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，尤其涉及一种驱动单相同步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：

单相同步电机定子电枢磁场可看作二个沿正反方向旋转的磁场合成的脉动磁场，转子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。

一种电机驱动装置，用于驱动电机的永磁转子相对于定子转动，所述定子包括定子磁芯及缠绕于定子磁芯上的定子绕组，所述电机驱动装置包括锁相控制电路、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，当锁相矩形波串为第一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正半波串，当锁相矩形波串为第二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， 以使所述定子绕组在电机启动阶段仅沿着启动方向拖动所述转子；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，所述触发电路控制所述双向电子开关全通电。

作为一种优选方案，所述第一电平为高电平，所第二电平为低电平。

作为一种优选方案，所述电机驱动装置还包括滤波稳压电路、电阻、稳压管及二极管，所述交流电源通过所述电阻连接所述稳压管的阴极，所述稳压管的阳极连接所述双向电子开关，所述稳压管的阴极通过二极管连接所述滤波稳压电路，所述滤波稳压电路用于将稳压管阴极的脉动直流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，所述电机驱动装置还包括整形电路，所述整形电路用于将稳压管阴极的脉动直流电压进行整形并提供与交流电源正半波或负半波同频同相位的正或反相同步矩形工作脉冲至所述锁相控制电路及触发电路。

作为一种优选方案，所述电机驱动装置还包括计数译码器，所述计数译码器的输入端连接所述整形电路，所述计数译码器包括第一至第三输出端口，所述第一输出端口与所述触发电路相连，用于在电机启动前输出使电机转子停在指定位置的定位信号；所述第二输出端口与所述锁相控制电路及触发电路相连，用于输出电机启动所需的启动信号；所述第三输出端口与所述触发电路相连，用于输出电机正常运行所需的运行信号。

作为一种优选方案，所述触发电路在接收到所述计数译码器的第一输出端口输出的使电机转子停在指定位置的定位信号时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。

作为一种优选方案，所述驱动装置还包括一与所述锁相控制电路及触发电路相连的控制电机正转或反转的转向控制电路。

作为一种优选方案，所述转向控制电路包括非门及第一和第二开关，所 述非门的输入端连接所述整形电路，所述非门的输出端通过第一及第二开关连接所述非门的输入端，所述第一及第二开关的连接节点作为所述转向控制电路的输出端输出控制电机正转及反转的正或反相同步矩形工作脉冲信号至所述锁相控制电路。

作为一种优选方案，所述锁相控制电路包括第一与门及锁相电路，所述第一与门的第一输入端连接所述转向控制电路的输出端，所述第一与门的第二输入端连接所述计数译码器的第二输出端口，所述第一与门的输出端连接所述锁相电路的输入端，所述锁相电路的输出端发出所述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。

作为一种优选方案，所述触发电路包括第二与门、第三与门、或门、异或非门及放大驱动电路；所述第二与门的第一输入端与所述计数译码器的第一输出端口相连，所述第二与门的第二输入端连接整形电路输出端，所述第二与门的输出端连接所述或门的第一输入端；所述或门的第二输入端连接所述计数译码器的第三输出端口；所述异或非门的第一输入端连接所述第一与门的输出端，所述异或非门的第二输入端连接所述锁相电路的输出端，所述异或非门的输出端连接所述第三与门的第一输入端，所述第三与门的第二输入端连接所述计数译码器的第二输出端口；所述第三与门的输出端连接所述或门的第三输入端；所述或门的输出端连接所述放大驱动电路的输入端，所述放大驱动电路的输出端连接所述双向电子开关。

作为一种优选方案，所述双向电子开关为三端双向交流开关、晶闸管或mos开关元件。

作为一种优选方案，所述双向电子开关全通电的第一个波的极性与全通电前一个波的极性相反。

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任一项所述的电机驱动装置，所述电机包括定子和可相对定子旋转的永磁转子，所述定子包括定子磁芯及缠绕于定子磁芯上的定子绕组，所述定子绕组与所述双向电子开关串接于所述交流电源两端。

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时初始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。

