CN116846267A - 一种高功率因数电机驱动器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种高功率因数电机驱动器，包括单级高功率因数供电电源和电机控制电路；单级高功率因数供电电源，包括高功率因数开关电源和直流转换电源，负责采用直流转换电源的降压变换电路结构，将高功率因数开关电源输出的低压直流电压转换为3.3V直流电压输出；实现输出电流波形对Kcom*Vac值进行跟随，实现高功率因数处理；电机控制电路，用于实时检测电机运行状态，实时检测电机运行时的母线电压，根据反馈信号代入场定向控制算法，算法计算出电机的运行状态，输出控制信号控制MOS管开关，并控制电机运行。本发明能够将功率因数提高至0.98以上，有效降低和抑制谐波，针对低压供电的直流电机实现低谐波的电路驱动。
Description
技术领域
本发明提出了一种高功率因数电机驱动器，属于电机驱动技术领域。
背景技术
低压电机驱动器的前端需要一个高压交流转成低压直流的电源，目前主要用的电源适配器或无功率因素的开关电源把高压交流电转成直流，没有功率因素校正电源，谐波干扰很大，对电网影响很大；或者采用带有功率因素校正加电压转换两级电路的适配器或开关电源，这种电路复杂，成本高，且转换效率较低。目前的功率因数在0.5左右。
发明内容
本发明提供了一种高功率因数电机驱动器，用以解决现有低电压电机驱动器存在功率因数和转换率较低的问题，所采取的技术方案如下：
一种高功率因数电机驱动器，高功率因数电机驱动器包括单级高功率因数供电电源和电机控制电路；
单级高功率因数供电电源，包括高功率因数开关电源和直流转换电源，负责采用直流转换电源的降压变换电路结构，将高功率因数开关电源输出的低压直流电压转换为3.3V直流电压输出；将检测到的参考电压输入管脚的实际输入信号，与单级高功率因数供电电源的开关电源核心控制芯片的内部参考电压进行比较放大，得到Kcom值；再将Kcom值与Vin检测的原边绕组电压值Vac相乘得到Kcom*Vac值，然后根据检测的电流I控制输出电流波形，实现输出电流波形对Kcom*Vac值进行跟随，当电压高时电流大，电压低时电流小，实现高功率因数处理；
电机控制电路，用于实时检测电机运行状态，实时检测电机运行时的母线电压，计算后控制MOS给予启动信号，检测两相的反馈信号，根据反馈信号代入场定向控制算法，算法计算出电机的运行状态，输出控制信号控制MOS管开关，并控制电机运行。
可选的，高功率因数开关电源的电源信号输出端与直流转换电源的电信号输入端相连。
可选的，高功率因数开关电源包括AC输入端子、干扰抑制电路、整流电路、芯片快启电路和以开关电源芯片为核心的开关电源电路；AC输入端子与干扰抑制电路的信号输出端相连；干扰抑制电路的信号输出端与整流电路的信号输入端连接；整流电路的信号输出端与芯片快启电路的信号输入端相连；芯片快启电路的快启信号输出端与以开关电源芯片为核心的开关电源电路的快启信号输出端连接。
可选的，高功率因数开关电源的高功率因数电源输出方法包括：
步骤1、AC信号通过AC输入端子进行信号输入，并通过整流桥进行整流输出整流信号；
步骤2、芯片快启电路接收到整流信号后进行工作，并为开关电源芯片进行供电；
步骤3、开关电源芯片接收到芯片快启电路发出的供电信号之后并运行驱动开关电源电路中的MOS管；
步骤4、开关电源的变压器原边绕组通电，变压器的反馈绕组运行，当反馈绕组开始运行时，取缔芯片快启电路为开关电源芯片的供电，并且，此时为开关电源芯片提供参考信号；
步骤5、开关电源电路的电流反馈电路向开关电源芯片反馈电流信号，开关电源芯片根据电压、电流反馈信号对MOS管进行开关控制，以此实现高功率因数处理；
