专利名称：控制单相永磁体同步电动机转动方向的便捷方法和使用该方法的电动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及有永久磁体的同步电动机，特别是涉及有静止电枢和旋转磁体的同步 电动机，尤其涉及单相永磁体同步电动机旋转方向的控制电路。
背景技术：
如所周知，单相交流同步或异步电动机因为只有一相电源，产生的是脉动磁场，该 脉动磁场可以被分解为大小相等、方向相反的两个旋转磁场分量，因而不具有起动力矩。对 于小型或微型的单相永磁体同步电动机，实际上只要是定子励磁绕组上电瞬间转子抖动， 就可以让它沿着某一方向一直转下去，因为转子转动产生的旋转磁场削弱、直至抵消定子 磁场的反方向分量，从而令转子一直往前转动，最后被牵入同步。显然，这种任其自然的起 动方式，转子转动的方向是不确定的，这在许多应用场合是不容许的。现有技术单相永磁体同步电动机的转向控制方法包括1、采用机械的方法，通过增加挡片使单相永磁体同步电动机实现单向转动。但是 该机械办法结构复杂，而且不太可靠；2、通过软件检测控制的方法，控制单相永磁体同步电动机的单向转动。然而该方 法抗干扰性及可靠性不高，关键元器件的性能要求高，相对来说实现的成本也比较高。
发明内容本发明要解决的技术问题在于避免上述现有技术的不足之处而提供一种控制单 相永磁体同步电动机转动方向的便捷方法、设置有转向控制电路的单相永磁体同步电动机 和用于单相永磁体同步电动机的转向控制电路，该便捷方法和转向控制电路巧妙地借助各 硬件模块解决了所述同步电动机转向不确定的问题，能可靠地保证所述同步电动机按已设 定的方向运行，具有控制方法简单实用、控制电路也简单、成本低廉、可靠性高、抗干扰性强 和能有效降低晶闸管开关噪声等优点。本发明解决所述技术问题采用的技术方案是提供一种控制单相永磁体同步电动机转动方向的便捷方法，包括如下步骤A、设置定子励磁电流‘的电源开关，使之符合以下要求①在永磁体转子静止时，接通电源电压Unet后，所述定子励磁电流‘的电源开关 必须是导通的；②所述永磁体转子转动后，如果转动方向符合设定要求，要保持所述定子励磁电 流‘的电源开关导通；③所述永磁体转子转动后，如果转动方向同设定要求相反，所述定子励磁电流‘ 的电源开关就会关断，俟所述永磁体转子仅有抖动或蠕动时，该定子励磁电流‘的电源开 关又自动重新启动；B、设置获取所述永磁体转子在指定位置实时磁场极性的永磁体转子磁场极性传感装置，以其输出的逻辑真值“ 1”或“0”代表所述永磁体转子临近该传感装置所在位置瞬 间是S极还是N极；C、基于定子励磁绕组的电源电压Unet，将其移相、整形后用作时钟脉冲CLK，再引入 所述永磁体转子磁场极性传感装置输出的逻辑信号，用最简单的时序逻辑电路完成上述步 骤A中各项判断，实现所述永磁体转子转动方向的控制。所述定子励磁电流‘的电源开关包括双向晶闸管Ql及其驱动电路。所述永磁体转子磁场极性传感装置是霍尔元件U6及其外部电阻。所述时序逻辑电路包括集成双D触发器U2、集成非门U3和二极管或门D4、D5。还提供一种设置有转向控制电路的单相永磁体同步电动机，包括一对磁极的永磁 体转子和缠绕有励磁绕组的定子；所述单相永磁体同步电动机还包括可靠地保证所述单相 永磁体同步电动机按已设定方向转动的转向控制电路，所述转向控制电路包括直流稳压电 源模块、移相电流检测模块、永磁体转子磁场极性检测模块、逻辑电路处理模块和定子励磁 绕组的电源开关及其驱动电路模块，以及输入给所述直流稳压电源模块、移相电流检测模 块和定子励磁绕组的电源开关及其驱动电路模块的交流电源；所述直流稳压电源模块将输入的所述交流电源转换为稳定的直流电压V⑵并输出 到所述各模块用作控制电源；通过所述移相电流检测模块获取移相后电流实时正、负半周的逻辑信号；通过所 述永磁体转子磁场极性检测模块获取所述永磁体转子在指定位置实时磁场极性是N还是S 的逻辑信号；借助所述移相电流检测模块和永磁体转子磁场极性检测模块提供的所述各逻辑 信号，经所述逻辑电路处理模块进行逻辑处理后，输出控制信号到所述定子励磁绕组的电 源开关及其驱动电路模块，由所述定子励磁绕组的电源开关及其驱动电路模块来控制所述 单相永磁体同步电动机按已设定的方向运行。所述移相电流检测模块包括电阻R2、二极管D3、三极管Q2和电阻R4 ；所述交流电 源经所述直流稳压电源模块之电容Cl移相后，再经串联电阻R2和二极管D3连接至所述三 极管Q2的基极，其中二极管D3的阴极连接所述三极管Q2的基极，三极管Q2的集电极通过 电阻R4连接至所述直流稳压电源模块的输出电压\c，所述三极管Q2的集电极还与所述逻 辑电路处理模块电连接，所述三极管Q2的发射极连接至电路的等电位点。