CN114531067A - 一种单相无刷直流电机的调速结构及调速方法 - Google Patents

Abstract

一种单相无刷直流电机的调速结构及调速方法，将第一转子磁极位置检测器H1设在转子外侧对着距离该极靴末端10%～30%极靴外圆弧长度的极靴处，第二转子磁极位置检测器H2设在转子外侧对着与该极靴末端相邻的另一极靴始端；所设的调速控制电路包括高压直流电源、调速模块、定子绕组驱动电路和设定转速模块；从第一、二转子磁极位置检测器H1、H2输入的方波信号和从CPU2输入的设定转速的PWM脉冲信号经CPU1比较、运算、处理后向定子绕组驱动电路输出连续间歇方波信号，进而向定子绕组提供正、反向直流电，达到在设定转速处恒定运行。本电机调速结构简单，调速方法简捷，起动及运行平稳可靠，转矩大，噪音小，节能，制造成本低。

Description

一种单相无刷直流电机的调速结构及调速方法

技术领域

本发明涉及一种无刷直流电机调速技术领域，特别涉及一种单相无刷直流电机的调速结构及调速方法。

背景技术

无刷直流电机由电动机主体和驱动装置组成，具有高可靠性、无换向火花、机械噪声小，以及转速范围大等优点，广泛用于各种电子设备、家用电器中。

在现有技术中，以电风扇为例，普通的电风扇是采用鼠笼式电机，因其最低转速约在450转/分，最高转速只有约1300转/分，因而并不能满足实际使用要求。而现有的采用无刷直流电机的电风扇，则成本过高，其市场价格达普通电风扇的两倍或以上，因此，使用无刷直流电机的电风扇只占电风扇市场的很小份额。

无刷直流电机按线圈绕组及控制方式分为单相、两相与三相三种，一般两相比较少用，单相的结构比较简单，成本较低且定子各极靴与转子磁极之间能同时产生旋转作用力，所以转子转矩大，但由于其转、定子极数相等，这就很容易在起动过程中出现堵转现象。三相的结构复杂，其线圈绕组及控制装置是采用Y型结构，在转、定子之间形成一个旋转磁场而使转子转动，这种结构的无刷直流电机可以克服堵转现象，但结构复杂，成本高，而且在电机工作过程中的任一时间点，只有定子的其中三个极是同时对转子的旋转起作用的，所以其转子转矩小。

一般的电子设备、家用电器以及电风扇，绝大部份都是市电直接供电的，现有的无刷直流电机如直接采用市电供电时，就必须把交流110V或220V整流滤波变成直流电，此时一般采用如下技术方案：

（1）、把市电整流滤波后的高压直流电降为低压直流电（例如12V、24V或36V）作为电机及控制装置的电源，该方案无论是用开关电源降压或变压器降压，其成本都会高于电机控制电路，对于几十瓦的小功率无刷直流电机，降压电路的成本甚至会达到该电机除降压电路外其他组件的价值总和。

（2）、用专用芯片直接把市电整流滤波后的高压直流电供电，但此类芯片的价格昂贵，其成本与上述方案的成本差不多。

（3）、由于目前市面上没有中功率以上的PNP双极型三极管或P沟道场效应管，其线圈驱动的推挽电路与电源正极连接的输出管的基极或栅极都要采用自举电路使其导通。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种单相无刷直流电机的调速结构及调速方法，它由市电经整流滤波获得高压直流电压直接供电，通过间歇方波直流供电方式控制该单相无刷直流电机恒定运行在预设的转速中，而且，不会发生堵转现象，转子转矩大，转速调节范围大，同时，调速结构简单、整机体积小、耗用材料少、生产成本低以及节电。

本发明所提出的技术解决方案是这样的：

一种单相无刷直流电机的调速结构及调速方法，包括由N、S极相间布排扇形体的永久磁铁磁极组成的转子，与该转子同心的定子铁芯设有与转子磁极数相同且一一相对的极靴，磁极与极靴之间为等间距，每相邻两只极靴为一组，每组极靴同一侧位置的一只极靴的外侧端部切去大小相同的部分扇形体极靴，每组两个定子铁芯分别设有串联的正、反向绕组，各串联绕组串联后与定子绕组驱动电路输出端相连接，还设有第一转子磁极位置检测器H1、第二转子磁极位置检测器H2和调速控制电路；

