源的幅值与可控双向交流开关触发角的查找表

作为一种替代方案，所述微处理器30中也可不存储触发角，而是存储与交流电源24电压值对应的延迟时间，该延迟时间可根据触发角及交流电源的幅值、电源的频率换算得出。

本发明的实施例中，触发角或延迟时间可为根据本发明的设计原理经成熟实验获得的数据。对应的触发角或延迟时间根据交流电源24的电压值、交流电源24的频率、定子绕组16的电感值、定子绕组的内阻、所述电机的温度或者所述电机周边环境的温度、所述微处理器的温度中至少一项来进行选择，因应电网电压波动、各国标准不同的电压、不同的市电频率、不同电机中定子绕组的不同电感值或温度等对电机10可实现更好的功率控制。

所述微处理器30还实时检测所述交流电源24的电压过零点，即判断交流电源24的极性是否从正到负，或者从负到正。当检测到交流电源的电压过零点时，还判断电压过零点后交流电源24的极性的正负，即判断交流电源为正半周或负半周。

所述位置传感器20实时检测转子的磁场，并将所述转子的磁场传送给所述微处理器30。本实施方式中，所述位置传感器20优选为开关型霍尔传感器。具体于本实施例中，位置传感器20被正常供电的情况下，检测的转子的磁场为北极(North，N)时其输出端输出逻辑高电平，检测到南极(South，S)时其输出端输出逻辑低电平。当然，其他实施方式中位置传感器20还可为线性霍尔传感器或光电编码器，本领域技术人员可以理解，也可以采用非角度传感器法如检测反电动势过零法确定转子的磁场。其他实施方式中位置传感器20还可采用与本实施方式磁场及电平对应关系相反的开关型霍尔传感器。

所述微处理器30检测到所述交流电源24的电压过零点后，根据交流电源的极性及所述转子的磁场决定是否导通所述可控双向交流开关26。本实施方式中，以电机正转为例进行说明，转子的磁场为N极、所述交流电源的极性为正半周时，或者转子的磁场为S极、所述交流电源的极性为负半周时，所述微处理器30在电压过零点后延迟预定的与所述交流电源的电压值所对应的可控双向交流开关26的触发角输出驱动脉冲至所述可控双向交流开关26。当所述转子14的磁场为N极而交流电源的极性为负半周，或者所述转子14的磁场为S极而交流电源的极性为正半周时，所述微处理器30不向所述可控双向交流开关26的控制极输出驱动脉冲。

具体于图2A中，在电机起动阶段，如在t0时刻(出现交流电源的电压过零点)，所述微处理器30检测到交流电源的电压过零点，获得电压过零点后转子的磁场为N极，所述交流电源的极性处于正半周，所述微处理器30在t0时刻发送驱动脉冲至所述可控双向交流开关26以导通所述可控双向交流开关26。具体工作时，所述微处理器30发送驱动脉冲给所述可控双向交流开关26的控制极，所述驱动脉冲具有一脉冲宽度，所述可控双向交流开关26将会在所述交流电源电压过零点后经脉冲宽度所持续的时段后导通，即t1时刻导通。较佳的，如果所述驱动脉冲的脉冲宽度所持续的时段没有达到预定时长，幅度不够达到导通电流，所述可控双向交流开关26将不会导通。所述可控双向交流开关26导通后，电机的定子绕组16中电流流过，定子绕组16中感应出反电动势，产生预期中的转矩，驱动转子14沿预定方向如顺时针方向转动。到达t2时刻(下一个交流电源的电压过零点)，所述微处理器30检测到交流电源的电压过零点，继续判断位置传感器20检测的转子的磁场为N极，所述交流电源的极性处于负半周，所述微处理器30不做任何动作，即不输出驱动脉冲至所述可控双向交流开关26，所述可控双向交流开关26将会在流过所述可控双向交流开关26的工作电流于接近过零时自动关断，实际上，当电机具有非常小的电感值，像纯阻性负载，在所述交流电源24的电压过零点处，所述交流电源24输出的电流接近0安培，小于所述可控双向交流开关的保持电流阀值(holding current threshold)，所述可控双向交流开关26关断。在其他实施方式中，如果电机具有较高电感性负载，所述的电流接近0安培的时刻会在所述交流电源24的电压过零点处稍后的时间才发生，请参考图2B，如所述可控双向交流开关26在t2时刻稍后的时间才关断。此时流过定子绕组16的电流很小(因为存储在定子绕组16内的反应能量(reactive energy)很小)，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t3时刻(又一个交流电源的电压过零点)，所述微处理器30又检测到交流电源的电压过零点，判断位置传感器20检测的转子的磁场为N极，所述交流电源的极性处于正半周，微处理器30的处理过程与t0时刻类似，在此不再赘述。