附图说明

附图中：

图1是本发明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。

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10定向启动的电机驱动装置30，所述电机驱动装置30及电机10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。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50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、铁氧体等软磁材料制成。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60的频率，p是转子14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在静止时处于启动位置，即其极轴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串接于交流电源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为一个三端口特定用途集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，asic)芯片，包括壳体31、自壳体31伸出的三个端子1、2、3，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，包括滤波稳压电路34、锁相控制电路32、触发电路35、计数译码器33、整形电路38、转向控制电路39及连接于两个端子1、2之间的双向电子开关36。所述端子2连接交流电源60的零线，所述端子1通过电机10的定子绕组16连接交流电源60的火线。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赫兹的标称频率，标称电压可以是110伏、220伏或230伏等。

所述端子3连接交流电源60的火线，还通过一电阻r1连接稳压管z1的阴极，所述稳压管z1的阳极接零线，所述稳压管z1的阴极通过二极管d1连接滤波稳压电路34。所述滤波稳压电路34接收稳压管z1阴极的脉动直流电压并将其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电路32、触发电路35、计数译码器33、整形电路38、转向控制电路39等作为直流工作电源vcc。

所述稳压管z1的阴极还连接所述整形电路38，所述整形电路38用于将脉动直流电压进行整形并提供与交流电源正半波同频同相位的同步矩形的工作脉冲。所述整形电路38连接所述转向控制电路39，所述转向控制电路39包括一非门392及两开关k1及k2，所述非门392的输入端连接所述整形电路38，所述非门392的输出端通过开关k2及k1连接非门392的输入端，所述开关k1及k2的连接节点作为所述转向控制电路39的输出端输出控制电机10正转及反转的同步脉冲信号。本实施方式中开关k1为正转开关，所述开关k1闭合时，控制电机10正转；所述开关k2为反转开关，所述开关k2闭合时，控制电机10反转。所述两开关k1及k2可与电源开关s1(图1)联动，但会比电源开关s1的闭合延迟一定时间，以在工作电源稳定建立后导通。

所述计数译码器33的输入端连接所述整形电路38的输出，所述计数译 码器33包括三个输出端口1-3，所述输出端口1用于在电机启动前输出使电机转子停在指定位置的定位信号；所述输出端口2输出电机启动所需的启动信号；所述输出端口3适时输出电机正常运行所需的运行信号。本实施方式中，所述定位信号、启动信号及运行信号为高电平有效信号。所述计数译码器33输出定位信号、启动信号及运行信号的时段根据电机的启动运行需要进行译码设定。各信号的时段起止时间总与整形电路38提供的同步矩形的工作脉冲的上下沿重合，这样可以保证导通波头的完整，减小振动噪声。

所述计数译码器33的输出端口2连接所述锁相控制电路32，所述锁相控制电路32包括锁相电路322及与门324，所述与门324的第一输入端连接所述转向控制电路39的输出端以接收工作脉冲，所述与门324的第二输入端连接计数译码器33的输出端口2，所述与门324的输出端连接所述锁相电路322的输入端，所述锁相电路322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35。

所述触发电路35包括与门352及353、或门354、异或非门356及放大驱动电路355。所述与门352的第一输入端与所述计数译码器33的输出端口1相连，所述与门352的第二输入端连接所述整形电路38的输出端，所述与门352的输出端连接或门354的第一输入端。所述或门354的第二输入端连接所述计数译码器33的输出端口3。

所述异或非门356的第一输入端a连接所述与门324的输出端，所述异或非门356的第二输入端b连接所述锁相电路322的输出端，所述异或非门356的输出端c连接所述与门353的第一输入端，所述与门353的第二输入端连接所述计数译码器33的输出端口2。所述与门353的输出端连接所述或门354的第三输入端。所述或门354的输出端连接所述放大驱动电路355的输入端，所述放大驱动电路355的输出端连接所述双向电子开关36。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，所述触发电路35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35。

所述触发电路35控制所述双向电子开关36以预定方式在正半波或负半波的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。

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。本实施方式中以电机10正转为例进行说明，电机启动时，正转开关k1及与正转开关k1联动的电源开关s1闭合，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中的交流电源波形，交流电源电压经电阻r1降压、稳压管z1稳压得到与交流电源正半波同步的脉动直流电压，此脉动直流电压经二极管d1及滤波稳压电路34后提供所述驱动装置30所需的直流工作电源vcc，还经整形电路38后提供与交流电源正半波同步的矩形工作脉冲。计数译码器33的输出端口1输出使电机转子停在指定位置的定位信号，为简便说明，将所述计数译码器33的三个输出端口1-3互不重合的输出信号画在一个波形上，请参考图4中计数译码器输出波形。所述工作脉冲经闭合的开关k1输出至与门352，并与所述定位信号经与门352进行与逻辑运算，再经或门354及放大驱动电路355输出，控制所述双向电子开关36导通电源电压的正半波串，如图4中的与定位信号对应的电机电压波形，以使转子进行一定时间的定位与复位。转子复位后，转子停在预启动位，可避开启动受力为0的死点，使电机能够正常启动。