所述移相电流检测模块还包括并联在三极管Q2基极电路的电容C4。所述永磁体转子磁场极性检测模块借助设置在所述定子两极靴之间并挨近永磁 体转子的霍尔元件进行检测，包括电阻R5和霍尔元件TO ；所述霍尔元件TO的第一个脚连 接到所述稳定的直流电压Vrc，所述霍尔元件U6的第二个脚与所述逻辑电路处理模块电连 接，所述霍尔元件U6的第三个脚连接至所述电路的等电位点；所述电阻R5并联在所述霍尔 元件U6的第一个脚和第二个脚之间。所述逻辑电路处理模块采用集成六非门和集成双D触发器逻辑电路，包括使用的 三个非门TOB U3D、两个D触发器U2A和U2B、电阻R6、电容C5，以及二极管或门D4、D5 ；所 述永磁体转子磁场极性检测模块获取所述永磁体转子在指定位置实时磁场极性的逻辑信 号后输出到所述非门U;3B的输入脚和D触发器U2A的D输入端，该非门TOB的输出脚同所 述D触发器U2B的D输入端连接；所述移相电流检测模块获取移相后超前电流的实时正、负半周的逻辑信号，再输出到所述非门U3C的输入脚和D触发器U2A的时钟信号输入端CLK， 该非门U3C的输出脚同所述D触发器U2B的时钟信号输入端CLK连接；所述两D触发器U2A 和U2B的Q输出脚分别与所述两二极管D4及D5的阳极连接，该两二极管D4及D5的阴极 均同所述非门U3D的输入脚连接，该非门U3D的输入脚还经并联的电阻R6和电容C5后连 接至所述电路的等电位点，该非门U3D的输出脚输出到所述定子励磁绕组的电源开关及其 驱动电路模块；所述两D触发器U2A和U2B的各复位输入端RST和置位输入端SET均连接 至所述电路的等电位点，所述两D触发器U2A和U2B的输出脚悬空。所述定子励磁绕组的电源开关及其驱动电路模块包括双向晶闸管Ql、光耦合器 U5、电容C6和三个电阻R8、R10、R12 ；所述逻辑电路处理模块输出信号连接至所述光耦合器 U5之发光二极管的阴极，所述稳定的直流电压Ncc经电阻R8连接所述光耦合器U5之发光 二极管的阳极，所述光耦合器U5的一输出端电连接所述双向晶闸管Ql的门电极G，所述光 耦合器U5的另一输出端通过串联的两电阻RlO及R12后电连接到所述双向晶闸管Ql的一 主电极T2，该主电极T2并与所述定子励磁绕组一端连接，所述双向晶闸管Ql的另一主电极 T1与所述交流电源的输出端AC2电连接，该输出端AC2同时经所述电容C6后电连接至所述 两电阻RlO及R12的串联连接点；所述励磁绕组的另一端电连接所述交流电源的另一输出 端 AC1。所述转向控制电路还包括电动机运转方向选择模块，它是双刀双掷开关SW1，分 别与所述永磁体转子磁场极性检测模块和逻辑电路处理模块电连接；借助该双刀双掷开关 SWl可以选择所述单相永磁体同步电动机按顺时针或逆时针之任一方向运转。还提供一种用于单相永磁体同步电动机的转向控制电路，能可靠地保证所述单相 永磁体同步电动机按已设定方向转动，包括直流稳压电源模块、移相电流检测模块、永磁体 转子磁场极性检测模块、逻辑电路处理模块和定子励磁绕组的电源开关及其驱动电路模 块，以及输入给所述直流稳压电源模块、移相电流检测模块和定子励磁绕组的电源开关及 其驱动电路模块的交流电源；所述直流稳压电源模块将输入的所述交流电源转换为稳定的直流电压V⑵并输出 到所述各模块用作控制电源；通过所述移相电流检测模块获取移相后电流实时正、负半周的逻辑信号；通过所 述永磁体转子磁场极性检测模块获取所述永磁体转子在指定位置实时磁场极性是N还是S 的逻辑信号；借助所述移相电流检测模块和永磁体转子磁场极性检测模块提供的所述各逻辑 信号，经所述逻辑电路处理模块进行逻辑处理后，输出控制信号到所述定子励磁绕组的电 源开关及其驱动电路模块，由所述定子励磁绕组的电源开关及其驱动电路模块来控制所述 单相永磁体同步电动机按已设定的方向运行。同现有技术相比较，本发明控制单相永磁体同步电动机转动方向的便捷方法、设 置有转向控制电路的单相永磁体同步电动机和用于单相永磁体同步电动机的转向控制电 路之有益效果在于1、本发明控制单相永磁体同步电动机转动方向的便捷方法将电源电压移相、整形 后用作时钟脉冲信号，并引入所述永磁体转子磁场极性传感装置输出的逻辑信号，以其输 出的逻辑真值“ 1”或“0”代表所述永磁体转子临近该传感装置所在位置瞬间是S极还是N极，再用最简单的时序逻辑电路完成定子励磁电流‘之电源开关的导通或关断，从而保证 单相永磁体同步电动机的转向按已设定的方向运行，具有控制方法简单实用的优点；2、而本发明设置有转向控制电路的单相永磁体同步电动机利用单相永磁体同步 电动机的同步工作原理，采用成熟的逻辑电路，利用移相后的超前电流信号做为时钟脉冲 信号，以及利用霍尔元件实时地检测单相永磁体同步电动机之永磁体转子的磁场极性的方 向，通过触发器来判断单相永磁体同步电动机转动的方向是否与设定的方向一致，如果一 致则开启控制开关；如果连续几个周期不一致，则关闭控制开关，再重新启动并检测；直至 单相永磁体同步电动机转动的方向与已设定方向一致为止；以此保证单相永磁体同步电动 机的转向按已设定的方向运行；3、使用硬件电路实现控制，具有电路简单、成本低廉、可靠性高、抗干扰性强和能 有效降低晶闸管开关噪声的优点。