步骤6、开关电源电路的变压器副边绕组通过整流二极管进行整流，电解电容进行稳压，输出对应的恒压信号。
可选的，高功率因数开关电源用于将90V-305V交流电转换为低压直流电压输出，其中，低压直流电压输出的低压范围为12V-120V。
可选的，直流转换电源采用降压变换电路结构，用于将高功率因数开关电源输出的低压直流电压转换为3.3V直流电压输出。
可选的，干扰抑制电路包括共模电感电路、雷击测试放电电路、压敏电阻、电容电阻抑制电路和差模电感电路；共模电感电路、压敏电阻、电容电阻抑制电路和差模电感电路依次电连接；其中，雷击测试放电电路包括第一电路和第二电路；第一电路与共模电感电路电连接；第二电路与整流电路的电流信号输出端相连。
可选的，电机控制电路包括核心控制电路、驱动电路、电流检测电路和电压检测电路；
核心控制电路，用于接收电流检测电路和电压检测电路的反馈信号，并根据反馈信号调整电机驱动参数；
驱动电路，用于接收核心控制电路发送的驱动信号并对电机进行运行驱动；
电流检测电路，用于检测电机运行过程中的A相、B相和总线电流，并将检测到的电流信号反馈至核心控制电路；
电压检测电路，用于实时检测电机运行时的母线电压。
可选的，电流检测电路包括A相电流电流检测电路、B相电流电流检测电路和总电流检测电路；电流检测电路A相电流电流检测电路、B相电流电流检测电路和总电流检测电路的检测信号输出端即为电流检测电路的检测信号输出端；并且，A相电流电流检测电路、B相电流电流检测电路和总电流检测电路分别通过双MOS芯片与电机的U相电流端和V相电流端相连。
可选的，驱动电路包括三个带预驱的双MOS芯片，三个带预驱的双MOS芯片的信号端分别与电机的三相驱动信号端相连。
本发明有益效果：
本发明提出的一种高功率因数电机驱动器应用于需要高功率因素交流电转低电压的电机驱动器，如直流落地扇、吊扇、低压排气扇、水泵等产品的电机；本发明提出的一种高功率因数电机驱动器前端将高压交流转成低压直流的电源，采用一级电源把功率校正与电压转换相结合，实现高功率因数、低谐波的功能，电路简单，效率高，成本低，结合电机驱动控制电路，确保系统运行稳定，对电网没有谐波干扰，采用这种驱动器功率因数达到0.98以上。
附图说明
图1为本发明提供的高功率因数电机驱动器的结构示意图；
图2为本发明高功率因数开关电源的电路结构图；
图3为本发明直流转换电源的电路结构图；
图4为本发明电机控制电路的结构示意图；
图5为本发明核心控制电路的电路结构图；
图6为本发明驱动电路和电流检测电路的电路连接结构图；
图7为本发明电压检测电路的电路结构图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例提出了一种高功率因数电机驱动器，如图1所示，高功率因数电机驱动器包括单级高功率因数供电电源和电机控制电路；
单级高功率因数供电电源，包括高功率因数开关电源和直流转换电源，负责采用直流转换电源的降压变换电路结构，将高功率因数开关电源输出的低压直流电压转换为3.3V直流电压输出；将检测到的参考电压输入管脚的实际输入信号，与单级高功率因数供电电源的开关电源核心控制芯片的内部参考电压进行比较放大，得到Kcom值；再将Kcom值与Vin检测的原边绕组电压值Vac相乘得到Kcom*Vac值，然后根据检测的电流I控制输出电流波形，实现输出电流波形对Kcom*Vac值进行跟随，当电压高时电流大，电压低时电流小，实现高功率因数处理；
电机控制电路，用于实时检测电机运行状态，实时检测电机运行时的母线电压，计算后控制MOS给予启动信号，检测两相的反馈信号，根据反馈信号代入场定向控制算法，算法计算出电机的运行状态，输出控制信号控制MOS管开关，并控制电机运行；
