CN213125886U - 单相交流电机无级调速控制电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种单相交流电机无级调速控制电路，其特征在于：包括四个整流二极管、三个场效应管、电流检测电阻以及交流负、正半周同步信号和调制脉冲调速信号；第一、第二整流二极管的负极、第三、第四整流二极管的正极分别与交流电源的两输出端电连接，第一、第二整流二极管的正极均接地，第三、第四整流二极管的负极分别与两个场效应管的漏极电连接，第一、第二场效应管的源极均连接第三场效应管的漏极，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两个场效应管的漏极之间，交流负、正半周同步信号分别与第一、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连接。本实用新型线路架构简单、成本低。

Description

单相交流电机无级调速控制电路

技术领域

本实用新型涉及一种交流电机调速控制电路，特别是涉及一种单相交流电机无级调速控制电路。

背景技术

目前市面上单相交流电机是由一主线圈L1、一副线圈L2与一启动电容C构成线路基本架构，俗称交流感应电机或是鼠笼电机。单相交流电机经常应用在电风扇、水冷扇、空清净化机等小家电产品上，作为一般小家电产品最常用的动力驱动电机，其具有寿命长、扭力大、成本低的优点。对单相交流电机的无级调速控制一直是工程师努力的目标。

目前，市面上对单相交流电机的调速方法及其对应优缺点主要体现如下：

第一种，通过线圈抽头法进行三段调速，主要电路原理参考附图1所示。其利用增加交流电机内的线圈匝数，取出接头连接机械开关，用增加线圈匝数所增加的阻抗进行有限度的三段变速。这种调速方式的优点在于不需要电子控制板，成本低。其缺点主要有：①只能做有限度的三段或是四段变速，无法做到无级调速；②因是使用增加线圈阻抗方式进行调速，线圈损耗大，易产生电机发热及效率差之缺点。

第二种，相位控制法的无级调速，主要电路原理及单相交流电机的波形图参考附图 2所示。利用对交流电源零位信号的检测，由单片机送出带有零位检测的驱动信号，然后利用双向可控硅对电源相位进行切割控制，以达到对单相交流电机的无级调速。这种调速方式的优点在于可做到无级调速，且电子控制板成本较低。其缺点主要有：①交流电机在低转速运转时易产生电磁切割声音，噪音大；②因是改变输入电源的相位以获取平均电流的改变，进而改变电机速度，致使产品很难通过EMC/EMI安规认证。

第三种，周波数控制法的无级调速，主要电路原理参考附图3所示。利用对交流电源零位信号的检测，再经单片机送出带有零位检测的驱动信号，在一定时间内通过正负半周的数量，对双向可控硅进行开关控制以达到对交流电机的无级调速。这种调速方式的优点在于可做到无级调速，且电子控制板成本较低。其缺点主要有：①交流电机在周波数开与关动作下运转，电机易产生振动噪音；②因是在固定时间内通过正负半周的数量改变电机的运转速度方式，易造成电机扇叶不平衡。

第四种，H桥的无级调速方法，主要电路原理参考附图4所示。此方法是传统的先将交流电源经DB1整流桥进行全波整流后，再经高压电容C1将交流电整成直流电或是脉动直流电对电机供电，再利用零位检测检出交流电源零位信号送入单片机，由单片机送出带有零位检测的驱动错位信号PWM1与PWM2，对称的对由四个场效应管Q1-Q4所组成的H桥进行错位的快速开关，进而由调制脉冲PWM1与PWM2的宽度控制实现对交流电机的无级调速。这种调速方式的优点在于可做到高精度的无级调速。其缺点主要有：①将交流电转成纯直流或是脉动直流电后，再经由单片机控制输出与H桥所形成的上下臂驱动再次转成类旋波或是方波输出，易造成转换损失，电能利用效率差；②由于需要用到高压电容C1、四个场效应管Q1-Q4、两个高压自举电路以及四个MOS管驱电路，线路架构复杂，成本极高；③线路架构中需要用到高压电容C1，而高压电容C1的体积较大，线路整体架构的体积也随之较大；④将交流电转成纯直流或是脉动直流电后再次转成类旋波或是旋波输出，此处调制脉冲PWM1与PWM2需要错位对称输出，软件控制程序复杂，易造成电机换相死区将MOS管烧毁；⑤因是直流或是脉动直流供电，其输出波型为六步方波或是类旋波，电机噪音大。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种既能做到高精度的无级调速、同时电路构架较简单、成本较低的单相交流电机无级调速控制电路。

