CN113424129A - 具有功率因数校正的电动机控制电路 - Google Patents

具有功率因数校正的电动机控制电路 Download PDF

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Abstract

一种具有功率因数校正能力的电动机控制电路，其在不同的电动机转速和转矩水平条件下，可对电动机外加电压和电流负载进行优化。所述的优选电动机控制电路包括一个功率因数校正电路和一个降压转换电路，电流在到达电动机之前将流过降压转换电路。优选地，微处理器用于监测电动机的供给电流和电动机的转速。如果确定电动机的供给电流过高，则微处理器可以通过利用脉宽调制(PWM)数模控制电路指示功率因数校正电路减小电流来降低电流水平，也可以利用PWM数字控制电路指示降压转换电路减小电流来降低电流水平。输出电压限制电路可用于检测电动机的供给电流的电压，如果电压高于预定电平，输出电压限制电路将切断电动机的供给电流。

Description

具有功率因数校正的电动机控制电路
相关申请的交叉引用
本申请要求2019年2月7日提交的标题为“带功率因数校正的简化电动机控制电路”的第62/802667号美国临时专利申请在《美国专利法》第35卷第119(e)节项下的优先权，所述第62/802667号美国临时专利申请通过本发明的整体引用，成为本发明的一部分。
技术领域
本发明涉及一种电动机控制电路，特别是针对低速、低转矩电动机运行机制而言，所述电动机控制电路可进行功率因数校正，有助于优化电动机的电气输出负载。
背景技术
最近，世界各国政府都在鼓励对电子产品和家用电器进行高效能源利用。为了响应这项倡议，针对这些电子产品和家用电器开发出了功率因数校正(PFC)电路。PFC电路是一种用于切换输入功率并调整输入功率电流和电压之间的相位差(功率因数)从而有效地向负载传输功率的电路。
PFC电路一直是众多现有技术专利研究的主题，这些专利包括Nanos的第5561356号美国专利；Ramu的第8264182号美国专利；Park的第8766581号美国专利；Heo的第9148062号美国专利；Kim的第9172323号美国专利以及Jeong的第9331598号美国专利。
集成电路芯片的发明使电路设计师能够将PFC的功能纳入到他们的电路设计中。有一种PFC芯片是“FL7701”智能LED灯驱动集成电路(IC)与PFC功能芯片，由安森美半导体(On Semiconductor)(凌力尔特(Linear Technologies))生产和销售。尽管FL7701芯片可用于提升电路的PFC功能，但是这种芯片是针对LED灯应用而设计的。尽管如此，除了需要PFC功能的LED灯以外，还有很多其他应用，包括电子产品和家用电器用电动机。
电动机向电路设计师提出的要求和挑战不同于LED灯。例如，电动机可以在不同的转速和转矩水平下运行。FL7701芯片特别适用于LED灯，而针对电动机在各种转速和转矩情况下的运行机制并没有进行优化。尤其是电动机在低转速和低转矩下运行时，FL7701芯片会出现问题。在低转速和低转矩运行方面，FL7701芯片提供给电动机的电压和电流可能过高。我们需要经过改进的PFC电路，能够安全地启用和优化电动机的各种能力，尤其是低转速低转矩运行的能力。
发明内容
本发明涉及一种具有PFC功能的电动机控制电路，能够针对不同的电动机转速和转矩水平，对电动机的外加电压和电流负载进行优化。在优选实施例中，所述电动机控制电路包括一个具有PFC功能的芯片。PFC芯片的输出端连接到降压转换电路，以驱动电动机。
为了优化电动机性能，优选将附加电路连接到电动机、PFC芯片和降压转换电路。例如，优选采用固件微处理器监测电动机的电流负载和转速。适当时，微处理器向连接到PFC芯片的脉宽调制(PWM)数模电路提供缓冲电动机驱动信号。此PWM数模电路可调整PFC芯片的输出电流，从而优化电动机的供给电流电平。通过使用光耦合器，PWM数模电路还可优选地将电动机与电动机驱动电路中的高压进行隔离。