所述调速控制电路包括高压直流电源、直流工作电源、调速模块、定子绕组驱动电路和设定转速模块，调速模块采用第一中央处理器CPU1，设定转速模块采用第二中央处理器CPU2；

市电经高压直流电源的全波整流及滤波后，一路向定子绕组驱动电路供给高压直流电，另一路经直流工作电源降压稳压后向第一转子位置检测器H1、第二转子位置检测器H2、CPU1和CPU2提供直流工作电源，定子绕组驱动电路采用推挽式正反向电流电路，向定子绕组输出正向或反向直流电流；

设任一只定子极靴，当转子任一磁极分界面沿该转子旋转方向先经过该极靴一端为该极靴始端，随后经过该极靴另一端为该极靴末端，所述第一转子磁极位置检测器H1设在转子外侧且其检测头对着距离该极靴末端10％～30％极靴外圆弧长度的极靴处，所述第二转子磁极位置检测器H2设在转子外侧且其检测头对着与该极靴末端相邻的另一极靴始端；

第一转子磁极位置检测器H1输出方波信号经A/D转换输入第一中央处理器CPU1的I1输入端，第二转子磁极位置检测器H2输出方波信号经A/D转换输入第一中央处理器CPU1的I2输入端，将设定转速的数值通过键盘输出至设定转速模块的I6输入端，第二中央处理器CPU2采用PWM控制方式获得设定转速的脉冲信号，并根据通信协议输出至第一中央处理器CPU1的I3输入端，第一中央处理器CPU1经过比较、运算、处理并经I/O端口从两个输出端U1、U2互相独立输出连续间歇方波信号至定子绕组驱动电路的两个输入端I4、I5，定子绕组驱动电路两个输出端U3、U4分别错开向定子绕组输出正向直流电或反向直流电；

当从第一转子磁极位置检测器H1输出方波信号处于上升沿或下降沿时，第一中央处理器CPU1的U1和U2输出端均输出低电平，直至第二转子磁极位置检测器H2输出的方波信号处于上升沿时，第一中央处理器CPU1的输出端U1才输出连续间歇方波信号，与此同时，CPU1的输出端U2输出低电平；当从第二转子磁极位置检测器H2输出的方波信号处于下降沿时，第一中央处理器CPU1输出端U2输出连续间歇方波信号，与此同时，CPU1的输出端U1输出低电平，通过定子绕组驱动电路向定子绕组输出正向或反向直流电，转子转速趋向设定转速；

第一中央处理器CPU1根据从第一或第二转子磁极位置检测器H1或H2输入的方波信号的高低电平变化周期能感知到实时转速，当转子转速高于设定转速时，第一转子磁极位置检测器H1或第二转子磁极位置检测器H2输出的方波信号每经过2～10个电平高低变化周期时，第一中央处理器CPU1的U1输出端或U2输出端输出的连续间歇方波的占空比减少1/25～1/200，直至达到设定转速；当转子转速低于设定转速时，第一转子磁极位置检测器H1或第二转子磁极位置检测器H2输出的方波信号每经过2～10个电平高低电平变化周期时，第一中央处理器CPU1的U1输出端或U2输出端输出的连续间歇方波的占空比增加1/25～1/200，直至达到设定转速；所述连续间歇方波的周期X为：

X=

；其中R为设定转速，转/分；N为转、定子极数。

所述第一中央处理器CPU1输出的连续间歇方波的占空比最小为15%。在设定转速的最高档时，所述第一中央处理器CPU1输出的连续间歇方波之间的间歇时间Z为50μs～200μs。