本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种单相交流电机无级调速控制电路，其特征在于：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；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，第二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二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，第四整流二极管的正极与交流电源的第二输出端电连接，第三整流二极管的负极与第一场效应管的漏极电连接，第四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；

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，经过第三整流二极管后再经过单相交流电机，经由第二场效应管，再经由第三场效应管和电流检测电阻后经由第一整流二极管流回交流电源的第二输出端，形成一电流回路，此时单相交流电机两端会得到一交流正半周的工作电流波形；在交流电源的负半工作周期，工作电流由交流电源的第二输出端送出，经过第四整流二极管后再经过单相交流电机，经由第一场效应管，再经由第三场效应管和电流检测电阻后经由第二整流二极管流回交流电源的第一输出端，形成一电流回路，此时单相交流电机两端会得到一交流负半周的工作电流波形；

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。

调制脉冲调速信号可以由外部任何设备提供，本实用新型中的调制脉冲调速信号由单片机模拟输出。

本实用新型还包括电源整流电路和降压电路和光耦隔离电路，其中桥式整流电路的两输入端分别与交流电源的两输出端电连接，桥式整流电路的输出端连接降压电路的输入端，降压电路的输出端与单片机电连接为单片机供电，单片机输出的调制脉冲调速信号先连接光耦隔离电路和再经过第三MOS管驱动电路与第三场效应管的栅极电连接。

另外，本实用新型还包括与交流电源的第二输出端连接的交流负半周同步信号检测电路，以及与交流电源的第一输出端连接的交流正半周同步信号检测电路，交流负半周同步信号检测电路输出交流正半周同步信号，然后经过第一MOS管驱动电路后与第一场效应管的栅极电连接，交流正半周同步信号检测电路输出交流正半周同步信号，然后经过第二MOS管驱动电路后与第二场效应管的栅极电连接。

本实用新型还包括取电电路，取电电路的两输入端分别与交流负半周同步信号检测电路的输出端和交流正半周同步信号检测电路的输出端电连接，取电电路的输出端能输出直流电，以供第一MOS管驱动电路、第二MOS管驱动电路以及第三MOS管驱动电路使用。

本实用新型还包括与第三场效应管的源极电连接的过温保护电路，以及与第三MOS管驱动电路电连接的过流保护电路。

所述单片机连接有多个用于控制单相交流电机转速的按键开关，所述单片机根据按键开关的输入信号产生具有对应脉冲宽度的脉冲调速信号。用户可以根据自己的实际需要，按下相应的按键开关，经由单片机输出具有对应脉冲宽度的脉冲调速信号，进而对单相交流电机的转速进行相应控制。

所述单片机还可以连接有线性可变电阻及用于控制线性可变电阻的电阻值的控制开关，所述单片机根据线性可变电阻的电阻值转换成具有对应脉冲宽度的脉冲调速信号，从而实现对单相交流电机转速的无级调控。

所述单片机还可以连接有多个输出控制端，每个输出控制端连接可控硅后可对另外的单相交流电机进行开或关动作控制。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

①、仅利用四个二极管及三个场效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、效率高的优点；

②、利用交流电源的正负半波直接通过第三整流二极管与第四整流二极管自动对交流电机进行交替供电外，同时取代了H桥的上臂中第一MOS管与第二MOS管两个零件以及对应的两组高压自举线路与2组MOS管驱动电路；

③、第一整流二极管和第二整流二极管负责形成整个控制线路的共地效果；第三整流二极管与第四整流二极管能根据电源频率自动换相，排除及简化了传统单片机软件对电机换相的控制程序；

④、第三整流二极管与第四整流二极管除了能自动换相外，因是交流直接供电，同时也解决了转换效率的问题；

⑤、同时利用调速脉冲低电平时间内进行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S管和第二场效应管。

附图说明

图1为现有技术中通过线圈抽头法进行交流电机三段调速的电路原理图。

图2为现有技术中相位控制法实现交流电机无级调速的电路原理图及交流电机的波形图。

图3为现有技术中周波数控制法实现交流电机无级调速的电路原理图及交流电机的波形图。

图4为现有技术中H桥实现交流电机的无级调速方法的电路原理图及交流电机的波形图。

图5本实用新型实施例中单相交流电机无级调速控制电路的主构架电路原理图。

图6为图5中各点波形示意图。

图7本实用新型实施例中交流正半周同步信号、交流负半周同步信号、调制脉冲调速信号以及单相交流电机负载波形图。

图8为本实用新型实施例中单相交流电机无级调速控制电路的详细电路结构图。

图9为本实用新型实施例中单相交流电机无级调速控制电路的一个具体应用场景图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。