图1是本发明设置有转向控制电路的单相永磁体同步电动机优选实施例一的电 原理逻辑框图；图2是所述优选实施例一的原理电路图，图中已画出该转向控制电路所控制的单 相永磁体同步电动机M ；图3是所述单相永磁体同步电动机顺时针旋转时转子在一瞬间的磁极几何位置 示意图；图4是所述单相永磁体同步电动机逆时针旋转时转子在一瞬间的磁极几何位置 示意图；图5是所述单相永磁体同步电动机之转向控制电路的同步电动机永磁转子磁场 极性检测模块400的霍尔元件检测永磁转子位置的逻辑真值表；图6是所述转向控制电路的逻辑电路处理模块600的触发器U2A和U2B相应输入 输出脚位的逻辑真值表；图7是电源电压Unrt、定子励磁绕组电流‘和移相后电流i。之用作时钟脉冲信号 的移相电流U各旋转矢量之间关系的极座标图；图8是所述单相永磁体同步电动机按设定方向旋转时电源电压Unrt、定子励磁绕 组电流、用作时钟脉冲信号的移相电流U、转子磁场极性的逻辑信号及触发器U2A和 U2B相关输入输出脚的时序关系图；图9是所述单相永磁体同步电动机与设定方向反向旋转时电源电压Unrt、定子励 磁绕组电流、用作时钟脉冲信号的移相电流U、转子磁场极性的逻辑信号及触发器U2A 和U2B相关输入输出脚的时序关系图；图10是所述设置有转向控制电路的单相永磁体同步电动机优选实施例二的电原 理逻辑框图；图11是所述优选实施例二的原理电路图，图中已画出该转向控制电路所控制的 单相永磁体同步电动机M ；图12是所述单相永磁体同步电动机的转子处于静止状态，霍尔元件输出信号1 时，触发器U2A和U2B相关输入输出脚的时序关系8
图13是所述单相永磁体同步电动机的转子处于静止状态，霍尔元件输出信号0 时，触发器U2A和U2B相关输入输出脚的时序关系图。
具体实施方式下面结合各附图对本发明作进一步详细说明。一种控制单相永磁体同步电动机转动方向的便捷方法，包括如下步骤A、设置定子励磁电流‘的电源开关，使之符合以下要求①在永磁体转子静止时，接通电源电压Unet后，所述定子励磁电流‘的电源开关 必须是导通的；②所述永磁体转子转动后，如果转动方向符合设定要求，要保持所述定子励磁电 流‘的电源开关导通；③所述永磁体转子转动后，如果转动方向同设定要求相反，所述定子励磁电流‘ 的电源开关就会关断，该关断的时间可能会在所述电源电压Unet连续一个或几个周波后，具 体关断的时间要视图2或图11中的电容C5和电阻R6的数字而定，俟所述永磁体转子仅有 抖动或蠕动时，该定子励磁电流‘的电源开关又自动重新启动；B、设置获取所述永磁体转子在指定位置实时磁场极性的永磁体转子磁场极性传 感装置，以其输出的逻辑真值“ 1”或“0”代表所述永磁体转子临近该传感装置所在位置瞬 间是S极还是N极；C、基于定子励磁绕组的电源电压Unet，将其移相、整形后用作时钟脉冲CLK，再引入 所述永磁体转子磁场极性传感装置输出的逻辑信号，用最简单的时序逻辑电路完成上述步 骤A中各项判断，实现所述永磁体转子转动方向的控制。参见图2和图11，所述定子励磁电流‘的电源开关包括双向晶闸管Ql及其驱动 电路，如该驱动电路是驱动集成电路一光耦合器U5。参见图2和图11，所述永磁体转子磁场极性传感装置是霍尔元件U6及其外部电 阻。参见图2和图11，所述时序逻辑电路包括集成双D触发器U2、集成非门U3和二极 管或门D4、D5。所述双D触发器U2包括D触发器U2A和U2B ；所述集成非门U3包括非门 U3B U3D。