上述技术方案的工作原理为：本实施例的单级高功率因数供电电源，包括高功率因数开关电源和直流转换电源，负责采用直流转换电源的降压变换电路结构，将高功率因数开关电源输出的低压直流电压转换为3.3V直流电压输出；将检测到的参考电压输入管脚的实际输入信号，与单级高功率因数供电电源的开关电源核心控制芯片的内部参考电压进行比较放大，得到Kcom值；再将Kcom值与Vin检测的原边绕组电压值Vac相乘得到Kcom*Vac值，然后根据检测的电流I控制输出电流波形，实现输出电流波形对Kcom*Vac值进行跟随，当电压高时电流大，电压低时电流小，实现高功率因数处理；电机控制电路，用于实时检测电机运行状态，实时检测电机运行时的母线电压，计算后控制MOS给予启动信号，检测两相的反馈信号，根据反馈信号代入场定向控制算法，算法计算出电机的运行状态，输出控制信号控制MOS管开关，并控制电机运行；
上述技术方案的效果为：本实施例提出的一种高功率因数电机驱动器应用于需要高功率因素交流电转低电压的电机驱动器，如直流落地扇、吊扇、低压排气扇、水泵等产品的电机；本发明提出的一种高功率因数电机驱动器前端将高压交流转成低压直流的电源，采用一级电源把功率校正与电压转换相结合，再实现交流电转换的同时实现了功率因数的调整，采用开关电源核心控制芯片即可实现功率因数的处理，结构较为简单，非常快捷的实现了电机高功率因数的调整，同时实现了高功率因数的自动化调整，电压与电流实现了反向调整，保证电机运行的是功率稳定和可靠，实现了高功率因数、低谐波的功能，电路简单，效率高，成本低，结合电机驱动控制电路，实时检测电机运行时的母线电压，计算后控制MOS给予启动信号，不仅实现了电机运行状态的精准控制，而且确保系统运行稳定，对电网没有谐波干扰，采用这种驱动器功率因数达到0.98以上。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于，本实施例中，如图2所示，单级高功率因数供电电源包括高功率因数开关电源和直流转换电源；高功率因数开关电源的电源信号输出端与直流转换电源的电信号输入端相连。高功率因数开关电源用于将90V-305V交流电转换为24V直流电压输出。直流转换电源采用降压变换电路结构，用于将高功率因数开关电源输出的24V直流电转换为3.3V直流电压输出。
其中，高功率因数开关电源包括AC输入端子、干扰抑制电路、整流电路、芯片快启电路和以开关电源芯片为核心的开关电源电路；AC输入端子与干扰抑制电路的信号输出端相连；干扰抑制电路的信号输出端与整流电路的信号输入端连接；整流电路的信号输出端与芯片快启电路的信号输入端相连；芯片快启电路的快启信号输出端与以开关电源芯片为核心的开关电源电路的快启信号输出端连接。
并且，高功率因数开关电源的高功率因数电源输出方法包括：
步骤1、AC信号通过AC输入端子进行信号输入，并通过整流桥进行整流输出整流信号；
步骤2、芯片快启电路接收到整流信号后进行工作，并为开关电源芯片进行供电；
步骤3、开关电源芯片接收到芯片快启电路发出的供电信号之后并运行驱动开关电源电路中的MOS管；
步骤4、开关电源的变压器原边绕组通电，变压器的反馈绕组运行，当反馈绕组开始运行时，取缔芯片快启电路为开关电源芯片的供电，并且，此时为开关电源芯片提供参考信号；
步骤5、开关电源电路的电流反馈电路向开关电源芯片反馈电流信号，开关电源芯片根据电压、电流反馈信号对MOS管进行开关控制，以此实现高功率因数处理；
步骤6、开关电源电路的变压器副边绕组通过整流二极管进行整流，电解电容进行稳压，输出对应的恒压信号。
其中，在变压器原边绕组的信号输入端处设置有漏感吸收线路用于对供电端存在的漏感进行吸收，从而提高功率因数转化率。具体的漏感吸收电路如图2所示，并且，漏感吸收电路中的C4和C14之间的电容值满足如下条件：
