负载驱动装置、电机组件及电机驱动装置的制作方法

本发明涉及电机控制领域，尤其涉及一种驱动电机的电机驱动装置及应用该电机驱动装置的电机组件及负载驱动装置。

背景技术：

单相同步电机电枢磁场可看作二个正反旋转磁场合成的脉动磁场，磁极启动时有转矩为0的死点。传统启动方法通常采用不均匀气隙、不均匀磁路，使磁极n静止时能停在预定初始位置上，即2～178电角度或182～358电角度之间，以避开启动受力为0的死点。但接通电源时，电流的起始相位是随机的，无法确保磁极受力为指定旋转方向，因此此方法启动存在旋转方向不定、启动振动、启动转矩小以及启动失败等问题。

技术实现要素：

鉴于上述状况，有必要提供一种能够控制电机定向启动的电机驱动装置及应用该电机驱动装置的电机组件及负载驱动装置。

本发明实施例提供了一种电机驱动装置，包括壳体、封装于壳体内的半导体基片，所述电机驱动装置还包括锁相控制电路、触发电路及双向电子开关，所述锁相控制电路用于跟踪交流电源频率及相位，并发出一个由低频变到高频直至与交流电源同频同相位的锁相矩形波串至所述触发电路，所述触发电路在锁相矩形波串高电平或低电平的脉冲宽度小于电源周期前，根据所述锁相矩形波串的电平控制所述双向电子开关以预定方式在导通与截止之间切换，以控制电机沿设定方向启动，当锁相矩形波串高电平或低电平的脉冲宽度小于电源周期时，所述触发电路控制双向电子开关全通电；所述锁相控制电路、触发电路及双向电子开关至少之一设于所述半导体基片上。

作为一种优选方案，当锁相矩形波串为高电平时所述触发电路触发所述双向电子开关导通电源电压的正半波串，当锁相矩形波串为低电平时所述触发电路触发所述双向电子开关导通交流电源电压的负半波串。

作为一种优选方案，所述电机驱动装置还包括降压整流稳压电路，所述降压整流稳压电路用于将交流电源的电压处理为稳定的直流电压并提供给所述锁相控制电路和触发电路。

作为一种优选方案，从壳体引出一第一端子及一第二端子，所述第一及第二端子分别连接所述双向电子开关的两端及所述降压整流稳压电路两端。

作为一种优选方案，从壳体引出第一端子至第三端子，所述第一及第三端子分别连接所述降压整流稳压电路两端，所述第二及第三端子分别连接所述双向电子开关的两端。

作为一种优选方案，所述降压整流稳压电路封装于壳体内部。

作为一种优选方案，所述双向电子开关全通电前一个波的极性为正极，全通电后的第一个波的极性为负极；或者所述双向电子开关全通电前一个波的极性为负极，全通电后的第一个波的极性为正极。

作为一种优选方案，所述触发电路在电机启动前发出使电机转子停在指定位置的定位触发脉冲。

作为一种优选方案，所述定位触发脉冲为1个以上波数的正半波或1个以上波数的负半波。

本发明的实施例还提供一种电机组件，包括电机及与所述电机串接于交流电源两端的如上中任一项所述的电机驱动装置。

本发明的实施例还提供一种负载驱动装置，包括如上所述的电机组件及由所述电机组件驱动的负载。

作为一种优选方案，所述负载驱动装置还包括一离合器，所述电机组件通过所述离合器驱动所述负载。

作为一种优选方案，所述离合器为弹簧离合器、离心离合器、摩擦离合器或电磁离合器。

上述电机驱动装置使用锁相控制的方式提供了确定的转子启动起始时电源半波方向及半波串的换向方式，可使电机按指定方向启动，并可以平稳的转入同步旋转，应用上述电机驱动装置的电机组件及负载驱动装置结构简单、震动噪声小、使用寿命长。而且将锁相控制电路、触发电路及双向电子开关全部或不封封装在集成电路中，如可由asic单芯片实现，可降低电路成本，并提高电路的可靠性。