参见图1、图2、图10和图11，一种设置有转向控制电路的单相永磁体同步电动机， 包括有一对磁极的永磁体转子800和缠绕有励磁绕组的定子900 ；所述单相永磁体同步电 动机还包括可靠地保证所述单相永磁体同步电动机按已设定方向转动的转向控制电路，所 述转向控制电路包括直流稳压电源模块200、移相电流检测模块300、永磁体转子磁场极性 检测模块400、逻辑电路处理模块600和定子励磁绕组的电源开关及其驱动电路模块700， 以及输入给所述直流稳压电源模块200、移相电流检测模块300和定子励磁绕组的电源开 关及其驱动电路模块700的交流电源100 ；所述直流稳压电源模块200将输入的所述交流电源100转换为稳定的直流电压 Vrc，并输出到所述各模块300、400、600、700用作控制电源；通过所述移相电流检测模块300获取移相后电流实时正、负半周的逻辑信号，如 该逻辑信号用作时钟脉冲CLK ；通过所述永磁体转子磁场极性检测模块400获取所述永磁体转子800在指定位置实时磁场极性是N还是S的逻辑信号；借助所述移相电流检测模块300和永磁体转子磁场极性检测模块400提供的所述 各逻辑信号，经所述逻辑电路处理模块600进行逻辑处理后，输出控制信号到所述定子励 磁绕组的电源开关及其驱动电路模块700，由所述定子励磁绕组的电源开关及其驱动电路 模块700来控制所述单相永磁体同步电动机按已设定的方向运行。说明如下所述转向控制电路的永磁体转子磁场极性检测模块400所起的作用等 同于控制单相永磁体同步电动机转动方向的便捷方法之所述永磁体转子磁场极性传感装 置所起的作用；所述转向控制电路的逻辑电路处理模块600所起的作用等同于控制单相永 磁体同步电动机转动方向的便捷方法之所述时序逻辑电路所起的作用；所述转向控制电路 之定子励磁绕组的电源开关及其驱动电路模块700所起的作用等同于控制单相永磁体同 步电动机转动方向的便捷方法之所述定子励磁电流‘的电源开关所起的作用。优选实施例一参见图1和图2，一种设置有转向控制电路的单相永磁体同步电动机，系通过上述 控制单相永磁体同步电动机转动方向的便捷方法而制作的，包括有一对磁极的永磁体转子 800和缠绕有励磁绕组的定子900 ；所述单相永磁体同步电动机还包括可靠地保证所述单 相永磁体同步电动机按已设定方向转动的转向控制电路，所述转向控制电路包括直流稳压 电源模块200、移相电流检测模块300、永磁体转子磁场极性检测模块400、逻辑电路处理模 块600和定子励磁绕组的电源开关及其驱动电路模块700，以及输入给所述直流稳压电源 模块200、移相电流检测模块300和定子励磁绕组的电源开关及其驱动电路模块700的交流 电源100。参见图1和图2，所述直流稳压电源模块200包括电阻Rl、三个电容Cl C3、四个 二极管Dll D14、电阻R3和稳压二极管D2 ；所述交流电源100经并联的所述电阻Rl和电 容Cl降压移相后，再经所述二极管Dll D14组成的桥式电路整流，通过所述电阻R3降压 后在所述稳压二极管D2上产生稳定的直流电压VCC，并输出到所述移相电流检测模块300、 永磁体转子磁场极性检测模块400、逻辑电路处理模块600和定子励磁绕组的电源开关及 其驱动电路模块700用作控制电源。电容Cl主要起移相和降压的作用，电容C2和C3主要 起滤波的作用，其中电容C2为电解电容。参见图1和图2，所述移相电流检测模块300包括电阻R2、二极管D3、三极管Q2和 电阻R4 ；所述交流电源100经所述直流稳压电源模块200之电容Cl移相后，再经串联电阻 R2和二极管D3连接至所述三极管Q2的基极，其中二极管D3的阴极连接所述三极管Q2的 基极，三极管Q2的集电极通过电阻R4连接至所述直流稳压电源模块200的输出电压V⑵ 所述三极管Q2的集电极还与所述逻辑电路处理模块600电连接，如所述三极管Q2的集电 极还与所述逻辑电路处理模块600之非门U3C的输入脚5和D触发器U2A的时钟信号输入 端CLK即另一输入脚3电连接，所述三极管Q2的发射极连接至电路的等电位点。所述移相电流检测模块300还包括并联在三极管Q2基极电路的电容C4。参见图1至图4，所述永磁体转子磁场极性检测模块400借助设置在所述定子900 两极靴之间并挨近永磁体转子800的霍尔元件进行检测，包括电阻R5和霍尔元件TO ；所述 霍尔元件TO的第一个脚1连接到所述稳定的直流电压V。。，所述霍尔元件TO的第二个脚2 与所述逻辑电路处理模块600电连接，如所述霍尔元件TO的第二个脚2与所述逻辑电路处
10理模块600之非门TOB的输入脚3和D触发器U2A的D输入端即输入脚5电连接，所述霍 尔元件U6的第三个脚3连接至所述电路的等电位点；所述电阻R5并联在所述霍尔元件U6 的第一个脚1和第一个脚2之间；所述霍尔元件U6型号为US^Sl或US1881。所述霍尔元 件U6各脚位对应所述单相永磁体同步电动机之永磁体转子800的在指定位置实时磁场极 性N、S极位置的逻辑信号的关系如图5所示。参见图3和图4，标号910为所述定子900极靴尖端或根部设有的磁隙缺口。