CN112087179A - 用于防止单相交流电机低速停转的驱动控制电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于防止单相交流电机低速停转的驱动控制电路，包括第一整流二极管、第二整流二极管、第三整流二极管、第四整流二极管、第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管、电流检测电阻、交流正半周同步信号、交流负半周同步信号和调制脉冲调速信号；其特征在于：还包括能随转轴一起转动的磁性组件，磁传感器，与该磁传感器的输出端连接的计数电路，以及与该计数电路电连接的用于调整调制脉冲调速信号占空比的PWM占空比调整电路，调制脉冲调速信号的输出端连接PWM占空比调整电路后再与第三场效应管的栅极电连接。与现有技术相比，本发明能防止交流电机在超低转速运行时的停转问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于防止单相交流电机低速停转的驱动控制电路。
背景技术
目前市面上的风扇大部份均使用单相交流电机作为推动扇叶的动力来源，其具有技术成熟、成本低之特点。然而对单相交流电机的速度驱动控制电路中，往往会采用脉冲宽度调制信号(PWM信号)进行速度调节。其中性能较好的是采用交流直接供电Y桥调整功率法，其主要电路原理图参见图1所示。这方式利用交流电源的正负半波直接通过第三整流二极管D3与第四整流二极管D4自动对单相交流电机进行交替供电。通过调整调制脉冲调速信号的脉冲宽度，从而调整对地同相交流正负半波内平均电流的大小，同时利用脉冲低电平时间内进行单相交流电机正负半波运转所产生的反电动势进行自放电回路用以保护第一场效应管和第二场效应管,进而实现对单相交流电机的无级速度控制。该方式仅利用四个二级管及三个场效MOS管以及一交流正半周同步信号、一交流负半周同步信号和一调制脉冲调速信号形成线路的主要构架，具有体积小、无 EMI/EMC干扰、不发热、成本低的优点。但是，上述电路需要的正负半周同步控制信号需要许多元器件组成，加工成本高，无法直接使用线性可变电阻进行功率大小调整，另外，需要使用分离元器件组成控制回路，电路消耗功率大，需要额外使用AC/DC电路进行供电。同时，上述Y桥调整功率法对单相交流电机进行驱动控制的电路中，依然存在超低转速启动与超低转速运转中扭力不足的问题。虽然单相交流电机在静止时可以用高速档于固定时间内启动以增加启动扭力，但是在超低转速运转中，电机受外力影响，例如人为堵转造成电机停转，当堵转原因排除后控制电路板仍无法感知电机是否在运转，此时容易造成控制电路持续供电而电机不运转的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种采用脉冲宽度调制信号对单相交流电机进行速度控制时，能有效防止单相交流电机在低速运行时停转的驱动控制电路。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种用于防止单相交流电机低速停转的驱动控制电路，包括第一整流二极管、第二整流二极管、第三整流二极管、第四整流二极管、第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管、电流检测电阻、一交流正半周同步信号、一交流负半周同步信号和一调制脉冲调速信号；其中第一整流二极管的负极与交流电源的第二输出端电连接，第四整流二极管的负极与交流电源的第一输出端电连接，第一整流二极管和第四整流二极管的正极均接地，第三整流二极管的正极与交流电源的第一输出端电连接，第二整流二极管的正极与交流电源的第二输出端电连接，第二整流二极管的负极与第一场效应管的漏极电连接，第三整流二极管的负极与第二场效应管的漏极电连接，第一场效应管的源极和第二场效应管的源极均与第三场效应