当所述微处理器30确定电机开始转动进入运行阶段，所述微处理器30检测所述交流电源24的电压值，如获得交流电源24的电压值为115V，根据表1所示的查找表，可以确定所述可控双向交流开关26的触发角为BB，例如，该角度为30度。如在t4时刻(出现交流电源的电压过零点)，所述微处理器30检测到交流电源的电压过零点，获得位置传感器20检测的转子的磁场为N极，所述交流电源的极性处于正半周，所述微处理器30从交流电源的电压过零点即t4时刻开始延迟30度触发角(如图2A中A-Fir)即t5时刻发送驱动脉冲至所述可控双向交流开关26以导通所述可控双向交流开关26。所述可控双向交流开关26将会在所述交流电源电压过零点后经触发角A-Fir及脉冲宽度所持续的时段后导通。到达t6时刻，所述可控双向交流开关26在流过的工作电流于接近过零时自动关断，而且在t6时刻，所述微处理器30检测到交流电源的电压过零点，判断过零点后位置传感器20检测的转子的磁场为S极，所述交流电源的极性处于负半周，所述微处理器30从交流电源的电压过零点即t6时刻开始延迟30度触发角(如图2A中A-Fir)即t7时刻发送驱动脉冲至所述可控双向交流开关26以导通所述可控双向交流开关26。所述可控双向交流开关26将会在所述交流电源电压过零点(t6时刻)后经触发角A-Fir及脉冲宽度所持续的时段后导通。在电机运行阶段，微处理器30的接下来的处理过程与上述相同条件发生时的情况类似，在此不再赘述。上面整个过程中所述微处理器30的控制原则请参考如下表3。

表3微处理器控制方式

当电机反转时，所述微处理器30检测到所述交流电源24的电压过零点后，根据交流电源的极性及所述转子的磁场确定所述可控双向交流开关26的导通及关断状态的情况与上述方式正好相反，如当转子的磁场为S极、所述交流电源的极性为正半周时，或者转子的磁场为N极、所述交流电源的极性为负半周时，在电机启动时，所述微处理器30立刻发送驱动脉冲至所述可控双向交流开关26，在电机启动后的运行阶段，延迟预定的触发角发送驱动脉冲至所述可控双向交流开关26。所述转子14的磁场为S极且交流电源的极性为负半周，或者所述转子14的磁场为N极且交流电源的极性为正半周时，所述微处理器30不向所述可控双向交流开关26的控制极输出驱动脉冲。

本发明的电机驱动电路还可以有其他的实施方式。

请参考图3，示出本发明的电机驱动电路的第二较佳实施方式的电路框图，与第一较佳实施方式相比，所述微处理器30的过零检测端通过光耦合器38检测交流电源的过零点，本领域技术人员可以理解，所述微处理器30还可以通过电场耦合的形式(如变压器耦合的方式)获得所述交流电源24的信息。当然如果采用光耦合器或电场耦合的形式，因为做了高压隔离，所述微处理器30的过零检测端不需要设置电压钳位电路。请参考图4，示出本发明的电机驱动电路的第三实施方式的电路图，在图示实施例中，所述电机驱动电路包括三端双向晶闸管26a、微处理器30a、位置传感器20a、交直流转换器29a及保险丝32a。交流电源24a的第一端通过所述保险丝32a、定子绕组16a连接所述三端双向晶闸管26a的第二阳极T2，所述三端双向晶闸管26a的第一阳极T1接至所述交流电源的第二端，所述三端双向晶闸管26a的第一阳极T1还接地。所述交直流转换器29a还经所述保险丝连接于所述交流电源24a的第一端及第二端之间，将交流电转换为低压直流电并通过电源端Vcc输出，所述位置传感器20a、微处理器30a连接至直流电源端Vcc，以接收工作电压。所述微处理器30a获得所述位置传感器20a输出的表示转子的磁场的信号，还经一电阻34a与所述三端双向晶闸管26a的控制极连接。