附图说明

附图中：

图1是本发明第一实施方式的电机组件及其驱动负载的功能方框图。

图2是图1中电机的示意图。

图3是图1中电机驱动装置的功能方框图。

图4是图1中电机驱动装置控制电机启动过程的波形图。

图5本发明第二实施方式的电机组件驱动负载的功能方框图。

图6是图5中电机驱动装置的功能方框图。

主要元件符号说明

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其他有益效果显而易见。可以理解，附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。附图中显示的连接仅仅是为便于清晰描述，而并不限定连接方式。

请参阅图1，本发明第一实施方式的电机组件包括电机10及用于控制电机定向启动的电机驱装置30，所述电机驱动装置30及电机10及电源开关s1串联连接在交流电源60两端。所述电机10可直接驱动负载50，也可通过负载连接机构驱动负载。本实施方式中，电机10为单相永磁同步电机，其他实施方式中，电机10也可为单相励磁同步电机或直流无刷电机。本实施方式中，所述负载连接机构为离合器40，该离合器40可为弹簧离合器、离心离合器、摩擦离合器或电磁离合器。本实施方式中，以负载50为风机的扇叶为例进行说明，其他实施方式中，负载可为水泵的叶轮或其他设备。当然，若负载50转动惯量较小，可不设置负载连接机构而让电机10直接驱动负载50运行。

图2示出依据本发明一实施方式的单相永磁同步电机。所述同步电机10包括定子和可相对定子旋转的转子14。定子具有定子铁心12及绕设于定子铁心12上的定子绕组16。定子铁心12可由纯铁、铸铁、铸钢、电工钢、硅钢等软磁材料制成。转子14具有永磁铁，定子绕组16与交流电源60串接时转子14在稳态阶段以60f/p圈/分钟的转速恒速运行，其中f是所述交流电源的频率，p是转子的极对数。

定子的磁极和转子14的磁极之间具有不均匀气隙18，使得转子14在静止时其极轴r相对于定子的极轴s偏移一个角度α，以允许电机10在电机驱动装置30的作用下每次通电时转子可以具有启动转矩。本实施方式中，定子和转子均具有两个磁极。可以理解的，在更多实施方式中，定子和转子的磁极数也可以不相等，且具有更多磁极，例如四个、六个等。

本实施方式中，电机的定子绕组16和电机驱动装置30串联于交流电源60两端。所述电机驱动装置30可使电机在每次启动时均沿着一固定方向启动。

请参考图3，示出所述电机驱动装置30的一种实现方式。本实施方式中，所述电机驱动装置30为一两端口特定用途集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，asic)芯片，包括壳体31、自壳体31伸出的两个端子1、2、以及封装于壳体内的驱动电路，所述驱动电路设于半导体基片上，包括锁相控制触发电路32、连接于两个端子1、2之间的降压整流稳压电路34和双向电子开关36。所述锁相控制触发电路32包括锁相控制电路322及触发电路324，所述锁相控制触发电路32被配置为依据电机的转子磁极位置、启动转向，控制所述双向电子开关36导通的通电波形的起始波串为正半波或负半波以及控制双向电子开关36以预定方式在导通与截止状态之间切换，使定子绕组16在电机启动阶段仅沿着设定启动方向拖动转子14旋转。

所述交流电源60可以是市电交流电源，具有例如50赫兹或60赫兹的固定频率，电压可以是110伏、220伏或230伏等。所述降压整流稳压电路34接收交流电源并将交流电源进行降压整流稳压处理变为电压值为大多数芯片或电路普遍使用的稳定的3伏到18伏之间的电压(例如5v)并提供给所述锁相控制触发电路32。所述降压整流稳压电路34包括降压电路、整流电路及稳压电路，所述降压电路可采用电阻、电容或变压器等对交流电源进行降压，降压后的电压通过整流电路变为直流电压，整流电路可采用全桥整流电路、半桥整流电路、全波整流电路或半波整流电路。整流后的电压经稳压电路变为稳定的5v电压，稳压电路可采用稳压二极管或三端稳压器等电子元件。所述双向电子开关36可为三端双向交流开关(triac)、晶闸管(scr)或mos开关元件，相应的所述锁相控制触发电路32中的触发电路324为triac、scr或mos元件的触发电路，所述触发电路按照预定方式控制所述双向电子开关36的导通和截止。本实施方式中，所述双向电子开关36为三端双向交流开关，其两个阳极分别连接两个端子1、2，其控制极连接所述触发电路324。