管的漏极电连接，第三场效应管的源极连接电流检测电阻后接地；单相交流电机的两端连接在第一场效应管的漏极与第二场效应管的漏极之间，交流负半周同步信号与第一场效应管的栅极电连接，交流正半周同步信号与第二场效应管的栅极电连接，调制脉冲调速信号与第三场效应管的栅极电连接；其特征在于：所述单相交流电机的转轴上设置有能随转轴一起转动的磁性组件，所述驱动控制电路还包括与所述磁性组件配对使用的磁传感器，与该磁传感器的输出端连接的计数电路，以及与该计数电路电连接的用于调整调制脉冲调速信号的占空比的PWM占空比调整电路。
作为改进，所述磁性组件包括固定安装于单相交流电机的转轴上的无磁转轮，以及固定在无磁转轮上的磁体。无磁转轮可以采用轻质的塑料制成的转轮。
再改进，本发明提供的驱动控制电路还包括用于提供交流正半周同步信号、交流负半周同步信号和调制脉冲调速信号的集成驱动电路，该集成驱动电路包括第一反相器、第二反相器、第三反相器、第四反相器、第五反相器、第六反相器、第一施密特反相器、第二施密特反相器、第四电阻、第三电阻、第一寄生二级管、第二寄生二级管、稳压二级管、第一电阻和第二电阻，其中：
第一寄生二级管的正极与第四电阻的第一端连接，第四电阻的第二端接地，第一寄生二级管的正极与第一反相器的输入端连接，第一反相器的输出端与第二反相器的输入端连接，第一寄生二级管的正极连接该集成驱动电路的第一信号输入端，第二反相器的输出端引出该集成驱动电路的第一信号输出端；
第二寄生二级管的正极与第三电阻的第一端连接，第三电阻的第二端接地，第二寄生二级管的正极与第三反相器的输入端连接，第三反相器的输出端与第四反相器的输入端连接，第二寄生二级管的正极连接该集成驱动电路的第二信号输入端，第四反相器的输出端引出该集成驱动电路的第二信号输出端；
第一施密特反相器的输出端与第二施密特反相器的输入端连接，第二施密特反相器的输出端与第五反相器的输入端连接，第五反相器的输出端与第六反相器的输入端连接，第一施密特反相器的输出端连接该集成驱动电路的振荡信号输出端，第一施密特反相器的输入端连接该集成驱动电路的振荡信号输入端，第六反相器的输出端引出该集成驱动电路的第三信号输出端；
第一寄生二级管的负极与第二寄生二级管的负极均与稳压二级管(ZD1)的负极连，稳压二级管的正极接地；稳压二级管的正极引出该集成驱动电路的电源端，稳压二级管的负极引出该集成驱动电路的接地端；
其中，集成驱动电路的第一信号输出端提供交流负半周同步信号，集成驱动电路的第二信号输出端提供交流正半周同步信号，集成驱动电路的第三信号输出端提供调制脉冲调速信号；交流电源的第一输出端连接第二电阻后与所述集成驱动电路的第一信号输入端连接，交流电源的第二输出端连接第一电阻后与所述集成驱动电路的第二信号输入端连接。
再改进，所述计数电路和PWM占空比调整电路也设置在所述集成电路内，PWM占空比调整电路的输出端与第五反相器的输入端连接。
再改进，所述集成电路内还包括保护电路和比较器，比较器的同向输入端连接电池后接地，比较器的反向输入端引出该集成驱动电路的CS端，比较器的输出端与保护电路连接。
再改进，所述集成驱动电路为一内部包含上述集成驱动电路的集成芯片。
再改进，所述集成驱动电路外还包括有外围电路，该外围连接电路包括第二电容和可调电阻，其中可调电阻的第一端与集成驱动电路的振荡信号输出端连接，可调电阻的第二端与集成驱动电路的振荡信号输入端连接，第二电容的第一端与集成驱动电路的振荡信号输入端连接，第二电容的第二端接地。
再改进，所述外围连接电路还包括第一电容，第一电容连接在集成驱动电路电源端与接地端之间。
再改进，该驱动控制电路制成控制电路板后，整体安装在控制盒内，控制盒安装在单相交流电机本体后端侧。
与现有技术相比，本发明的优点在于：利用固定于交流电机转轴后方的磁性组件及被动式的磁传感器做出开关动作，将此开关信号送到计数电路进行计数，利用PWM占空比调整电路增加或减少调制脉冲调速信号的占空比，从而防止交流电机在超低转速运行时的停转问题，进而达到对流电机的高精度速度控制。