其中，Cgd表示MOS管栅极和漏极之间的寄生电容；Vy表示变压器原边绕组电压；Vd表示MOS管漏极的尖峰电压；
通过上述条件获得的电容设置的电感吸收电路，能够有效提高漏感吸收的吸收率，进而最大限度提高功率因数。
上述技术方案的工作原理为：如图2所示，高功率因数低压供电电源连接AC信号输入，通过整流桥进行整流快启电路工作，给IW3627芯片进行供电，此时，IW3627芯片开始工作，驱动MOS管；然后，变压器原边绕组通电，反馈绕组工作，取缔快启电路给芯片供电，并且给与IW3627芯片的FB脚参考信号；然后，高功率因数低压供电电源的电流反馈电路向芯片反馈电流信号。此时，Vin脚检测原边Vac信号；IW3627芯片根据电压、电流反馈信号对MOS管进行开关控制，以此实现高功率因数处理。副边通过整流二极管进行整流，电解电容进行稳压，输出对应的恒压信号。
高功率因数开关电源将检测到的IW3627芯片的FB脚电压与内部参考电压进行比较放大得到Kcom值，再将Kcom值与Vin检测的原边绕组电压值Vac相乘得到Kcom*Vac值，然后根据检测的电流I控制输出电流波形，实现输出电流波形对Kcom*Vac值进行跟随，当电压高时电流大，电压低时电流小，达到高功率因数的目的。
如图3所示，直流降压电路采用BUCK电路，将24V直流电转换为3.3V交流电。直流降压电路采用KP521403A芯片为核心，芯片内部集成BUCK电路，当输入为24V时，输出稳定的3.3V。
上述技术方案的效果为：采用一级电源把功率校正与电压转换相结合，实现高功率因数、低谐波的功能，电路简单，效率高，成本低，结合电机驱动控制电路，确保系统运行稳定，对电网没有谐波干扰，采用这种驱动器功率因数达到0.98以上。
实施例3
本实施例与实施例2的不同之处在于，如图2所示，干扰抑制电路包括共模电感电路、雷击测试放电电路、压敏电阻、电容电阻抑制电路和差模电感电路；共模电感电路、压敏电阻、电容电阻抑制电路和差模电感电路依次电连接；其中，雷击测试放电电路包括第一电路和第二电路；第一电路与共模电感电路电连接；第二电路与整流电路的电流信号输出端相连。
其中，雷击测试放电电路包括输入端电路和输出端电路，其电路结构如图2所示，在雷击测试放电电路设置过程中，输出端电路的电容C1通过如下公式获取：
其中，R4、R5、R7和R8分别表示图2中雷击测试放电电路的输出端电路的电阻R4、R5、R7和R8对应的电阻值；UC2表示C2对应的最大电压值；f表示满足开关电源要求的电源启动脉冲频率值。通过上述公式获取的C1值以及C1和C2之间的电容关系值能够有效提高雷击测试电路的雷击浪涌抗扰性能，进而提高开关电源运行的抗扰性能。
上述技术方案的工作原理和效果为：通过上述干扰抑制电路的结构和组成能够在降低电路结构复杂性的同时，最大限度消除谐波和杂模干扰，进而能够在降低电路结构复杂性的情况下，针对低电压电机进行高功率因数驱动。同时，通过上述公式获取的C1值以及C1和C2之间的电容关系值能够有效提高雷击测试电路的雷击浪涌抗扰性能，进而提高开关电源运行的抗扰性能。
实施例4
本实施例与实施例1的不同之处在于，如图4和图5所示，电机控制电路包括核心控制电路、驱动电路、电流检测电路和电压检测电路；
核心控制电路，用于接收电流检测电路和电压检测电路的反馈信号，并根据反馈信号调整电机驱动参数；
驱动电路，用于接收核心控制电路发送的驱动信号并对电机进行运行驱动；
电流检测电路，用于检测电机运行过程中的A相、B相和总线电流，并将检测到的电流信号反馈至核心控制电路；
电压检测电路，用于实时检测电机运行时的母线电压。