参见图1和图2，所述逻辑电路处理模块600采用集成六非门和集成双D触发器逻 辑电路，包括使用的三个非门U;3B U3D、两个D触发器U2A和U2B、电阻R6、电容C5，以及 二极管或门D4、D5 ；所述永磁体转子磁场极性检测模块400获取所述永磁体转子800在指 定位置实时磁场极性的逻辑信号后输出到所述非门U;3B的输入脚3和D触发器U2A的D输 入端即输入脚5，如所述永磁体转子磁场极性检测模块400之霍尔元件U6的第二个脚2与 所述逻辑电路处理模块600之非门TOB的输入脚3和D触发器U2A的D输入端即输入脚5 电连接，该非门U;3B的输出脚4同所述D触发器U2B的D输入端即输入脚9连接；所述移相 电流检测模块300获取移相后超前电流的实时正、负半周的逻辑信号，再输出到所述非门 U3C的输入脚5和D触发器U2A的时钟信号输入端CLK即另一输入脚3，如所述移相电流检 测模块300之三极管Q2的集电极与所述逻辑电路处理模块600之非门U3C的输入脚5和D 触发器U2A的时钟信号输入端CLK即另一输入脚3电连接，该非门U3C的输出脚6同所述 D触发器U2B的时钟信号输入端CLK即另一输入脚11连接；所述两D触发器U2A和U2B的 Q输出脚1、13分别与所述两二极管D4及D5的阳极连接，该两二极管D4及D5的阴极均同 所述非门U3D的输入脚9连接，该非门U3D的输入脚9还经并联的电阻R6和电容C5后连 接至所述电路的等电位点，该非门U3D的输出脚8输出到所述定子励磁绕组的电源开关及 其驱动电路模块700，如非门U3D的输出脚8与所述定子励磁绕组的电源开关及其驱动电 路模块700之光耦合器U5的发光二极管的阴极电连接；所述两D触发器U2A和U2B的各复 位输入端RST和置位输入端SET，即所述D触发器U2A的另两个输入脚4、6和D触发器U2B 的另两个输入脚10、8均连接至所述电路的等电位点，所述两D触发器U2A和U2B的互输出 脚2、12悬空。所述触发器U2A和U2B相应输入输出脚位的逻辑真值表信号的关系如图6所示。参见图1和图2，所述定子励磁绕组的电源开关及其驱动电路模块700包括双向晶 闸管Q1、光耦合器U5、电容C6和三个电阻R8、R10、R12 ；所述逻辑电路处理模块600输出信 号连接至所述光耦合器U5之发光二极管的阴极，如逻辑电路处理模块600之非门U3D的输 出脚8与所述光耦合器U5之发光二极管的阴极电连接，所述稳定的直流电压Ncc经电阻R8 连接所述光耦合器U5之发光二极管的阳极，所述光耦合器TO的一输出端电连接所述双向 晶闸管Ql的门电极G，所述光耦合器TO的另一输出端通过串联的两电阻RlO及R12后电连 接到所述双向晶闸管Ql的一主电极T2,该主电极T2并与所述定子900励磁绕组一端连接， 所述双向晶闸管Ql的另一主电极T1与所述交流电源100的输出端AC2电连接，该输出端 AC2同时经所述电容C6后电连接至所述两电阻RlO及R12的串联连接点；所述励磁绕组的 另一端电连接所述交流电源100的另一输出端AC1。优选实施例二 参见图10和图11，与优选实施例一基本相同，不同之处在于
增加了电动机运转方向选择模块500，它是双刀双掷开关SW1，分别与所述永磁体 转子磁场极性检测模块400和逻辑电路处理模块600电连接。参见图11，双刀双掷开关SWl的一个动触点1与所述逻辑电路处理模块600之D 触发器U2A的D输入端即输入脚5电连接，其另一个动触点2与所述逻辑电路处理模块600 之D触发器U2B的D输入端即输入脚9电连接；与动触点1相对应的是两个静触点3和4， 而与动触点2相对应的是两个静触点5和6，其中静触点3和6相连接后与所述永磁体转子 磁场极性检测模块400之霍尔元件U6的第二个脚2电连接，静触点4和5相连接后与所述 逻辑电路处理模块600之非门TOB的输出脚4电连接。借助该双刀双掷开关SWl可以互换所述两D触发器U2A与U2B的D输入端的信号， 以选择所述单相永磁体同步电动机按顺时针或逆时针之任一方向运转。单相永磁体同步电动机之永磁体转子800的旋转速度与其定子900励磁绕组的电 源频率60Hz或50Hz相适应，在本发明各实施例中是3600或3000rpm。参见图7至图9，unrt是所述单相永磁体同步电动机的电源电压波形图Jca是经所 述电容Cl移相后用作时钟脉冲信号的移相电流波形图，该移相后用作时钟脉冲信号的移 相电流i。相对于所述电源电压Unrt要超前α角度；是所述单相永磁体同步电动机之定 子励磁绕组的励磁电流波形图，该励磁电流iex相对于所述电源电压Unrt要落后β角度，此 β角度会因所述单相永磁体同步电动机实际工作时的状况不同而有所变化。参见图2和图 11，经所述电容Cl移相后的电流i。包括用作时钟脉冲信号的移相电流U和流入桥式整流 电路Dll D14的移相电流i。2，该用作时钟脉冲信号的移相电流U与电源移相后的电流 i。基本同步。参见图2、图8和图9，移相电流。