请参考图5，示出本发明的电机驱动电路的第四实施方式的电路图，在图示实施例中，所述电机驱动电路包括三端双向晶闸管26b、微处理器30b、位置传感器20b、交直流转换器29b、保险丝32b及电阻34b，所述交直流转换器29b与交流电源24b连接。所述第四实施方式与所述第三实施方式的主要区别在于，所述电机驱动电路进一步包括一三极管Q1及一电阻35b，所述三极管Q1的基极通过电阻34b连接所述微处理器30b，所述三极管Q1的发射极连接电源端Vcc，所述三极管Q1的集电极经所述电阻35b连接所述三端双向晶闸管26b的控制极。本实施方式在所述微处理器30b的驱动能力不足以驱动所述三端双向晶闸管26b时，在所述微处理器30b及所述三端双向晶闸管26b的控制极之间连接所述三极管Q1进行电流放大。

请参考图6，示出本发明的电机驱动电路的第五实施方式的电路图，在图示实施例中，所述电机驱动电路包括三端双向晶闸管26c、微处理器30c、位置传感器20c、交直流转换器29c、保险丝32c及电阻34c，所述交直流转换器29c与交流电源24c连接。所述第五实施方式与所述第三实施方式的主要区别在于，所述三端双向晶闸管的第一阳极T1连接所述电源端Vcc，电流从三端双向晶闸管26c的控制极流向微处理器30c。

请参考图7，示出本发明的电机驱动电路的第六实施方式的电路图，在图示实施例中，所述电机驱动电路包括三端双向晶闸管26d、微处理器30d、位置传感器20d、保险丝32d及交直流转换器29d。所述交直流转换器29d与交流电源24d连接。所述第六实施方式与所述第五实施方式的主要区别在于电机驱动电路进一步包括一三极管Q2及一电阻35d，所述三极管Q2的基极通过电阻34d连接所述微处理器30d，所述三极管Q2的发射极接地，所述三极管Q2的集电极经所述电阻35d连接所述三端双向晶闸管26d的控制极。本实施方式在所述微处理器30d的驱动能力不足以驱动三端双向晶闸管26d时，在所述微处理器30d及所述三端双向晶闸管26d的控制极之间连接所述三极管Q2进行电流放大。

请参考图8及图9，本发明的第七实施例还提供了一种控制电机正反转的电机驱动方法，所述方法包括以下步骤：

S1：检测电机是否需要反转，当转向控制信号CTRL为低电平时，电机正转，执行步骤S2，当转向控制信号CTRL为高电平时，电机反转，执行步骤S8。

S2:检测电机是否正在静止阶段或正传运行，若是，执行步骤S4，若否，执行步骤S3。

S3：停止向所述可控双向交流开关输出驱动脉冲。

S4：检测交流电源的电压值并且根据交流电源的电压值确定相应的可控双向交流开关的触发角。可以检测某预定角度对应的交流电源24的电压值，并根据此电压值从查找表中找出相应的所述可控双向交流开关26的触发角。也可以检测交流电源24的当前电压值，并获取当前电压值对应的角度(这里的角度是指每个交流电源的周期0度到360度中的某个角度，例如90度对应的是电压幅值)，计算出交流电源的幅值或者有效电压值，并根据交流电源的幅值或者有效电压值从查找表中找出相应的所述可控双向交流开关26的触发角。