本实用新型首先提供了一种单相交流电机无级调速控制电路，其主构架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PWM，参见图5所示；其中第一整流二极管D1的负极与交流电源的第二输出端AC2电连接，第二整流二极管D2的负极与交流电源的第一输出端AC1电连接，第一整流二极管D1和第二整流二极管D2 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，第四整流二极管D4的正极与交流电源的第二输出端电连接，第三整流二极管D3的负极与第一场效应管Q1的漏极电连接，第四整流二极管D4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MOTOR 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Q1的栅极电连接，交流正半周同步信号与第二场效应管Q2的栅极电连接，调制脉冲调速信号PWM与第三场效应管的栅极电连接；

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AC1送出，经过第三整流二极管D3后再经过单相交流电机MOTOR，经由第二场效应管Q2，再经由第三场效应管Q3和电流检测电阻RS后，经由第一整流二极管D1流回交流电源的第二输出端AC2，形成一电流回路，此时单相交流电机两端会得到一交流正半周的工作电流波形；在交流电源的负半工作周期，工作电流由交流电源的第二输出端AC2送出，经过第四整流二极管D4后，再经过单相交流电机MOTOR，经由第一场效应管Q1，再经由第三场效应管Q3和电流检测电阻RS后，经由第二整流二极管D2流回交流电源的第一输出端AC1，形成一电流回路，此时单相交流电机两端会得到一交流负半周的工作电流波形；此时，单相交流电机的两端就会得到一个旋波电压，各点波形图详细参见图6所示；

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。交流正半周同步信号、交流负半周同步信号、调制脉冲调速信号以及单相交流电机负载波形图参见图7所示。

调制脉冲调速信号可以由外部任何设备提供，本实施例中，调制脉冲调速信号由单片机输出，因此本实施例提供的单相交流电机无级调速控制电路还包括用于产生所述调制脉冲调速信号的单片机、电源整流电路、降压电路和光耦隔离电路，其中桥式整流电路的两输入端分别与交流电源的两输出端电连接，桥式整流电路的输出端连接降压电路的输入端，降压电路的输出端与单片机电连接为单片机供电，单片机输出的调制脉冲调速信号先连接光耦隔离电路，再经过第三MOS管驱动电路与第三场效应管的栅极电连接，参见图8所示。

本实施例中，交流正半周同步信号和交流负半周同步信号分别由交流负半周同步信号检测电路和交流正半周同步信号检测电路检测给出，具体的，交流电源的第二输出端连接交流负半周同步信号检测电路，交流电源的第一输出端连接交流正半周同步信号检测电路，交流负半周同步信号检测电路输出交流负半周同步信号，然后经过第一MOS 管驱动电路后与第一场效应管Q1的栅极电连接，交流正半周同步信号检测电路输出交流正半周同步信号，然后经过第二MOS管驱动电路后与第二场效应管Q2的栅极电连接，同样参见图8所示。

本实施例中的单相交流电机无级调速控制电路还包括取电电路，取电电路的两输入端分别与交流负半周同步信号检测电路的输出端和交流正半周同步信号检测电路的输出端电连接，取电电路的输出端能输出6V以上的直流电，以供三组分别驱动三个场效应管的MOS管驱动电路使用。为了保护单相交流电机，第三场效应管Q3的源极电连接过流保护电路，第三MOS管驱动电路还电连接有过温保护电路，同样参见图8所示。

交流负半周同步信号检测电路包括两个串联连接的高阻值电阻R3和R4，交流正半周同步信号检测电路包括两个串联连接的高阻值电阻R1和R2，参见图9所示。

上述单相交流电机无级调速控制电路在具体应用时，可以设置多个与单片机连接的用于控制单相交流电机转速的按键开关，所述单片机根据按键开关的输入信号产生具有对应脉冲宽度的脉冲调速信号；所述单片机还可以连接有线性可变电阻及用于控制线性可变电阻的电阻值的控制开关，所述单片机根据线性可变电阻的电阻值转换成具有对应脉冲宽度的脉冲调速信号，从而实现对单相交流电机转速的无级调控。除了控制一台单相交流电机之外，单片机还连接有多个输出控制端，每个输出控制端连接可控硅后可对另外的单相交流电机进行开或关动作控制，另外的单相交流电机可以连接在AC OUT1或 AC-OUT2之间，同样参见图9所示。