从t0到tl时刻后，经所述电阻R2降压，二极 管D3由导通变为截止，所述三极管Q2也由导通变为截止，在tl时刻在三极管Q2的集电极 产生一个由低电平“0”到高电平“1”的上升沿阶跃，此即图8和图9上的D触发器之时钟 信号输入端U2A-CLK ；当移相电流iel从t2到t3期间，经所述电阻R2降压，二极管D3由截 止变为导通，所述三极管Q2也由截止变为导通，在t2时刻在三极管Q2的集电极产生一个 由高电平“1”到低电平“0”的一个下降沿阶跃；图2上三极管Q2的基极电容C4起滤波作 用。单相永磁体同步电动机在启动时，并不一定能在一个电源电压周期内实现同步运 转，可能需要多个电源电压周期的来回摆动才能达到同步运转。参见图3和图4，所述单相 永磁体同步电动机在定子、定子的方向、定子线圈和转子都完全相同的情况下，如不通过电 路控制，该电动机在达到同步运转后相反的两种运转方向都有可能。下面以图3顺时针运转方向CW为设定的运转方向，并以图2优选实施例一的原理 电路图为例，结合其它各附图对本发明的控制过程作进一步详细说明。假设所述单相永磁体同步电动机上电时处于运动状态，且为顺时针转动；参见图 3和图8，该电动机之定子900励磁绕组产生的磁场极性与永磁体转子800磁场的极性一 致，在两个磁场相互排斥作用下若推动转子顺时针转动，此时该永磁体转子800的磁场极 性与该定子900励磁绕组的励磁电流方向变化会不断接近同步，在tl与t2时刻霍尔元件 U6检测到的该永磁体转子800的磁场极性与该定子900励磁绕组在定子900左侧极靴产生 的磁场极性相同，同时D触发器U2A与U2B均输出高电平“1”的信号，保持该定子900励磁绕组的电源开关双向晶闸管Ql —直处于开启状态，继续维持顺时针转动。假设所述单相永磁体同步电动机上电时处于运动状态，但为逆时针转动，不符合 使用者设定的运转方向；参见图4和图9，该电动机之定子900励磁绕组产生的磁场极性与 所述永磁体转子800的磁场极性相反；这种情况，如在永磁体转子800静止或者永磁体转子 800的初速度很小的状态下，在两个磁场相互吸引力的作用下，永磁体转子800会被吸住不 能转动；但如果该永磁体转子800本来就具有一定的初速度、且该永磁体转子800的最大磁 场与所述定子900励磁绕组的最大磁场不在同一轴线，存在一定的夹角，电动机可以在两 个磁场相互吸引力的作用下，牵入同步运转；但因为是在逆时针转动，永磁体转子800的N 极到了霍尔元件U6处，在tl与t2时刻霍尔元件U6检测到的永磁体转子800的磁场极性 就与定子900励磁绕组在定子900左侧极靴产生的磁场极性相反；这样，参照图2和图9，D 触发器U2A与U2B均输出低电平“0”的信号，因为两个D触发器U2A与U2B在各自时钟信 号输入端CLK上升沿时，其各自的数据信号输入端D均置“0”，所以它们的Q输出端都输出 低电平“0”的信号，在经电阻R6和电容C5延时放电完毕后，就关断定子励磁绕组的电源开 关双向晶闸管Ql ；俟满足D触发器U2A或U2B输出为高电平“ 1 ”信号的条件，再重新触发双 向晶间管Q1，使所述单相永磁体同步电动机重新开始启动，如此反复，所述永磁体转子800 来回摆动，直至该电动机之定子900励磁绕组产生的磁场极性与永磁体转子800的磁场极 性一致，使两个D触发器U2A与U2B输出均为高电平“ 1”的信号，持续维持该电动机之永磁 体转子800实现顺时针方向同步运转。当所述单相永磁体同步电动机上电后，参见图2，其转向控制电路就有了控制电 源，因而两个D触发器U2A与U2B也有了时钟信号CLK。这时如果该电动机之永磁体转子 800处于静止状态，则无论霍尔元件U6侦测到该永磁体转子800磁极是S极还是N极，亦即 其输出逻辑真值是“1”还是“0”，所述两D触发器U2A与U2B都至少有一个数据信号输入端 D是高电平“1”的信号，该信号“1”此刻是固定的，因为所述永磁体转子800静止，而所述两 D触发器U2A与U2B的时钟信号CLK相位互相相反，于是在时钟信号CLK的作用下，就至少 有一个Q输出端是高电平“1”的信号，经二极管或门D4和D5后，又经非门U3D输出低电平 “0”信号，终于使光耦合器U5驱动双向晶闸管Ql导通，该电动机定子900励磁绕组流过励 磁电流i。其永磁体转子800遂脱离静止状态。所述单相永磁体同步电动机的转子处于静止状态，霍尔元件输出信号1时，触发 器U2A和U2B相关输入输出脚的时序关系见图12 ；所述单相永磁体同步电动机的转子处于静止状态，霍尔元件输出信号0时，触发 器U2A和U2B相关输入输出脚的时序关系见图13。图11优选实施例二，只是通过一个双刀双掷开关SWl，切换两个D触发器U2A与 U2B在tl、t2时刻永磁体转子800的检测信号，以改变定子900励磁绕组产生的磁场极性 与永磁体转子800的磁场极性的匹配关系，从而达到控制永磁体转子800不同转动方向的 目的，工作原理与上述单相永磁体同步电动机的控制过程相同。另外，实现永磁体转子800 转动方向的切换，还可以通过切换两个D触发器U2A和U2B的时钟信号输入脚CLK的信号 来实现，也可以通过切换定子900励磁绕组之励磁电流的方向来实现。本发明设置有转向控制电路的单相永磁体同步电动机优选实施例所用电子元件 一览表