所述微处理器30中存储交流电源的电压值与所述可控双向交流开关26的触发角的查找表，查找表中将交流电源的电压值分为多个区间，每一区间对应一触发角，所述微处理器30判断交流电源的电压值所处的电压值区间，并依据查找表找出相应的所述可控双向交流开关26的触发角。

本步骤中，可以检测某预定角度对应的交流电源24的电压值，并根据此电压值从查找表中找出相应的所述可控双向交流开关26的触发角。也可以检测交流电源24的当前电压值，并获取当前电压值对应的角度(这里的角度是指每个交流电源的周期0度到360度中的某个角度，例如90度对应的是电压幅值)，计算出交流电源的幅值或者有效电压值，并根据交流电源的幅值或者有效电压值从查找表中找出相应的所述可控双向交流开关26的触发角。也不限于上述两种方式，只要能在交流电源的波动和触发角之间形成关联即可。

本是实施例中，以根据交流电源的电压值确定触发角为例进行说明，本领域技术人员可以理解，电压过零点至发送驱动脉冲至所述可控双向交流开关26的触发角也可对应为延迟时间。所述触发角或延迟时间可根据所述交流电源24的电压值、交流电源24的频率、定子绕组16的电感值、定子绕组的内阻、所述电机的温度或者所述电机周边环境的温度、所述微处理器的温度中至少一项来确定。

S5：检测交流电源的电压是否过零，如果检测到交流电源的电压过零，执行步骤S6，如果未检测到交流电源的电压过零，重复执行步骤S5。

S6：检测转子的磁场是否为N极且交流电源为正半周，若是，执行步骤S8，若否，执行步骤S7。

S7：检测转子的磁场是否为S极且交流电源为负半周，若是，执行步骤S8，若否，执行步骤S9。

S8：自交流电源的过零点起，延迟对应的触发角导通所述可控双向交流开关，并返回执行步骤S1。

S9：不向所述可控双向交流开关输出驱动脉冲，并返回执行步骤S1。

S10：检测电机是否正在静止阶段或逆转运行，若是，执行步骤S12；若否，执行步骤S11。

S11：停止向所述可控双向交流开关输出驱动脉冲，使电机停转。

可以检测磁极位置信号是否停止变换，以确定电机是否停转。如果电机没有完全停止，位置传感器感测的磁极位置信号会高低电平交替变换。如果电机停止，磁极位置信号的电平将不再改变。

S12：检测交流电源的电压值并且根据交流电源的电压值确定相应的可控双向交流开关的触发角。

S13：检测交流电源的电压是否过零，如果检测到交流电源的电压过零，执行步骤S14，如果未检测到交流电源的电压过零，重复执行步骤S13。

S14：检测转子的磁场是否为N极且交流电源为负半周，若是，执行步骤S16，若否，执行步骤S15。

S15：检测转子的磁场是否为S极且交流电源为正半周，若是，执行步骤S16，若否，执行步骤S17。

S16：自交流电源的过零点起，延迟对应的触发角导通所述可控双向交流开关，并返回执行S1。

S17：不向所述可控双向交流开关输出驱动脉冲；然后执行步骤S1。

上述方法中，先根据转向控制信号CTRL确定电机的旋转方向，在电机起动阶段，所述微处理器在交流电源的极性与转子的磁极位置场对应时立刻发送驱动脉冲至可控双向交流开关。电机运行阶段，在交流电源的极性与转子的磁场对应时，在交流电源电压过零点后延迟一定时间发送驱动脉冲至所述可控双向交流开关。如果在电机运行阶段需变换电机的运转方向，所述微处理器先停止向可控双向交流开关输出驱动脉冲以使电机停止转动，再在确定电机停止转动后，再控制电机变换运转方向。

本领域技术人员可以理解，上述步骤中，所述延迟时间或触发角根据所述交流电源24的电压值确定，也可根据交流电源的频率、定子绕组的电感值、定子绕组的内阻、所述电机的温度或者所述电机周边环境的温度、所述数据处理单元的温度等参数或不同参数之间的组合来确定。上述控制可控双向交流开关26的导通及关断状态的判断情况也可相应调整。