请参阅图4，现对所述电机驱动装置30的控制原理进行说明。电机启动时，按下电源开关s1，交流电源60输出大小和方向随时间按照正弦规律变化的电压，所述锁相控制电路322能够跟踪电源频率及相位，并发出一个由低频变到高频直至与交流电源同频同相位的锁相矩形波串。所述触发电路324根据所述锁相控制电路322发出的锁相矩形波串，开始时其高电平或低电平脉冲宽度大于电源周期，当此波串为高电平时控制双向电子开关36的导通和截止状态，使加到电机10上的电压为正半波串，在此锁相矩形波串为低电平时触发双向电子开关36使加到电机10上的电压为负半波串。

当锁相控制电路322发出的锁相矩形波串高电平或低电平脉冲宽度小于电源周期时，所述触发电路324控制双向电子开关36全通电使加到电机10上的电压为交流电源电压。所述双向电子开关36全通电后，加到电机10上的第一个波的极性与全通电前一个波的极性相反，即如果双向电子开关36全通电前一个波的极性为正半波，则全通电的第一个波的极性为负半波，反之亦然。在上述过程中，所述锁相控制触发电路32有效地实时控制双向电子开关36的导通与截止，并控制加载到电机定子绕组16中的交流电的极性，使电机10的主磁通和电枢电流的方向随电源的极性改变而改变，使电机中定子磁场始终驱动转子14只向一个方向转动，以实现转子的定向启动。

本实施方式中，电机在启动或停止时所述触发电路324可发出定位触发脉冲，即1个或1个以上波数的正半波，以使电机转子n极停在指定位置。其他实施方式中，定位脉冲也可以是负半波，进一步的，其他实施方式中，也可以起始、停止时都发出定位脉冲。进一步的，定位脉冲中的波头导通的初始相位可以控制在0-175电角度以避开启动受力为0的死点。进一步的，电机10也可用将永磁体装在定子上，帮助转子n极停在指定位置上。

根据上述原理，结合图4以转子正转即顺时针旋转为例进行说明，初始时，转子n极停在指定位置上，交流电源60输出大小和方向随时间按照正弦规律变化的电压，如图4中的电源波形，所述锁相控制电路322跟踪电源频率及相位，并发出一个由低频变到高频直至与电源同频同相位的锁相矩形波串，如图4中的锁相波形。开始时其高电平或低电平脉冲宽度大于电源周期，锁相矩形波串为高电平时所述触发电路324控制所述双向电子开关36的导通和截止状态，使加到电机10上的电压为正半波串，定子绕组16中有正向电流流过，驱动转子14沿顺时针方向启动旋转，随后锁相矩形波串变为低电平，所述触发电路324根据此低电平触发双向电子开关36使加到电机10上的电压为负半波串，定子绕组16中有反向电流流过，此时转子磁极从预定位状态随正向定子旋转磁场开始转动并加速，电机10启动阶段，均按此原则控制双向电子开关36的导通和截止状态。当锁相控制电路322发出的锁相矩形波串高电平或低电平脉冲宽度小于电源周期时，此时转子速度也超过了二分之一同步速，所述触发电路324驱动所述双向电子开关36全通电。即所述触发电路324控制所述双向电子开关36全通电，使加到电机10上的电压为交流电源电压，将转子速度直接拉入与定子绕组16的正向旋转磁场方向一致，转速相同的同步速。所述双向电子开关36全通电后，加到电机10上的第一个波的极性与全通电前一个波的极性相反，即如果双向电子开关36全通电前一个波的极性为负半波，则全通电的第一个波的极性为正半波，反之亦然。通过锁相控制，即使交流电源60电压的起始相位是随机的，但加载到电机10上的电源电压的极性都按照预定方式加载，本实施方式中，经锁相控制触发电路32控制后转子启动初始时定子绕组中通电的电压为正半波，转子会按照预定的顺时针方向启动，不会发生转子旋转方向不定、启动振动等启动失败问题。