权利要求
1.一种控制单相永磁体同步电动机转动方向的便捷方法，包括如下步骤A、设置定子励磁电流iex的电源开关，使之符合以下要求①在永磁体转子静止时，接通电源电压Unrt后，所述定子励磁电流iex的电源开关必须 是导通的；②所述永磁体转子转动后，如果转动方向符合设定要求，要保持所述定子励磁电流‘ 的电源开关导通；③所述永磁体转子转动后，如果转动方向同设定要求相反，所述定子励磁电流‘的电 源开关就会关断，俟所述永磁体转子仅有抖动或蠕动时，该定子励磁电流‘的电源开关又 自动重新启动；B、设置获取所述永磁体转子在指定位置实时磁场极性的永磁体转子磁场极性传感装 置，以其输出的逻辑真值“ 1”或“0”代表所述永磁体转子临近该传感装置所在位置瞬间是 S极还是N极；C、基于定子励磁绕组的电源电压Unet，将其移相、整形后用作时钟脉冲CLK，再引入所述 永磁体转子磁场极性传感装置输出的逻辑信号，用最简单的时序逻辑电路完成上述步骤A 中各项判断，实现所述永磁体转子转动方向的控制。
2.根据权利要求1所述的控制单相永磁体同步电动机转动方向的便捷方法，其特征在于所述定子励磁电流‘的电源开关包括双向晶闸管Ql及其驱动电路。
3.根据权利要求1所述的控制单相永磁体同步电动机转动方向的便捷方法，其特征在于所述永磁体转子磁场极性传感装置是霍尔元件U6及其外部电阻。
4.根据权利要求1所述的控制单相永磁体同步电动机转动方向的便捷方法，其特征在于所述时序逻辑电路包括集成双D触发器U2、集成非门U3和二极管或门D4、D5。
5.一种设置有转向控制电路的单相永磁体同步电动机，包括有一对磁极的永磁体转子 (800)和缠绕有励磁绕组的定子(900)；其特征在于还包括可靠地保证所述单相永磁体同步电动机按已设定方向转动的转向控制电路，所 述转向控制电路包括直流稳压电源模块000)、移相电流检测模块(300)、永磁体转子磁场 极性检测模块G00)、逻辑电路处理模块(600)和定子励磁绕组的电源开关及其驱动电路 模块(700)，以及输入给所述直流稳压电源模块000)、移相电流检测模块(300)和定子励 磁绕组的电源开关及其驱动电路模块(700)的交流电源(100)；所述直流稳压电源模块(200)将输入的所述交流电源(100)转换为稳定的直流电压 Vrc，并输出到所述各模块(300、400、600、700)用作控制电源；通过所述移相电流检测模块(300)获取移相后电流实时正、负半周的逻辑信号；通过 所述永磁体转子磁场极性检测模块(400)获取所述永磁体转子(800)在指定位置实时磁场 极性是N还是S的逻辑信号；借助所述移相电流检测模块(300)和永磁体转子磁场极性检测模块(400)提供的所述 各逻辑信号，经所述逻辑电路处理模块(600)进行逻辑处理后，输出控制信号到所述定子 励磁绕组的电源开关及其驱动电路模块(700)，由所述定子励磁绕组的电源开关及其驱动电路模块(700)来控制所述单相永磁体同步电动机按已设定的方向运行。
6.根据权利要求5所述的设置有转向控制电路的单相永磁体同步电动机，其特征在于所述永磁体转子磁场极性检测模块(400)借助设置在所述定子(900)两极靴之间并挨 近永磁体转子(800)的霍尔元件进行检测，包括电阻R5和霍尔元件TO ；所述霍尔元件TO的 第一个脚(1)连接到所述稳定的直流电压V。。，所述霍尔元件TO的第二个脚( 与所述逻 辑电路处理模块(600)电连接，所述霍尔元件TO的第三个脚C3)连接至所述电路的等电位 点；所述电阻R5并联在所述霍尔元件U6的第一个脚⑴和第二个脚(2)之间。