请注意，其他实施方式中，图8及图9所示的步骤并不一定要依循图示中的顺序来执行，示出的有些步骤先后顺序可对调，而且相邻的两个步骤也不一定是连续的，只要可以实现即可。例如可以先执行步骤S7再执行步骤S6；先执行步骤S15，再执行步骤S14。

其他实施例中，检测交流电源的电压值并根据其确定触发角的频率可以根据设计需要调整，可以在每次在交流电源电压的过零点前后进行检测，也可以每隔两个交流电源电压的过零点进行检测，还可以每隔三个或三个以上交流电源电压的过零点进行检测，只要周期性的进行检测即可。

其他实施例中，步骤检测交流电源的电压是否过零以及检测转子的磁场及交流电源的极性也可以与步骤检测交流电源的电压值以及根据电压值确定触发角或延迟时间分开执行，不再分先后顺序。例如：微处理器在交流电源的电压过零时会产生中断信号，中断信号产生时检测转子的磁场及交流电源的极性。另外，上面的几个实施例中，是依据交流电源的电压值来确定触发角或延迟时间进行例举说明的，当然本领域技术人员可以理解，其他实施方式中，上述实施例中的步骤：检测交流电源的电压值；根据交流电源的电压值确定相应的可控双向交流开关的触发角或延时时间，可以分别更改为：检测交流电源的电压值、交流电源的频率、读取定子绕组的电感值、检测所述电机的温度或者所述电机周边环境的温度、所述数据处理单元的温度中至少一项；根据获取的交流电源的电压值、交流电源的频率、定子绕组的电感值、所述电机的温度、所述电机周边环境的温度或所述数据处理单元的温度确定相应的可控双向交流开关的触发角或延时时间。而且，如果是根据定子绕组的电感值确定触发角或延迟时间，则不需要重复获取电感值，只要获取一次定子绕组的电感值即可。

本领域技术人员可以理解，本发明实施例所述的电机适合于驱动汽车车窗、办公或家用的卷帘等设备。本发明实施例所述的电机为永磁交流电机，例如永磁同步电机、永磁BLDC电机。本发明实施例的电机优选为单相永磁交流电机，例如单相永磁同步电机、单相永磁BLDC电机。当所述电机为永磁同步电机时，所述交流电源为市电电源；当所述电机为永磁BLDC电机时，所述交流电源为逆变器输出的交流电源。

本发明的实施例通过微处理器控制电机的正反转，所述微处理器可以通过内部的程序控制电机的转向，无需像现有技术中需设计硬件电路来实现电机的转向控制，简化了电路设计。而且本发明的实施例在电机运行阶段延迟预定时间控制所述可控双向交流开关导通，控制电机使反电动势与定子绕组电流尽量同相，使电机尽量产生预期中的转矩，减少出现正负转矩互相抵抗的耗电情况，因此能够较大幅度地提高电能利用效率，加强资源节约和环境保护。本领域技术人员可以理解，本发明实施例提供的电机还可具有故障防护的功能，例如，当电机过载或失速时，所述数据处理单元将感测和判断电机电流或位置传感器感测的磁极位置信号，以确定何时反转电机以摆脱障碍物或停止电机。

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 (22)

1.一种电机驱动电路，用于驱动电机的转子相对于定子转动，所述驱动电路包括：

可控双向交流开关，与电机绕组串联连接于交流电源的两端；以及

数据处理单元，被配置为依据接收的电机转向控制信号，并根据转子的磁场及交流电源的极性控制可控双向交流开关的导通与截止状态以控制电机以预定方向旋转或者以与预定方向相反的方向旋转。

2.如权利要求1所述的电机驱动电路，其特征在于，当电机以预定方向旋转时，所述数据处理单元被配置为仅在所述交流电源为正半周且转子的磁场为第一极性时、以及所述交流电源为负半周且所述转子的磁场为第二极性时使所述可控双向交流开关导通；当电机以与预定方向相反的方向旋转时，所述数据处理单元被配置为仅在所述交流电源为正半周且转子的磁场为第二极性时、以及所述交流电源为负半周且所述转子的磁场为第一极性时使所述可控双向交流开关导通。