附图说明
图1为现有技术中交流直接供电Y桥调整功率法的电路原理图。
图2为本发明实施例中单相交流电机及其的驱动控制电路安装结构示意图。
图3为本发明实施例中单相交流电机及其的驱动控制电路内部安装结构示意图。
图4为本发明实施例中用于防止单相交流电机低速停转的驱动控制电路的电路原理图。
图5为本发明实施例中包含有集成驱动电路的集成芯片的接口图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
如图2、3所示的单相交流电机，包括电机本体5，电机本体上连接有转轴51，其转轴上设置有能随转轴一起转动的无磁转轮1，以及固定在无磁转轮内的磁体2，无磁转轮1为塑料轮，电机本体后方固定连接有控制盒3，控制盒内设有由用于防止单相交流电机低速停转的驱动控制电路组成的控制电路板6，控制盒3内设有与控制电路板6 电连接的磁传感器4。当无磁转轮1随电机转轴51一起转动后，磁体2也会一起转动，而磁传感器4能感应到磁体2的信号，电机转轴51转动一次，磁传感器4输出一次开关信号。
所述用于防止单相交流电机低速停转的驱动控制电路参见图4所示，具体包括
第一整流二极管D1、第二整流二极管D2、第三整流二极管D3、第四整流二极管 D4、第一场效应管Q1、第二场效应管Q2、第三场效应管Q3、电流检测电阻RS、第一电阻R1和第二电阻R2、一交流正半周同步信号、一交流负半周同步信号和一调制脉冲调速信号；其中第一整流二极管D1的负极与交流电源的第二输出端电连接，第四整流二极管D4的负极与交流电源的第一输出端电连接，第一整流二极管D1和第四整流二极管D4的正极均接地，第三整流二极管D3的正极与交流电源的第一输出端电连接，第二整流二极管D2的正极与交流电源的第二输出端电连接，第二整流二极管D2的负极与第一场效应管Q1的漏极电连接，第三整流二极管D3的负极与第二场效应管Q2的漏极电连接，第一场效应管Q1的源极和第二场效应管Q2的源极均与第三场效应管Q3 的漏极电连接，第三场效应管Q3的源极连接电流检测电阻RS后接地；负载的两端连接在第一场效应管Q1的漏极与第二场效应管Q2的漏极之间，交流负半周同步信号Out1 与第一场效应管的栅极电连接，交流正半周同步信号Out2与第二场效应管的栅极电连接，调制脉冲调速信号Out3与第三场效应管的栅极电连接；
而所述交流正半周同步信号、交流负半周同步信号和调制脉冲调速信号由所述集成驱动电路提供，而该集成驱动电路包括第一反相器U1、第二反相器U2、第三反相器 U3、第四反相器U4、第五反相器U5、第六反相器U6、第一施密特反相器U7、第二施密特反相器U8、第四电阻R4、第三电阻R3、第一寄生二级管D6、第二寄生二级管D5、稳压二级管ZD1、保护电路、比较器U9、与该磁传感器的输出端连接的计数电路，以及与该计数电路电连接的用于调整调制脉冲调速信号占空比的PWM占空比调整电路，其中：
第一寄生二级管D6的正极与第四电阻R4的第一端连接，第四电阻R4的第二端接地，第一寄生二级管D6的正极与第一反相器U1的输入端连接，第一反相器U1的输出端与第二反相器U2的输入端连接，第一寄生二级管D6的正极连接该集成驱动电路的第一信号输入端ZCL，第二反相器U2的输出端引出该集成驱动电路的第一信号输出端OUT1；
第二寄生二级管D5的正极与第三电阻R3的第一端连接，第三电阻R3的第二端接地，第二寄生二级管D5的正极与第三反相器U3的输入端连接，第三反相器U3的输出端与第四反相器U4的输入端连接，第二寄生二级管D5的正极连接该集成驱动电路的第二信号输入端ZCN，第四反相器U4的输出端引出该集成驱动电路的第二信号输出端OUT2；