具体的，如图6所示，电流检测电路包括A相电流电流检测电路、B相电流电流检测电路和总电流检测电路；电流检测电路A相电流电流检测电路、B相电流电流检测电路和总电流检测电路的检测信号输出端即为电流检测电路的检测信号输出端；并且，A相电流电流检测电路、B相电流电流检测电路和总电流检测电路分别通过双MOS芯片与电机的U相电流端和V相电流端。驱动电路包括三个带预驱的双MOS芯片，三个带预驱的双MOS芯片的信号端分别与电机的三相驱动信号端相连。
上述技术方案的工作原理和效果为：控制芯片BP32MC057EM6S8检测母线电压，计算后控制MOS给予启动信号，检测两相的反馈信号，根据反馈信号代入场定向控制算法，算法计算出电机的运行状态，输出控制信号控制MOS管开关。通过这种电路结构能够有效提高低压电机运行的电路检测准确性和低压电机的运行驱动控制稳定性和精确性。进而有效提高风扇灯运行的控制稳定性。
本发明提出的一种高功率因数电机驱动器应用于需要高功率因素交流电转低电压的电机驱动器，如直流落地扇、吊扇、低压排气扇、水泵等产品的电机；本发明提出的一种高功率因数电机驱动器前端将高压交流转成低压直流的电源，采用一级电源把功率校正与电压转换相结合，实现高功率因数、低谐波的功能，电路简单，效率高，成本低，结合电机驱动控制电路，确保系统运行稳定，对电网没有谐波干扰，采用这种驱动器功率因数达到0.98以上。
实施例5
本实施例与实施例2的不同之处在于，开关电源芯片，包括：
信号时域处理模块，负责在时域上利用阈值来检测干扰信号的位置；
初始阈值确认模块，负责采用迭代阈值法确定初始阈值，求出AC输入端子的干扰信号的最大频域值和最小频域值，取最大频域值和最小频域值的平均值作为初始阈值，将检测出的干扰部分置零；
其中，R表示初始阈值，k表示常数，避免干扰信号检测错误，N表示干扰信号长度，|y(i)|表示第i个采样时间内最大频域值和最小频域值的差值的绝对值；
更新阈值模块，负责迭代更新阈值，随着迭代次数的增加，阈值不断减小，利用长度为矩形窗口函数抑制干扰，当阈值的变化量小于设定值时停止迭代过程；
其中，R′表示更新后的阈值，M表示第i-1个采样时间干扰信号长度；
上述技术方案的工作原理和效果为：本实施例的信号时域处理模块，负责在时域上利用阈值来检测干扰信号的位置；初始阈值确认模块，负责采用迭代阈值法确定初始阈值，求出AC输入端子的干扰信号的最大频域值和最小频域值，取最大频域值和最小频域值的平均值作为初始阈值，将检测出的干扰部分置零；更新阈值模块，负责迭代更新阈值，随着迭代次数的增加，阈值不断减小，利用长度为矩形窗口函数抑制干扰，当阈值的变化量小于设定值时停止迭代过程；本发明通过实现干扰信号的检测，实现了AC输入端子的直流电的干扰信号的检测，再开关电源芯片的控制下，通过迭代阈值检测干扰信号，检测到干扰信号后由干扰抑制电路对干扰信号进行处理，提升干扰信号处理的效率，通过频域进行阈值设定，实现干扰信号全面检测，避免干扰信号的遗漏。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种高功率因数电机驱动器，其特征在于，所述高功率因数电机驱动器包括单级高功率因数供电电源和电机控制电路；
单级高功率因数供电电源，包括高功率因数开关电源和直流转换电源，负责采用直流转换电源的降压变换电路结构，将高功率因数开关电源输出的低压直流电压转换为3.3V直流电压输出；将检测到的参考电压输入管脚的实际输入信号，与单级高功率因数供电电源的开关电源核心控制芯片的内部参考电压进行比较放大，得到Kcom值；再将Kcom值与Vin检测的原边绕组电压值Vac相乘得到Kcom*Vac值，然后根据检测的电流I控制输出电流波形，实现输出电流波形对Kcom*Vac值进行跟随，当电压高时电流大，电压低时电流小，实现高功率因数处理；