3.如权利要求2所述的电机驱动电路，其特征在于，电机运行阶段，所述数据处理单元在交流电源电压过零点后延迟预定时间输出触发脉冲至所述可控双向交流开关，以减小流过所述电机绕组的电流与反电动势180度相位差的部分产生反作用的电机扭矩，从而减小电能的浪费；电机起动阶段，所述数据处理单元在交流电源电压过零点后立刻导通所述可控双向交流开关。

4.如权利要求2所述的电机驱动电路，其特征在于，所述数据处理单元包括转向控制端，所述转向控制端接收控制电机以预定方向旋转或者以与预定方向相反的方向旋转的转向控制信号。

5.如权利要求2所述的电机驱动电路，其特征在于，当要变换电机的转向时，所述数据处理单元检测电机是否在运行，如果电机在运行，所述数据处理单元不再输出触发脉冲至所述可控双向交流开关，从而使电机停止运行。

6.如权利要求5所述的电机驱动电路，其特征在于，所述数据处理单元通过判断表示转子的磁场位置的磁极位置信号是否变换来判断电机是否在运行。

7.如权利要求1所述的电机驱动电路，其特征在于，电机运行阶段，所述数据处理单元在交流电源的电压过零点之后延迟预定时间发送驱动脉冲至所述可控双向交流开关以减小流过所述电机绕组的电流与反电动势的相位差时段。

8.如权利要求7所述的电机驱动电路，其特征在于，从交流电源的电压过零点至发送驱动脉冲至所述可控双向交流开关的延迟时间根据所述交流电源的电压值、交流电源的频率、电机绕组的电感值、电机绕组的内阻、电机的温度或电机周边环境的温度中至少一项来确定，其中，环境温度通过数据处理单元内置的温度传感器获得。

9.如权利要求1所述的电机驱动电路，其特征在于，所述电机驱动电路还包括用于检测所述转子的磁场的位置传感器，所述位置传感器与所述数据处理单元集成于一专用集成电路内；或者所述位置传感器设于第一裸片上，所述数据处理单元设于第二裸片上，所述第一及第二裸片集成于同一IC封装内。

10.如权利要求9所述的电机驱动电路，其特征在于，所述电机驱动电路还包括一交直流转换器，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接地或者接收所述交直流转换器输出的低压直流电，所述三端双向晶闸管的第一阳极还连接交流电源的第一端，所述三端双向晶闸管的第二阳极经所述电机的电机绕组及一保险丝连接交流电源的第二端，所述三端双向晶闸管的控制极经一电阻连接所述数据处理单元。

11.如权利要求10所述的电机驱动电路，其特征在于，所述三端双向晶闸管的第一阳极接地，所述电机驱动电路还包括一三极管，所述三极管的基极通过所述电阻连接所述数据处理单元，所述三极管的发射极接收所述交直流转换器输出的低压直流电，所述三极管的集电极通过另一电阻连接所述三端双向晶闸管的控制极。

12.如权利要求10所述的电机驱动电路，其特征在于，所述三端双向晶闸管的第一阳极接收所述交直流转换器输出的低压直流电，所述电机驱动电路还包括一三极管，所述三极管的基极通过所述电阻连接所述数据处理单元，所述三极管的发射极接地，所述三极管的集电极通过另一电阻连接所述三端双向晶闸管的控制极。

13.如权利要求10所述的电机驱动电路，其特征在于，所述数据处理单元通过一电阻、一光耦合器或者电场耦合形式获得交流电源的电压过零点。

14.如权利要求1所述的电机驱动电路，其特征在于，所述数据处理单元包括一过零检测端和一极性检测端，所述极性检测端经第一电阻与所述交流电源的一端连接，还经第二电阻接地，所述过零检测端以如下方式之一配置：所述过零检测端与所述极性检测端连接，所述过零检测端经第三电阻与所述交流电源的一端连接，所述过零检测端通过光耦合器或者电场耦合的形式检测交流电源的过零点。