第一施密特反相器U7的输出端与第二施密特反相器U8的输入端连接，第二施密特反相器U8的输出端与第五反相器U5的输入端连接，第五反相器U5的输出端与第六反相器U6的输入端连接，第一施密特反相器U7的输出端连接该集成驱动电路的振荡信号输出端VR1，第一施密特反相器U7的输入端连接该集成驱动电路的振荡信号输入端VR2，第六反相器U6的输出端引出该集成驱动电路的第三信号输出端OUT3；
第一寄生二级管D6的负极与第二寄生二级管D5的负极均与稳压二级管ZD1的负极连接，稳压二级管ZD1的正极接地；稳压二级管ZD1的正极引出该集成驱动电路的电源端VCC，稳压二级管ZD1的负极引出该集成驱动电路的接地端GND；
计数电路的输入端FB与外部的磁传感器4输出端连接，计数电路的输出端与PWM占空比调整电路的输入端连接，PWM占空比调整电路的输出端与第五反相器U5的输入端连接；
比较器U9的同向输入端连接参考电压后接地，比较器U9的反向输入端引出该集成驱动电路的CS端，比较器U9的输出端与保护电路连接；保护电路包括过温保护电路和过流保护电路，过温保护电路和过流保护电路的电路结构采用现有技术中的常用电路；
集成驱动电路的第一信号输出端OUT1提供交流负半周同步信号，集成驱动电路的第二信号输出端OUT2提供交流正半周同步信号，集成驱动电路的第三信号输出端OUT3 提供调制脉冲调速信号；交流电源的第一输出端连接第二电阻R2后与所述集成驱动电路的第一信号输入端ZCL连接，交流电源的第二输出端连接第一电阻R1后与所述集成驱动电路的第二信号输入端ZCN连接，集成驱动电路的CS端与第三场效应管的源极电连接。
本实施例中，上述集成驱动电路为一内部包含上述集成驱动电路的集成芯片，该集成芯片的接口图参见图5所示。上述集成驱动电路的外围连接电路包括第二电容C2、可调电阻VR1、第一电容C1，其中可调电阻VR1的第一端与集成驱动电路的振荡信号输出端VR1连接，可调电阻VR1的第二端与集成驱动电路的振荡信号输入端VR2连接，第二电容C2的第一端与集成驱动电路的振荡信号输入端VR2连接，第二电容C2的第二端接地，第一电容C1连接在集成驱动电路电源端VCC与接地端GND之间，参见图 4所示。
本实施例中驱动控制电路的具体工作原理为：在交流电源的正半工作周期，工作电流由交流电源的第一输出端送出，经由外部高阻抗降压电阻，即本实施例中的第二电阻R2后，再与集成驱动电路内部的第四电阻R4分压成低电压的交流正半周同步信号后，经过第一反向器U1整形后再送入第二反向器U2，将信号还原为交流正半周同步驱动信号，同时对第一场效应管Q1的开关驱动；另外在交流电源的正半工作周期，工作电流由交流电源的第一输出端送出，经由外部第二电阻R2与集成驱动电路内部芯片内部的第四电阻R4分压成低电压的正半周同步电压的同时，电流也经过第一寄生二级管D6 与稳压二级管ZD1、芯片外部用于滤波的第一电容C1到地线，再由地线经过第一整流一极管D1流回到交流电源端，达到一电流回路同时可取出交流正半周同步信号以及芯片内部的直流供电的目的。交流电源的负半工作周期的原理与正半工作周期的原理相同。因此，集成驱动电路内部可以通过第四电阻R4、第三电阻R3、第一寄生二级管D 6和第二寄生二极管D5的分压整流后实现自取电，不需要外挂AC/DC取电电路，可达到降低成本的目的。集成驱动电路外部第二电容C2和可调电阻VR1组成RC震荡电路，经第一施密特反相器U7以及第二施密特反相器器U8后形成PWM脉波宽度调速控制信号，再经第五反相器U5和第六反相器U6，再连接至第三场效应管的栅极，达到可对交流负载功率进行调整作用。不需要再外挂单片机，降低了单片机以及单片机供电的 AC/DC电路，同时也达到了减少体积及降低成本目的。集成驱动电路内部比较器与外部电流检测电阻RS进行对交流负载电流的检测，可以对交流负载过电流及短路形成保护作用，达到了安全保护的目地。利用集成驱动电路内部对温度侦测、比较器的检测，可以对芯片外部第一场效应管Q1、第二场效应管Q2和第三效应管Q3进行温度过高的保护作用，达到了安全性保护的目地。芯片内部比较器对外部输入电压的检测，可以对外部交流输入电源进行过压及欠压的保护作用，达到了安全性保护的目地。