此外，电动机的供给电流可以通过PWM数字控制电路进行优化，PWM数字控制电路接收微处理器的缓冲电动机驱动控制信号。当电动机的供给电流过高时，PWM数字控制电路可在降压转换电路处截获并覆盖PFC芯片的输出信号。当PFC芯片的输出负载设定在最低水平，而电动机的供给功率仍然过高时，PWM数字控制电路尤其有用。通过调整占空比，PWM数字控制电路可使输出功率非常低或完全关断输出功率。
最后，通过输出电压限制电路监测电动机两端的输出电压，输出电压限制电路能够限制电动机的转速。输出电压限制电路优选包括一个齐纳二极管和一个光耦合器。当输出电压限制电路确定输出电压过高时，例如高于120V，电压限制电路中的齐纳二极管和光耦合器将指示PFC芯片降低输出电压。此电压限制由独立于微处理器的电路硬件完成。
附图说明
图1为本发明优选实施例的简化功能框图。
图2为本发明优选实施例的电路示意图。
具体实施方式
参考图1，本发明电动机控制电路100的优选形式以功能框图的形式示出。电动机控制电路100优选包括一个电动机200、一个PFC电路300、一个降压转换电路400、一个PWM数模电路500、一个PWM数字控制电路600、一个固件微处理器700和一个输出电压限制电路800。电动机200为一种电动机，优选消费类电器产品和家用电器中常用的感应电动机或异步电动机。尽管如此，本发明的原理也适用于其他类型的电动机。
参考图2，PFC电路300可以切换由交流电(AC)电源通过桥式二极管12获得的整流功率来校正功率因数。本发明的PFC电路300优选包括一个PFC芯片302，例如由安森美半导体(On Semiconductor)(凌力尔特(Linear Technologies))生产和销售的FL7701芯片。优选的FL7701芯片有八个引脚，分别标注为CS、OUT、VCC、RT、HV、NC、GND和ADIM。来自桥接二极管12的电流流过高压引脚后提供给PFC芯片302。一旦PFC芯片302执行功率因数校正功能，电流就会流过OUT引脚并离开PFC芯片302，并在到达电动机200之前流过降压转换电路400。
降压转换电路400是一个直流-直流功率转换器，从输入(电源)到输出(负载)实现降压(同时提高电流)。在优选实施例中，降压转换电路400优选包括一个绝缘栅双极晶体管(IGBT)402、一个二极管404、一个电容器406和一个SMC兼容电感器408。IGBT 402是一种作为电子开关使用的三端功率半导体器件。由于采用了快速导通和关断设计，因此IGBT 402可以利用脉宽调制(PWM)合成复杂波形。
PWM是一种通过将电信号有效地分割成离散部分来降低由电信号传送的平均功率的方法。通过以很快的速率导通和关断电源和负载之间的开关，控制馈送至负载的电压(和电流)的平均值。与关断时间相比，开关导通的时间越长，向负载供应的总功率越高。PWM特别适合于运行电动机等惯性负载，由于电动机具有缓慢反应的惯性，因此不易受离散切换的影响。尽管如此，PWM切换频率需要足够高，以免影响负载，也就是说，负载所感知到的合成波形必须尽可能平滑。
PWM数模电路500是本发明改变电动机200外加电流负载的一个优选方式之一，使其能够针对不同的电动机转速和转矩进行优化。电动机200需要在低转速、低转矩水平下运行时，如果PFC芯片302供给电动机200的电压和/或电流(即使是其最低电平)过高，PWM数模电路500尤其有用。为了操作PWM数模电路，微处理器700从电动机200接收表明电动机200的运行转速202和电动机的供给电流204的信号202、204(图1)。根据信号202、204，微处理器700可判断是否需要调节电流，从而可实现最佳的电动机性能。如果需要调节，则微处理器700可以向PWM数模控制电路500发送缓冲控制信号702，进而调节PFC芯片302的输出。