15.一种电机，包括如权利要求1-14中任一项所述的电机驱动电路。

16.如权利要求15所述的电机，其特征在于，所述电机为单相永磁同步电机或者单相永磁BLDC电机。

17.一种电机驱动方法，包括以下步骤：

检测接收的电机转向控制信号以确定电机是以预定方向旋转还是以与预定方向相反的方向旋转；

当电机以预定方向旋转，仅在驱动电机的交流电源为正半周且转子的磁场为第一极性时、以及所述交流电源为负半周且所述转子的磁场为第二极性时使与电机绕组串联连接于驱动电机的交流电源两端的可控双向交流开关导通；

当电机以与预定方向相反的方向旋转，仅在所述交流电源为正半周且转子的磁场为第二极性时、以及所述交流电源为负半周且所述转子的磁场为第一极性时使所述可控双向交流开关导通。

18.如权利要求17所述的电机驱动方法，其特征在于，所述转向控制信号为第一电平时，电机以预定方向旋转；所述转向控制信号为第二电平时，电机以与预定方向相反的方向旋转。

19.如权利要求17所述的电机驱动方法，其特征在于，当确定电机以预定方向旋转后执行步骤：

检测交流电源的电压值、交流电源的频率、电机的温度、电机周边环境的温度中至少一项参数并且根据检测的参数确定相应的可控双向交流开关的触发角或延迟时间；

检测交流电源的电压是否过零；

如果交流电源电压过零，检测转子的磁场及交流电源的极性；

判断电机是否已经启动，

如果电机未启动，在交流电源为正半周且转子的磁场为第一极性时、以及所述交流电源为负半周且所述转子的磁场为第二极性时，在交流电源电压过零点后立刻输出触发可控双向交流开关的驱动脉冲；在交流电源为正半周且转子的磁场为第二极性时、以及所述交流电源为负半周且所述转子的磁场为第一极性时，不向所述可控双向交流开关输出驱动脉冲；

如果电机已经启动进入运行阶段，在交流电源为正半周且转子的磁场为第一极性时、以及所述交流电源为负半周且所述转子的磁场为第二极性时，以预定的触发角或延迟时间来延迟输出触发可控双向交流开关的驱动脉冲，在交流电源为正半周且转子的磁场为第二极性时、以及所述交流电源为负半周且所述转子的磁场为第一极性时，不向所述可控双向交流开关输出驱动脉冲。

20.如权利要求19所述的电机驱动方法，其特征在于，当确定电机以与预定方向相反的方向旋转后，执行步骤：

检测电机是否运行，如果电机在运行，停止向所述可控双向交流开关输出驱动脉冲使电机停转。

21.如权利要求19所述的电机驱动方法，其特征在于，通过检测指示转子磁场的磁极位置信号是否停止变换来确定电机是否停转。

22.如权利要求21所述的电机驱动方法，其特征在于，电机停转后，执行以下步骤:

检测交流电源的电压值、交流电源的频率、电机的温度、电机周边环境的温度中至少一项参数并且根据检测的参数确定相应的可控双向交流开关的触发角或延迟时间；

检测交流电源的电压是否过零；

检测转子的磁场及交流电源的极性；

以零触发角或延迟时间触发可控双向交流开关；

判断电机是否已经启动，以查找表找出触发角或延迟时间；

如果电机未启动，在交流电源为正半周且转子的磁场为第二极性时、以及所述交流电源为负半周且所述转子的磁场为第一极性时，在交流电源电压过零点后立刻输出触发可控双向交流开关的驱动脉冲；在交流电源为正半周且转子的磁场为第一极性时、以及所述交流电源为负半周且所述转子的磁场为第二极性时，不向所述可控双向交流开关输出驱动脉冲；

如果电机已经启动，在交流电源为正半周且转子的磁场为第二极性时、以及所述交流电源为负半周且所述转子的磁场为第一极性时，延迟预定的触发角或延迟时间输出触发可控双向交流开关的驱动脉冲；在交流电源为正半周且转子的磁场为第一极性时、以及所述交流电源为负半周且所述转子的磁场为第二极性时，不向所述可控双向交流开关输出驱动脉冲。