与现有技术相比，本发明具有如下显著效果：

本发明的单相无刷直流电机采用了双转子磁极位置检测器延时供电结构，使转子磁极分界面即将转至前方相邻两定子极靴之间的间隙前就会提前停止向定子绕组供电，经延后些时间再向定子绕组提供反向电流。这样，一方面可以防止定子绕组电流突然反向或因反向间隔时间过短而出现瞬间反峰电流过大，可能烧毁绕组或电子元件，另一方面是根据转子磁极会转向磁通密度最小方向的原理，在转子磁极分界面转至接近该定子极靴末端时，即使定子绕组不继续通电，该转子磁极仍会转至与该定子极靴平齐；因而具有节能、提高效率的显著效果；同时，在该转子磁极转至与该定子极靴平齐前，如定子绕组还继续通电，则转子会加速，造成转子不能平稳转动而产生明显的振动与噪音，采用本延时供电结构能明显减少本电机的振动和噪音。采用改变第一中央处理器CPU1输出端输出连续间歇方法占空比的方法，可以使电机转速恒定在预设的各档转速中。由于本电机工作时是全部转子磁极与定子极靴都同时工作的，因而转矩大、效率高。此外，采用复合晶体管电路，比用自举电路结构简单、可靠。概括而言，本发明具有结构简单，可直接由市电供电，起动及工作平稳可靠、噪音低，能恒定在预设的转速中运行，也不会发生堵转现象，转子转矩大，而且具有节能、成本低、耗用材料少等优点。本发明适用于单向旋转的设备中，如电风扇等。

附图说明

图1是本发明一种单相无刷直流电机的电原理框图。

图2是图1所示定子绕组驱动电路电原理图。

图3是图1所示第一中央处理器CPU1输出端输出的连续间歇方波示意图。

图4是本发明一个实施例的单相无刷直流电机结构示意图，该电机为外转子式八极结构。

具体实施方式

通过下面实施例对本发明作进一步详细阐述。

实施例1：

参见图1～图3所示，一种单相无刷直流电机的调速结构及调速方法，包括由N、S极相间布排扇形体的永久磁铁磁极组成的转子，与该转子同心的定子铁芯设有与转子磁极数相同且一一相对的极靴，磁极与极靴之间为等间距，每相邻两只极靴为一组，每组极靴同一侧位置的一只极靴的外侧端部切去大小相同的部分扇形体极靴，每组两个定子铁芯分别设有串联的正、反向绕组，各串联绕组串联后与定子绕组驱动电路输出端相连接，还设有第一转子磁极位置检测器H1、第二转子磁极位置检测器H2和调速控制电路；

所述调速控制电路包括高压直流电源1、直流工作电源2、调速模块3、定子绕组驱动电路4和设定转速模块6，调速模块3采用第一中央处理器CPU1，设定转速模块6采用第二中央处理器CPU2；

市电经高压直流电源1的全波整流及滤波后，一路向定子绕组驱动电路4供给高压直流电，另一路经直流工作电源2降压稳压后向第一转子位置检测器H1、第二转子位置检测器H2、CPU1和CPU2提供直流工作电源，定子绕组驱动电路4采用推挽式正反向电流电路，向定子绕组5输出正向或反向直流电流；

设任一只定子极靴，当转子任一磁极分界面沿该转子旋转方向先经过该极靴一端为该极靴始端，随后经过该极靴另一端为该极靴末端，所述第一转子磁极位置检测器H1设在转子外侧且其检测头对着距离该极靴末端10％～30％极靴外圆弧长度的极靴处，所述第二转子磁极位置检测器H2设在转子外侧且其检测头对着与该极靴末端相邻的另一极靴始端；

第一转子磁极位置检测器H1输出方波信号经A/D转换输入第一中央处理器CPU1的I1输入端，第二转子磁极位置检测器H2输出方波信号经A/D转换输入第一中央处理器CPU1的I2输入端，将设定转速的数值通过键盘7输出至设定转速模块6的I6输入端，第二中央处理器CPU2采用PWM控制方式获得设定转速的脉冲信号，并根据通信协议输出至第一中央处理器CPU1的I3输入端，第一中央处理器CPU1经过比较、运算、处理并经I/O端口从两个输出端U1、U2互相独立输出连续间歇方波信号至定子绕组驱动电路4的两个输入端I4、I5，定子绕组驱动电路4两个输出端U3、U4分别错开向定子绕组5输出正向直流电或反向直流电；