转子复位后，所述计数译码器33的输出端口2输出电机启动所需的启动信号，所述启动信号与所述工作脉冲经与门324运算后输入至所述锁相电路322，所述锁相电路322输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，如图4中的锁相电路输出波形。所述锁相电路322的输出与所述工作脉冲及启动信号经与门324运算后的输出提供至所述异或非门356，再经与门353、或门354及放大驱动电路355，提供所述双向电子开关36所需的交替导通交流电源正半波串及负半波串的触发脉冲。具体的，所述 触发电路35根据所述锁相控制电路32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，此高电平经异或门运算控制双向电子开关36的导通和截止状态，使加到电机10上的电压为正半波串，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，此低电平经异或非门356运算触发双向电子开关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，所述计数译码器33的端口3输出电机正常运行所需的运行信号(高电平)至所述或门354，经所述放大驱动电路355放大后驱动所述双向电子开关36全通电。即所述触发电路35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。

在上述过程中，所述触发电路35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。

当电机10需反转启动时，所述反向开关k2与电源开关s1联动，此时所述整形电路38输出的正半波的工作脉冲被非门392进行反相，输出与交流电源负半波同频同相位的矩形的工作脉冲。再经所述锁相控制电路32及触发电路35的处理，使所述触发电路35根据所述锁相控制电路32发出的锁相矩形波串在矩形波串高电平或低电平脉冲宽度大于电源周期时，锁相矩形波串的高电平经异或门运算时控制双向电子开关36的导通和截止状态，使加到电机10上的电压为负半波串，定子绕组16中有反向电流流过，驱动转子14沿 逆时针方向启动，锁相矩形波串的低电平经异或门运算触发双向电子开关36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，此时转子磁极从预定位状态随反向定子旋转磁场开始转动并加速。当锁相电路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，所述计数译码器33的输出端口3输出电机正常运行所需的运行信号(高电平)至所述或门354，经所述放大驱动电路355放大后驱动所述双向电子开关36全通电，以完成电机的反方向即逆时针启动及同步速运转。

本实施方式中，电机在启动时计数译码器33发出定位信号，所述触发电路35发出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，定位触发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、停止时都发出定位触发脉冲。进一步的，也可将定位永磁体装在电机10的定子上，帮助转子n极停在指定位置上，这样电机10在启动时所述计数译码器33可以不发送定位信号，驱动装置30中可以不设置与门352。当电机只需单向旋转时，所述电机驱动装置30中也可不设置所述转向控制电路39，所述整形电路38提供的同步工作脉冲直接提供至所述锁相控制电路32及触发电路35。

综上，经锁相控制电路32及触发电路35控制后，转子启动初始时定子绕组16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，或转子启动初始时定子绕组16中通电的电压为负半波，转子会按照预定的逆时针方向启动，不会发生转子旋转方向不定、启动振动及启动失败问题。

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、3可为3个接线头，该三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。此外，电机不使用印刷电路板，只需要将电机驱动装置30固定在适合的位置后通过导线与电机的绕组及交流电源60连接。

请再次参阅图1，应用上述电机组件负载的启动负载转矩及转动惯量大，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。若负载的启动负载转矩及转动惯量较小，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。

其他实施方式中，可视实际情况，将所述滤波稳压电路34、锁相控制电路32、触发电路35、计数译码器33、整形电路38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电路32、触发电路35及双向电子开关36，而将其他电路如滤波稳压电路34等设于集成电路外部。

再例如，还可以将滤波稳压电路34、电阻r1、稳压管z1、二极管d1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半波整形电路38、计数译码器33、锁相控制电路32及触发电路35。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电路(如电阻r1和稳压管z1)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的驱动电路全部分立元件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32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35，所述触发电路35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36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35控制双向电子开关36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、排水泵等流体驱动装置的应用中，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。