当单相交流电机低速或超低速速运转中，电机受外力影响，例如人为堵转造成电机停转，当堵转原因排除后，此时电机无法继续启动运转，其原因为调制脉冲调速信号的占空比开启的时间极短，其在开启极短时间内无法让电机产生启动扭力；即便堵转原因消失后(人为因素抓住电机转轴使电机停转后放开手)，电机的转轴依然会停止转动，此时磁性组件的磁体不会转动，磁传感器检测不到开关信号，计数电路在一定时间内的计数数值会很低，此时PWM占空比调整电路将会采取措施，对调制脉冲调速信号进行调整，如逐步的将调制脉冲调速信号的占空比开启时间增加，直到电机的转轴开始转动，磁传感器再次检测到开关信号，计数电路的计数值回到原来的设定的调制脉冲调速信号的占空比时所对应的计数值，此时，PWM占空比调整电路将取消对调制脉冲调速信号占空比的调节控制。本实施例中，PWM占空比调整电路可以为一个输出方波信号用于调制脉冲调速信号的占空比、并且能采集单相交流电机设定转速的单片机芯片。例如当电机绕组在50Hz或是60H电源频率下决定了电机的最高转速，假设电机于120VAC 50Hz供电下电机最高运转速度为500rpm，当PWM占空比输出为1:1时，按理想值此时电机转速输出应为250rpm，但是电机转轴在通过电机内部前后含油轴承的磨擦下无法判断出PWM 输入控制信号与实际输出转速的差值，藉由电机转轴带动磁性组件对磁传感器进行开关动作，再经由集成电路内部的PWM占空比调整电路的控制，不断的将调制脉冲调速信号的占空比增加或减少的调整，形成一闭回路高精度的定速控制。
Claims (9)
1.一种用于防止单相交流电机低速停转的驱动控制电路，包括第一整流二极管(D1)、第二整流二极管(D2)、第三整流二极管(D3)、第四整流二极管(D4)、第一场效应管(Q1)、第二场效应管(Q2)、第三场效应管(Q3)、电流检测电阻(RS)、一交流正半周同步信号、一交流负半周同步信号和一调制脉冲调速信号；其中第一整流二极管(D1)的负极与交流电源的第二输出端电连接，第四整流二极管(D4)的负极与交流电源的第一输出端电连接，第一整流二极管(D1)和第四整流二极管(D4)的正极均接地，第三整流二极管(D3)的正极与交流电源的第一输出端电连接，第二整流二极管(D2)的正极与交流电源的第二输出端电连接，第二整流二极管(D2)的负极与第一场效应管(Q1)的漏极电连接，第三整流二极管(D3)的负极与第二场效应管(Q2)的漏极电连接，第一场效应管(Q1)的源极和第二场效应管(Q2)的源极均与第三场效应管(Q3)的漏极电连接，第三场效应管(Q3)的源极连接电流检测电阻(RS)后接地；单相交流电机的两端连接在第一场效应管(Q1)的漏极与第二场效应管(Q2)的漏极之间，交流负半周同步信号与第一场效应管的栅极电连接，交流正半周同步信号与第二场效应管的栅极电连接，调制脉冲调速信号与第三场效应管的栅极电连接；其特征在于：所述单相交流电机的转轴上设置有能随转轴一起转动的磁性组件，所述驱动控制电路还包括与所述磁性组件配对使用的磁传感器，与该磁传感器的输出端连接的计数电路，以及与该计数电路电连接的用于调整调制脉冲调速信号的占空比的PWM占空比调整电路。
2.根据权利要求1所述的驱动控制电路，其特征在于：所述磁性组件包括固定安装于单相交流电机的转轴上的无磁转轮，以及固定在无磁转轮上的磁体。
3.根据权利要求1或2所述的驱动控制电路，其特征在于：还包括用于提供交流正半周同步信号、交流负半周同步信号和调制脉冲调速信号的集成驱动电路，该集成驱动电路包括第一反相器(U1)、第二反相器(U2)、第三反相器(U3)、第四反相器(U4)、第五反相器(U5)、第六反相器(U6)、第一施密特反相器(U7)、第二施密特反相器(U8)、第四电阻(R4)、第三电阻(R3)、第一寄生二级管(D6)、第二寄生二级管(D5)、稳压二级管(ZD1)、第一电阻(R1)和第二电阻(R2)，其中：