当从第一转子磁极位置检测器H1输出方波信号处于上升沿或下降沿时，第一中央处理器CPU1的U1和U2输出端均输出低电平，直至第二转子磁极位置检测器H2输出的方波信号处于上升沿时，第一中央处理器CPU1的输出端U1才输出连续间歇方波信号，与此同时，CPU1的输出端U2输出低电平；当从第二转子磁极位置检测器H2输出的方波信号处于下降沿时，第一中央处理器CPU1输出端U2输出连续间歇方波信号，与此同时，CPU1的输出端U1输出低电平，通过定子绕组驱动电路4向定子绕组5输出正向或反向直流电，转子转速趋向设定转速；

第一中央处理器CPU1根据从第一或第二转子磁极位置检测器H1或H2输入的方波信号的高低电平变化周期能感知到实时转速，当转子转速高于设定转速时，第一转子磁极位置检测器H1或第二转子磁极位置检测器H2输出的方波信号每经过2～10个电平高低变化周期时，第一中央处理器CPU1的U1输出端或U2输出端输出的连续间歇方波的占空比减少1/25～1/200，直至达到设定转速；当转子转速低于设定转速时，第一转子磁极位置检测器H1或第二转子磁极位置检测器H2输出的方波信号每经过2～10个电平高低电平变化周期时，第一中央处理器CPU1的U1输出端或U2输出端输出的连续间歇方波的占空比增加1/25～1/200，直至达到设定转速；所述连续间歇方波的周期X为：

X=

；其中R为设定转速，转/分；N为转、定子极数。

所述第一中央处理器CPU1输出的连续间歇方波的占空比最小为15%。在设定转速的最高档时，所述第一中央处理器CPU1输出的连续间歇方波之间的间歇时间Z为50μs～200μs。

实施例2：

参见图1～图4所示，本实施例是实施例1的一个具体实例，本实施例采用外转子式单相无刷直流电机，转子10由八个N、S极相间布排、扇形体的磁极11组成，与转子10同心的定子13铁芯设有八只与磁极11一一对应的扇形体的极靴14，每相邻两只极靴组成的极靴组在同一侧位置的一只极靴14的外侧端部切去大小相同的部分扇形体极靴，定子铁芯设有互相串联的正反向绕组5。

市电交流220V经高压直流电源1整流滤波后输出200V至400V高压直流电，一路高压直流与定子绕组驱动电路4连接，另一路经直流工作电源2降压稳压把高压直流电变成5V直流工作电源，分别向第一、二转子磁极位置检测器H1、H2以及CPU1和CPU2提供直流工作电源，CPU1根据第一转子磁极检测器H1或第二转子磁极位置检测器H2输出的高低电平信号以及从CPU2输出的设定转速的脉冲信号通过输出端U1或U2输出连续间歇方波信号，CPU1的输出端U1或U2互为单独输出连续间歇方波信号。工作时，转子10向定子极靴14的始端F1方向转动，当第一转子磁极位置检测器H1输出的方波信号由上升沿变为下降沿或由下降沿变为上升沿之前，即转子磁极分界面12接近定子极靴末端F3前，CPU1停止输出连续间歇方波信号，转子10随惯性及在磁极向磁通密度减少方向移动这一特性所产生的作用力作用下，仍继续向前转动，当该转子磁极分界面12转至第二转子磁极位置检测器H2时，即下一只极靴始端F4，CPU1输出端U2由低电平转为输出连续间歇方波，如此一直循环，电机正常转动工作。本实施例的单相无刷直流电机的极数为8极，预设最高转速为1500转/分，其间歇方波周期为：