缓冲控制信号702流过电阻器502，到达光耦合器504，在优选实施例中，光耦合器504是LED光电二极管506和光电晶体管508的组合。光耦合器504利用光来传输缓冲控制信号702。通过光的利用，可以防止线路702中的高压损坏将要接收信号的PFC芯片302。PFC芯片302的VCC引脚提供用于重构缓冲控制信号702的电压，电压流过电容器510、512和514。重构的控制信号704流过电阻器516、518，到达PFC芯片302的ADIM输入引脚。如果微处理器700确定电动机200的供给电流过高，则重构的控制信号706将引导PFC芯片302利用脉宽调制间歇切断电动机200的供给电流。相反，如果微处理器700判定电动机200的供给电流过低，则重构的控制信号706可以引导PFC芯片302增加电动机200的供给电流。
在本发明中，改变电动机200外加电流负载，使其能够针对不同的电动机转速和转矩进行优化的第二种优选方式是通过使用PWM数字控制电路600。如果微处理器700确定需要调节电流来实现最佳的电动机性能，尤其是当确定电动机频率过高时，微处理器700可以向PWM数字控制电路600发送缓冲控制信号704。缓冲控制信号704流过电阻器602，到达光耦合器604，在优选实施例中，光耦合器604是LED光电二极管606和光电晶体管608的组合。同样，光耦合器610利用光来传输缓冲控制信号704，保护控制电路免受高压影响。由PFC芯片302的VCC引脚提供用于重构缓冲控制信号704的电压，电压流过电容器514。然后，将重构的控制信号604馈送到降压转换电路400的IGBT驱动晶体管402。在激活时，PWM数字控制电路600可以在降压转换电路400处截获并覆盖来自PFC芯片302的输出信号，在此过程中，如果电动机频率过高，则PWM数字控制电路600将间歇关断IGBT驱动晶体管402。当PFC芯片302的输出负载设定为最低水平，但电动机200的供给功率仍然过高时，PWM数字控制电路600尤其有用。通过调整占空比，PWM数字控制电路600可使输出功率变得非常低或使其完全关断。
输出电压限制电路800提供了第三种电动机性能优化方式。如果电动机200两端的电压高于预定电平，例如120V，则输出电压限制电路800允许切断电动机200的供给电流。输出电压限制电路800优选包括一个二极管806、一个齐纳二极管808、一个电阻器810和一个光耦合器804。
齐纳二极管是一种通常允许电流以常规方式从阳极供给到阴极的二极管。尽管如此，当齐纳二极管两端的电压达到预定电平时(称为“齐纳电压”)，结将击穿，电流将反向流动。
对于本发明的输出限制电路800，电流通常通过SMC兼容电感器408从桥式二极管12流入电动机200。齐纳二极管808通常会阻止电流流过输出电压限制电路800。尽管如此，当电压达到预定阈值水平(如120V)时，齐纳二极管结将击穿，使电流流过输出限制电路800的齐纳二极管408。齐纳二极管808的电压预定阈值优选设定为电流和电压妨碍电动机200运行的水平。当达到该预定阈值水平时，电流流过电阻器810、齐纳二极管808和二极管806。在此种运行模式下，齐纳二极管808与光耦合器804配合向PFC芯片302的ADIM引脚发送信号，从而临时切断电动机200的供给电流，直至齐纳二极管808两端的电压降至预定阈值水平以下。这样，输出限制电路800即可保护电动机200免受潜在破坏性高电压和高电流水平的影响。
前述说明书已参照特定的优选实施例和方法对本发明予以说明。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离所附权利要求所述的本发明的更广泛范围的情况下，可以做出各种修改和变更。相应地，说明书和附图仅仅是为了说明本发明，并非限制本发明；本发明仅受所附权利要求的限制。