电机控制电路，用于实时检测电机运行状态，实时检测电机运行时的母线电压，计算后控制MOS给予启动信号，检测两相的反馈信号，根据反馈信号代入场定向控制算法，算法计算出电机的运行状态，输出控制信号控制MOS管开关，并控制电机运行。
2.根据权利要求1所述高功率因数电机驱动器，其特征在于，高功率因数开关电源的电源信号输出端与直流转换电源的电信号输入端相连。
3.根据权利要求2所述高功率因数电机驱动器，其特征在于，高功率因数开关电源包括AC输入端子、干扰抑制电路、整流电路、芯片快启电路和以开关电源芯片为核心的开关电源电路；AC输入端子与干扰抑制电路的信号输出端相连；干扰抑制电路的信号输出端与整流电路的信号输入端连接；整流电路的信号输出端与芯片快启电路的信号输入端相连；芯片快启电路的快启信号输出端与以开关电源芯片为核心的开关电源电路的快启信号输出端连接。
4.根据权利要求2或3所述高功率因数电机驱动器，其特征在于，高功率因数开关电源的高功率因数电源输出方法包括：
步骤1、AC信号通过AC输入端子进行信号输入，并通过整流桥进行整流输出整流信号；
步骤2、芯片快启电路接收到整流信号后进行工作，并为开关电源芯片进行供电；
步骤3、开关电源芯片接收到芯片快启电路发出的供电信号之后并运行驱动开关电源电路中的MOS管；
步骤4、开关电源的变压器原边绕组通电，变压器的反馈绕组运行，当反馈绕组开始运行时，取缔芯片快启电路为开关电源芯片的供电，并且，此时为开关电源芯片提供参考信号；
步骤5、开关电源电路的电流反馈电路向开关电源芯片反馈电流信号，开关电源芯片根据电压、电流反馈信号对MOS管进行开关控制，以此实现高功率因数处理；
步骤6、开关电源电路的变压器副边绕组通过整流二极管进行整流，电解电容进行稳压，输出对应的恒压信号。
5.根据权利要求2所述高功率因数电机驱动器，其特征在于，高功率因数开关电源用于将90V-305V交流电转换为低压直流电压输出，其中，低压直流电压输出的低压范围为12V-120V。
6.根据权利要求2所述高功率因数电机驱动器，其特征在于，直流转换电源采用降压变换电路结构，用于将高功率因数开关电源输出的低压直流电压转换为3.3V直流电压输出。
7.根据权利要求3所述高功率因数电机驱动器，其特征在于，干扰抑制电路包括共模电感电路、雷击测试放电电路、压敏电阻、电容电阻抑制电路和差模电感电路；共模电感电路、压敏电阻、电容电阻抑制电路和差模电感电路依次电连接；其中，雷击测试放电电路包括第一电路和第二电路；第一电路与共模电感电路电连接；第二电路与整流电路的电流信号输出端相连。
8.根据权利要求1所述高功率因数电机驱动器，其特征在于，电机控制电路包括核心控制电路、驱动电路、电流检测电路和电压检测电路；
核心控制电路，用于接收电流检测电路和电压检测电路的反馈信号，并根据反馈信号调整电机驱动参数；
驱动电路，用于接收核心控制电路发送的驱动信号并对电机进行运行驱动；
电流检测电路，用于检测电机运行过程中的A相、B相和总线电流，并将检测到的电流信号反馈至核心控制电路；
电压检测电路，用于实时检测电机运行时的母线电压。
9.根据权利要求8所述高功率因数电机驱动器，其特征在于，电流检测电路包括A相电流电流检测电路、B相电流电流检测电路和总电流检测电路；电流检测电路A相电流电流检测电路、B相电流电流检测电路和总电流检测电路的检测信号输出端即为电流检测电路的检测信号输出端；并且，A相电流电流检测电路、B相电流电流检测电路和总电流检测电路分别通过双MOS芯片与电机的U相电流端和V相电流端相连。
10.根据权利要求8所述高功率因数电机驱动器，其特征在于，驱动电路包括三个带预驱的双MOS芯片，三个带预驱的双MOS芯片的信号端分别与电机的三相驱动信号端相连。
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