X=

=

=5(ms)；R：转/分；N：极数；

间歇方波的间歇时间Z为200us。

从图3中可见，连续间歇方波的占空比为1-Z/X，当Z=200μs时，其连续间歇方波的占空比为96%。

图2所示定子绕组驱动电路4由晶体管T1至T8组成，其中T1、T2、T3与T7、T6、T5分别组成两组复合晶体管，能直接由整流滤波后的高压直流电导通，所述两组复合晶体管分别与场效应管T4和T8组成推挽电路。当CPU1分别独立从输出端U1或U2输出连续间歇方波信号至定子绕组驱动电路4的两个输入端I4和I5时，定子绕组驱动电路4从输出端U3和U4分别向定子绕组5的B端或A端输出正向电流。二极管D1~D4为定子绕组5提供了反峰电流通路，采用复合晶体管可直接由CPU1驱动定子绕组驱动电路4。

本实施例中第一转子磁极位置检测器H1的检测头对正离定子极靴末端F3还剩余20%该极靴圆弧长度的位置F2，此时向定子绕组5输出电流的时间就减少了20%，虽然，定子绕组5在这段时间内停止供给电流，但转子10仍将继续正常转动，从而节省了电能；同时由于此时没有继续向定子绕组5通电，不会产生磁力的叠加而使转子10瞬间加速，因而转子转动平稳，振动、噪音都小。CPU1输出端U1和U2输出的连续间歇方波是相互错开独立输出，故输向定子绕组5的电流不会瞬间反向，消除了对电路电子元件及定子绕组被损坏或烧毁的隐患。

刚通电起动时，转子10仍处在静止状态，CPU1输出端U1或U2输出占空比为15%的连续间歇方波，转子磁极11与对应的定子极靴14同极性；转子转动，本实施例设定在连续间歇方波输出80个周期内，如第一转子磁极位置检测器H1或第二转子磁极位置检测器H2输出的电平无变化，则CPU1输出端U1或U2停止输出。如在所述连续间歇方波输出达到80个周期前，第一或第二转子磁极位置检测器H1或H2输出的电平发生改变，即电机转动，CPU1输出端U1或U2输出的间歇方波会从其中一路输出转为另一路输出，此时，CPU1通过检测第一或第二转子磁极位置检测器H1或H2输出的电平高低变化周期，去检测转子10的转速。如转速低于设定值，本实施例是第一或第二转子磁极位置检测器H1或H2的输出电平高低每变化4个周期，即转子10转动0.5转，CPU1控制其输出的连续间歇方波的占空比就增加1%，直至达到设定转速。如转速高于设定值，则以同样方法使CPU1输出端输出的连续间歇方波逐步减少其占空比，直至把转子的转速稳定在设定转速上。本结构的单相无刷直流电机不会发生堵转现象。

本实施例可按设定转速工作，最低设定转速为150转/分时，占空比约为18%。在最高设定转速与最低设定转速之间还设定了300转/分，600转/分与1000转/分三档设定转速。图1中，设定转速模块6通过键盘7用增加键、减少键去设定转速档位， 第二中央处理器CPU2采用PWM控制方式转换为设定转速的脉冲信号，根据自定义通信协议输出至CPU1的 I3输入端。

本实施例中，第一中央处理器CPU13和第二中央处理器CPU2均为相同型号的FT61F14X、8位。第一转子磁极位置检测器H1和第二转子磁极位置检测器H2均采用单极霍尔元件，其上拉电阻20kΩ设于CPU1或CPU2对应的输入端内。

Claims (3)

1.一种单相无刷直流电机的调速结构及调速方法，包括由N、S极相间布排扇形体的永久磁铁磁极组成的转子，与该转子同心的定子铁芯设有与转子磁极数相同且一一相对的极靴，磁极与极靴之间为等间距，每相邻两只极靴为一组，每组极靴同一侧位置的一只极靴的外侧端部切去大小相同的部分扇形体极靴，每组两个定子铁芯分别设有串联的正、反向绕组，各串联绕组串联后与定子绕组驱动电路输出端相连接，其特征在于：还设有第一转子磁极位置检测器H1、第二转子磁极位置检测器H2和调速控制电路；