所述电机驱动装置30上可装有散热片，以为电机驱动装置30进行散热，所述电机驱动装置30的端子1、2可为2个接线头，该两个接线头可为插头或接线螺丝，也可通过焊接的方式与电机10及交流电源60连接。

本实施方式所述的电机驱动装置30提供了确定的转子启动起始时双向电子开关36导通的电源半波方向及半波串的换向方式，可使电机按指定方向启动，并可以平稳的转入同步转速旋转。本电机驱动装置30不用位置传感器、微处理器，电机的驱动电路全部封装在集成电路中，如用asic芯片实现，可方便电路的安装、减小电路尺寸、降低电路成本，并提高电路的可靠性。

请再次参阅图1，应用上述电机组件的负载如转动惯量大，同步电机转矩波动可能导致同步失败，因此采用离合器40连接负载50，电机10启动时，先让电机10轻载启动，待电机转子14达到一定转速时再用离合器40带动负载启动，解决了电机10启动初期输出力矩不足以带动负载从而启动失败的问题。若负载惯性较小，电机10也可直接驱动负载启动运行。采用本发明的驱动方式，离合器高速运行时闭合力远大于低速时的闭合力，且允许电机有较长的启动过程。

对风机、水泵类负载，其低速时负载转矩小，可以采用直接驱动或使用简单的弹簧离合器驱动即可。

本发明解决了同步电机定向启动以及带负载的问题，且结构简单、震动噪声小、使用寿命长。

请参考图5及图6，示出电机驱动装置30的第二实施方式，第二实施方式与第一实施方式的结构基本相同，不同的是第二实施方式中，所述电机驱动装置30具有三个端子1-3，所述端子1连接所述降压整流稳压电路34，所述端子2、3连接于双向电子开关36两端，所述端子1通过所述电源开关s1连接交流电源60的火线，所述端子2通过电机10及所述电源开关s1连接交流电源60的火线，所述端子3连接交流电源60的零线。其他实施方式中，端子1可连接交流电源的零线，端子2通过所述电源开关s1连接交流电源的火线，端子3通过电机10连接交流电源60的零线。

上述实施方式中，可将电机的驱动电路封装在集成电路中，可降低电路成本，并提高电路的可靠性。

其他实施方式中，可视实际情况，将所述降压整流稳压电路34、锁相控制触发电路32、双向电子开关36全部或部分集成在集成电路中，例如，可以在集成电路中仅集成锁相控制触发电路32及双向电子开关36，而将降压整流稳压电路34设于集成电路外部。

再例如，还可以将降压整流稳压电路34中的降压电路与双向电子开关36设于集成电路之外，而在集成电路中集成整流电路(可仅包括整流桥而不包括降压电阻或其他降压元件)和所述锁相控制触发电路32。还可以将低功率部分集成在集成电路中，而将作为高功率部分的降压整流稳压电路34中的降压电路和双向电子开关36设在集成电路之外。再例如，还可以根据设计需要，将所述电机驱动装置30的驱动电路全部设置于印刷电路板上。

本发明实施方式中的所述锁相控制电路用于跟踪交流电源频率及相位，并发出一个由低频变到高频直至与交流电源同频同相位的锁相矩形波串至所述触发电路，所述触发电路在锁相矩形波串高电平或低电平的脉冲宽度小于电源周期前，根据所述锁相矩形波串的电平控制所述双向电子开关以预定方式在导通与截止之间切换，当锁相矩形波串高电平或低电平的脉冲宽度小于电源周期时，所述触发电路控制双向电子开关全通电，可保证电机每次通电时沿固定方向启动旋转。在风机如排气扇、油烟机等和水泵如循环泵、排水泵等负载驱动装置的应用中，可允许受转子驱动的叶轮/风扇采用弯曲型叶片，从而提高风机、水泵的效率。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，以及用mcu、fpga、或反逻辑电路实现本控制思想的，均同理包括在本发明的专利保护范围内。