本实用新型所提供的单相交流电机无级调速控制模块，由于线路架构简单，且无EMI/EMC问题，故具有效率高、高安全性、加工容易、节省成本、维修容易、减少体积等优点。

Claims (9)

1.一种单相交流电机无级调速控制电路，其特征在于：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)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(PWM)；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，第二整流二极管(D2)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)和第二整流二极管(D2)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，第四整流二极管(D4)的正极与交流电源的第二输出端电连接，第三整流二极管(D3)的负极与第一场效应管(Q1)的漏极电连接，第四整流二极管(D4)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(Q1)的栅极电连接，交流正半周同步信号与第二场效应管(Q2)的栅极电连接，调制脉冲调速信号(PWM)与第三场效应管的栅极电连接；

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，经过第三整流二极管(D3)后再经过单相交流电机，经由第二场效应管(Q2)，再经由第三场效应管(Q3)和电流检测电阻(RS)后经由第一整流二极管(D1)流回交流电源的第二输出端，形成一电流回路，此时单相交流电机两端会得到一交流正半周的工作电流波形；在交流电源的负半工作周期，工作电流由交流电源的第二输出端送出，经过第四整流二极管(D4)后再经过单相交流电机，经由第一场效应管(Q1)，再经由第三场效应管(Q3)和电流检测电阻(RS)后经由第二整流二极管(D2)流回交流电源的第一输出端，形成一电流回路，此时单相交流电机两端会得到一交流负半周的工作电流波形；

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，同时利用调速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。

2.根据权利要求1所述的单相交流电机无级调速控制电路，其特征在于：还包括用于产生所述调制脉冲调速信号的单片机。

3.根据权利要求2所述的单相交流电机无级调速控制电路，其特征在于：还包括电源整流电路、降压电路和光耦隔离电路，其中桥式整流电路的两输入端分别与交流电源的两输出端电连接，桥式整流电路的输出端连接降压电路的输入端，降压电路的输出端与单片机电连接为单片机供电，单片机输出的调制脉冲调速信号先连接光耦隔离电路，再经过第三MOS管驱动电路与第三场效应管的栅极电连接。

4.根据权利要求1所述的单相交流电机无级调速控制电路，其特征在于：还包括与交流电源的第二输出端连接的交流负半周同步信号检测电路，以及与交流电源的第一输出端连接的交流正半周同步信号检测电路，交流负半周同步信号检测电路输出交流负半周同步信号，然后经过第一MOS管驱动电路后与第一场效应管的栅极电连接，交流正半周同步信号检测电路输出交流正半周同步信号，然后经过第二MOS管驱动电路后与第二场效应管的栅极电连接。

5.根据权利要求4所述的单相交流电机无级调速控制电路，其特征在于：还包括取电电路，取电电路的两输入端分别与交流负半周同步信号检测电路的输出端和交流正半周同步信号检测电路的输出端电连接，取电电路的输出端能输出直流电，以供第一MOS管驱动电路和第二MOS管驱动电路使用。

6.根据权利要求5所述的单相交流电机无级调速控制电路，其特征在于：还包括与第三场效应管的源极电连接的过温保护电路，以及与第三MOS管驱动电路电连接的过流保护电路。

7.根据权利要求2所述的单相交流电机无级调速控制电路，其特征在于：所述单片机连接有多个用于控制单相交流电机转速的按键开关，所述单片机根据按键开关的输入信号产生具有对应脉冲宽度的脉冲调速信号。

8.根据权利要求2所述的单相交流电机无级调速控制电路，其特征在于：所述单片机还连接有线性可变电阻及用于控制线性可变电阻的电阻值的控制开关，所述单片机根据线性可变电阻的电阻值转换成具有对应脉冲宽度的脉冲调速信号，从而实现对单相交流电机转速的无级调控。

9.根据权利要求2所述的单相交流电机无级调速控制电路，其特征在于：所述单片机还连接有多个输出控制端，每个输出控制端连接可控硅后对另外的单相交流电机进行开或关动作控制。

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