所述调速控制电路包括高压直流电源（1）、直流工作电源（2）、调速模块（3）、定子绕组驱动电路（4）和设定转速模块（6），调速模块（3）采用第一中央处理器CPU1，设定转速模块（6）采用第二中央处理器CPU2；

市电经高压直流电源（1）的全波整流及滤波后，一路向定子绕组驱动电路（4）供给高压直流电，另一路经直流工作电源（2）降压稳压后向第一转子位置检测器H1、第二转子位置检测器H2、CPU1和CPU2提供直流工作电源，定子绕组驱动电路（4）采用推挽式正反向电流电路，向定子绕组（5）输出正向或反向直流电流；

设任一只定子极靴，当转子任一磁极分界面沿该转子旋转方向先经过该极靴一端为该极靴始端，随后经过该极靴另一端为该极靴末端，所述第一转子磁极位置检测器H1设在转子外侧且其检测头对着距离该极靴末端10％～30％极靴外圆弧长度的极靴处，所述第二转子磁极位置检测器H2设在转子外侧且其检测头对着与该极靴末端相邻的另一极靴始端；

第一转子磁极位置检测器H1输出方波信号经A/D转换输入第一中央处理器CPU1的I1输入端，第二转子磁极位置检测器H2输出方波信号经A/D转换输入第一中央处理器CPU1的I2输入端，将设定转速的数值通过键盘（7）输出至设定转速模块（6）的I6输入端，第二中央处理器CPU2采用PWM控制方式获得设定转速的脉冲信号，并根据通信协议输出至第一中央处理器CPU1的I3输入端，第一中央处理器CPU1经过比较、运算、处理并经I/O端口从两个输出端U1、U2互相独立输出连续间歇方波信号至定子绕组驱动电路（4）的两个输入端I4、I5，定子绕组驱动电路（4）两个输出端U3、U4分别错开向定子绕组（5）输出正向直流电或反向直流电；

当从第一转子磁极位置检测器H1输出方波信号处于上升沿或下降沿时，第一中央处理器CPU1的U1和U2输出端均输出低电平，直至第二转子磁极位置检测器H2输出的方波信号处于上升沿时，第一中央处理器CPU1的输出端U1才输出连续间歇方波信号，与此同时，CPU1的输出端U2输出低电平；当从第二转子磁极位置检测器H2输出的方波信号处于下降沿时，第一中央处理器CPU1输出端U2输出连续间歇方波信号，与此同时，CPU1的输出端U1输出低电平，通过定子绕组驱动电路（4）向定子绕组（5）输出正向或反向直流电，转子转速趋向设定转速；

第一中央处理器CPU1根据从第一或第二转子磁极位置检测器H1或H2输入的方波信号的高低电平变化周期能感知到实时转速，当转子转速高于设定转速时，第一转子磁极位置检测器H1或第二转子磁极位置检测器H2输出的方波信号每经过2～10个电平高低变化周期时，第一中央处理器CPU1的U1输出端或U2输出端输出的连续间歇方波的占空比减少1/25～1/200，直至达到设定转速；当转子转速低于设定转速时，第一转子磁极位置检测器H1或第二转子磁极位置检测器H2输出的方波信号每经过2～10个电平高低电平变化周期时，第一中央处理器CPU1的U1输出端或U2输出端输出的连续间歇方波的占空比增加1/25～1/200，直至达到设定转速；所述连续间歇方波的周期X为：

X=

；其中R为设定转速，转/分；N为转、定子极数。

2.根据权利要求1所述的一种单相无刷直流电机的调速结构及调速方法，其特征在于：所述第一中央处理器CPU1输出的连续间歇方波的占空比最小为15%。

3.根据权利要求1所述的一种单相无刷直流电机的调速结构及调速方法，其特征在于：在设定转速的最高档时，所述第一中央处理器CPU1输出的连续间歇方波之间的间歇时间Z为50μs～200μs。

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