第一寄生二级管(D6)的正极与第四电阻(R4)的第一端连接，第四电阻(R4)的第二端接地，第一寄生二级管(D6)的正极与第一反相器(U1)的输入端连接，第一反相器(U1)的输出端与第二反相器(U2)的输入端连接，第一寄生二级管(D6)的正极连接该集成驱动电路的第一信号输入端(ZCL)，第二反相器(U2)的输出端引出该集成驱动电路的第一信号输出端(OUT1)；
第二寄生二级管(D5)的正极与第三电阻(R3)的第一端连接，第三电阻(R3)的第二端接地，第二寄生二级管(D5)的正极与第三反相器(U3)的输入端连接，第三反相器(U3)的输出端与第四反相器(U4)的输入端连接，第二寄生二级管(D5)的正极连接该集成驱动电路的第二信号输入端(ZCN)，第四反相器(U2)的输出端引出该集成驱动电路的第二信号输出端(OUT2)；
第一施密特反相器(U7)的输出端与第二施密特反相器(U8)的输入端连接，第二施密特反相器(U8)的输出端与第五反相器(U5)的输入端连接，第五反相器(U5)的输出端与第六反相器(U6)的输入端连接，第一施密特反相器(U7)的输出端连接该集成驱动电路的振荡信号输出端(VR1)，第一施密特反相器(U7)的输入端连接该集成驱动电路的振荡信号输入端(VR2)，第六反相器(U6)的输出端引出该集成驱动电路的第三信号输出端(OUT3)；
第一寄生二级管(D6)的负极与第二寄生二级管(D5)的负极均与稳压二级管(ZD1)的负极连接，稳压二级管(ZD1)的正极接地；稳压二级管(ZD1)的正极引出该集成驱动电路的电源端(VCC)，稳压二级管(ZD1)的负极引出该集成驱动电路的接地端(GND)；
其中，集成驱动电路的第一信号输出端(OUT1)提供交流负半周同步信号，集成驱动电路的第二信号输出端(OUT2)提供交流正半周同步信号，集成驱动电路的第三信号输出端(OUT3)提供调制脉冲调速信号；交流电源的第一输出端连接第二电阻(R2)后与所述集成驱动电路的第一信号输入端(ZCL)连接，交流电源的第二输出端连接第一电阻(R1)后与所述集成驱动电路的第二信号输入端(ZCN)连接。
4.根据权利要求3所述的驱动控制电路，其特征在于：所述计数电路和PWM占空比调整电路也设置在所述集成电路内，PWM占空比调整电路的输出端与第五反相器(U5)的输入端连接。
5.根据权利要求3所述的驱动控制电路，其特征在于：所述集成电路内还包括保护电路和比较器(U9)，比较器(U9)的同向输入端连接电池后接地，比较器(U9)的反向输入端引出该集成驱动电路的CS端，比较器(U9)的输出端与保护电路连接。
6.根据权利要求3所述的驱动控制电路，其特征在于：所述集成驱动电路为一内部包含上述集成驱动电路的集成芯片。
7.根据权利要求3所述的驱动控制电路，其特征在于：所述集成驱动电路外还包括有外围电路，该外围连接电路包括第二电容(C2)和可调电阻(VR1)，其中可调电阻(VR1)的第一端与集成驱动电路的振荡信号输出端(VR1)连接，可调电阻(VR1)的第二端与集成驱动电路的振荡信号输入端(VR2)连接，第二电容(C2)的第一端与集成驱动电路的振荡信号输入端(VR2)连接，第二电容(C2)的第二端接地。
8.根据权利要求7所述的驱动控制电路，其特征在于：所述外围连接电路还包括第一电容(C1)，第一电容(C1)连接在集成驱动电路电源端(VCC)与接地端(GND)之间。
9.根据权利要求1所述的驱动控制电路，其特征在于：该驱动控制电路制成控制电路板后，整体安装在控制盒内，控制盒安装在单相交流电机转轴输出端一侧。
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