Claims (28)

1.一种用于优化电动机运行的控制电路，包括：
一个电动机；
一个功率因数校正电路；以及
一个降压转换电路，其中，所述电动机的供给电流在到达所述电动机之前流过所述功率因数校正电路和所述降压转换电路；
进一步包括一个微处理器，用于接收表明所述电动机供给电流状况的信号，根据所述信号，所述微处理器可以利用脉宽调制(PWM)数模控制电路来减小所述电动机的供给电流。
2.根据权利要求1所述的控制电路，其中，所述功率因数校正电路是一个功率因数校正芯片。
3.根据权利要求1所述的控制电路，其中，所述PWM数模控制电路通过向所述功率因数校正电路提供的信号来减小所述电动机的供给电流。
4.根据权利要求3所述的控制电路，其中，所述PWM数模控制电路指示所述功率因数校正电路通过脉宽调制间歇关断所述电动机的电源来减小所述电动机的供给电流。
5.根据权利要求1所述的控制电路，其中，所述PWM数模控制电路包括一个光耦合器。
6.根据权利要求1所述的控制电路，其中，所述降压功率转换电路包括一个绝缘栅双极晶体管(IGBT)。
7.一种用于优化电动机运行的控制电路，包括：
一个电动机；
一个功率因数校正电路；以及
一个降压转换电路，其中，所述电动机的供给电流在到达所述电动机之前流过所述功率因数校正电路和所述降压转换电路；
进一步包括一个微处理器，用于接收表明所述电动机供给电流状况的信号，根据所述信号，所述微处理器可以利用脉宽调制(PWM)数字控制电路来减小所述电动机的供给电流。
8.根据权利要求7所述的控制电路，其中，所述PWM数字控制电路通过向所述降压转换电路提供的信号来减小所述电动机的供给电流。
9.根据权利要求8所述的控制电路，其中，所述PWM数字控制电路指示所述降压转换电路通过脉宽调制间歇关断所述电动机的电源来减小所述电动机的供给电流。
10.根据权利要求7所述的控制电路，其中，所述降压功率转换电路包括一个绝缘栅双极晶体管(IGBT)。
11.根据权利要求7所述的控制电路，其中，所述PWM数字控制电路包括一个光耦合器。
12.一种用于优化电动机运行的控制电路，包括：
一个电动机；
一个功率因数校正电路；以及
一个降压转换电路，其中，所述电动机的供给电流在到达所述电动机之前流过所述功率因数校正电路和所述降压转换电路；
进一步包括一个输出电压限制电路，输出电压限制电路能够检测所述电动机的供给电流的电压，如果所述电压高于预定电平，输出电压限制电路将关断所述电动机的供给电流。
13.根据权利要求12所述的控制电路，其中，所述输出电压限制电路包括一个齐纳二极管。
14.根据权利要求13所述的控制电路，其中，如果所述电动机的供给电流的检测电压高于预定电平，则所述齐纳二极管将把信号发送到所述功率因数校正电路，以切断所述电动机的供给电流。
15.根据权利要求12所述的控制电路，其中，所述输出电压限制电路包括一个光耦合器。
16.根据权利要求12所述的控制电路，其中，所述预定电压电平为120V。
17.根据权利要求12所述的控制电路，其中，如果所述电压高于预定电平，则所述输出电压限制电路将使所述电动机的供给电流间歇性地关断。
18.一种优化电动机运行的方法，包括以下步骤：
在电流到达所述电动机之前，首先使所述电流流过功率因数校正电路和降压转换电路，从而向电动机供应电流；
向微处理器传输表明所述电动机供给电流状况的信号；
利用所述微处理器判断是否需要减小所述电动机的供给电流；
如果所述微处理器确定所述现有电流电平过高，则从所述微处理器向脉宽调制(PWM)数模控制电路传输信号，以减小所述电动机的供给电流。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述PWM数模控制电路通过向所述功率因数校正电路提供的信号来减小所述电动机的供给电流。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述PWM数模控制电路指示所述功率因数校正电路通过脉宽调制间歇切断所述电动机的电源来减小所述电动机的供给电流。
21.一种优化电动机运行的方法，包括以下步骤：
在电流到达所述电动机之前，首先使所述电流流过功率因数校正电路和降压转换电路，从而向电动机供应电流；
向微处理器传输表明所述电动机供给电流状况的信号；
利用所述微处理器判断是否需要减小所述电动机的供给电流；
如果所述微处理器确定所述现有电流电平过高，则从所述微处理器向脉宽调制(PWM)数字控制电路传输信号，以减小所述电动机的供给电流。
22.根据权利要求21所述的控制电路，其中，所述PWM数字控制电路通过向所述降压转换电路提供的信号来减小所述电动机的供给电流。
23.根据权利要求22所述的控制电路，其中，所述PWM数字控制电路指示所述降压转换电路通过脉宽调制间歇切断所述电动机的电源来减小所述电动机的供给电流。
24.根据权利要求21所述的控制电路，其中，所述降压功率转换电路包括一个绝缘栅双极晶体管(IGBT)。
25.一种优化电动机运行的方法，包括以下步骤：
在电流到达所述电动机之前，首先使所述电流流过功率因数校正电路和降压转换电路，从而向电动机供应电流；
利用输出电压限制电路，检测所述电动机供给电流的电压；以及
如果确定所述电压高于预定电平，则利用所述输出电压限制电路切断所述电动机的供给电流。
26.根据权利要求25所述的方法，其中所述输出电压限制电路包括齐纳二极管。
27.根据权利要求26所述的方法，其中，如果所述电动机的供给电流的检测电压高于预定电平，则所述齐纳二极管将把信号发送到所述功率因数校正电路，以切断所述电动机的供给电流。
28.根据权利要求27所述的方法，其中，所述预定电压电平为120V。
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