7.根据权利要求5所述的设置有转向控制电路的单相永磁体同步电动机，其特征在于所述逻辑电路处理模块(600)采用集成六非门和集成双D触发器逻辑电路，包括使用 的三个非门U;3B U3D、两个D触发器U2A和U2B、电阻R6、电容C5，以及二极管或门D4、D5 ； 所述永磁体转子磁场极性检测模块(400)获取所述永磁体转子(800)在指定位置实时磁场 极性的逻辑信号后输出到所述非门U;3B的输入脚(3)和D触发器U2A的D输入端即输入脚 (5)，该非门TOB的输出脚(4)同所述D触发器U2B的D输入端即输入脚(9)连接；所述移 相电流检测模块(300)获取移相后超前电流的实时正、负半周的逻辑信号，再输出到所述 非门U3C的输入脚(5)和D触发器U2A的时钟信号输入端CLK即另一输入脚(3)，该非门 U3C的输出脚(6)同所述D触发器U2B的时钟信号输入端CLK即另一输入脚(11)连接；所 述两D触发器U2A和U2B的Q输出脚(1、1；3)分别与所述两二极管D4及D5的阳极连接，该 两二极管D4及D5的阴极均同所述非门U3D的输入脚(9)连接，该非门U3D的输入脚(9) 还经并联的电阻R6和电容C5后连接至所述电路的等电位点，该非门U3D的输出脚(8)输 出到所述定子励磁绕组的电源开关及其驱动电路模块(700)；所述两D触发器U2A和U2B的 各复位输入端RST和置位输入端SET，即所述D触发器U2A的另两个输入脚(4、6)和D触发 器U2B的另两个输入脚(10、8)均连接至所述电路的等电位点，所述两D触发器U2A和U2B 的ξ输出脚O、12)悬空。
8.根据权利要求5所述的设置有转向控制电路的单相永磁体同步电动机，其特征在于所述定子励磁绕组的电源开关及其驱动电路模块(700)包括双向晶间管Q1、光耦合器 U5、电容C6和三个电阻R8、R10、R12 ；所述逻辑电路处理模块(600)输出信号连接至所述光 耦合器U5之发光二极管的阴极，所述稳定的直流电压经电阻R8连接所述光耦合器U5 之发光二极管的阳极，所述光耦合器U5的一输出端电连接所述双向晶闸管Ql的门电极G， 所述光耦合器U5的另一输出端通过串联的两电阻RlO及R12后电连接到所述双向晶闸管 Ql的一主电极T2，该主电极T2并与所述定子(900)励磁绕组一端连接，所述双向晶闸管Ql 的另一主电极T1与所述交流电源(100)的输出端AC2电连接，该输出端AC2同时经所述电 容C6后电连接至所述两电阻RlO及R12的串联连接点；所述励磁绕组的另一端电连接所述 交流电源(100)的另一输出端AC1。
9.根据权利要求5至8任一项所述的设置有转向控制电路的单相永磁体同步电动机， 其特征在于所述转向控制电路还包括电动机运转方向选择模块(500)，它是双刀双掷开关SWl，分别与所述永磁体转子磁场极性检测模块(400)和逻辑电路处理模块(600)电连接；借助该 双刀双掷开关SWl可以选择所述单相永磁体同步电动机按顺时针或逆时针之任一方向运转。
10. 一种用于单相永磁体同步电动机的转向控制电路，能可靠地保证所述单相永磁体 同步电动机按已设定方向转动，其特征在于包括直流稳压电源模块000)、移相电流检测模块(300)、永磁体转子磁场极性检测模 块G00)、逻辑电路处理模块(600)和定子励磁绕组的电源开关及其驱动电路模块(700)， 以及输入给所述直流稳压电源模块000)、移相电流检测模块(300)和定子励磁绕组的电 源开关及其驱动电路模块(700)的交流电源(100)；所述直流稳压电源模块(200)将输入的所述交流电源(100)转换为稳定的直流电压 Vrc，并输出到所述各模块(300、400、600、700)用作控制电源；通过所述移相电流检测模块(300)获取移相后电流实时正、负半周的逻辑信号；通过 所述永磁体转子磁场极性检测模块(400)获取永磁体转子(800)在指定位置实时磁场极性 是N还是S的逻辑信号；借助所述移相电流检测模块(300)和永磁体转子磁场极性检测模块(400)提供的所述 各逻辑信号，经所述逻辑电路处理模块(600)进行逻辑处理后，输出控制信号到所述定子 励磁绕组的电源开关及其驱动电路模块(700)，由所述定子励磁绕组的电源开关及其驱动 电路模块(700)来控制所述单相永磁体同步电动机按已设定的方向运行。
全文摘要
控制单相永磁体同步电动机转动方向的便捷方法，包括步骤A、设置定子励磁电流的电源开关，使之在永磁体转子静止时，接通电源电压后，电源开关导通，或者永磁体转子转动后，如果转动方向符合设定要求，电源开关导通，或者永磁体转子转动后，如果转动方向同设定要求相反，电源开关就会关断，俟永磁体转子仅有抖动或蠕动时，该电源开关导通；B、设置获取永磁体转子在指定位置实时磁场极性的永磁体转子磁场极性传感装置；C、用最简单的时序逻辑电路完成上述步骤A中各项判断，实现永磁体转子转动方向的控制。本发明具有控制方法简单实用、控制电路简单、成本低廉、可靠性高、抗干扰性强和能有效降低晶闸管开关噪声等优点。
文档编号H02K29/08GK102075130SQ20101029312
公开日2011年5月25日 申请日期2010年9月13日 优先权日2010年1月21日
发明者不公告发明人 申请人:艾如菊